이 5 일간의 프로토콜은 모든 단계, 장비 및 기반의 효율적인 내생 대장균 처음부터 TX-TL의 무 세포 발현 시스템을 구축 및 실행에 필요한 추가 소프트웨어를 설명합니다. 시약, 프로토콜은 8 셋업 시간 이하의 반응, 수집, 및 프로세스 데이터를 걸린다.
방법 논문
* These authors contributed equally
이 5 일간의 프로토콜은 모든 단계, 장비 및 기반의 효율적인 내생 대장균 처음부터 TX-TL의 무 세포 발현 시스템을 구축 및 실행에 필요한 추가 소프트웨어를 설명합니다. 시약, 프로토콜은 8 셋업 시간 이하의 반응, 수집, 및 프로세스 데이터를 걸린다.
이상적인 무 세포 발현 시스템은 이론적으로 시험관 플랫폼 제어. 1이 통제 된 방식으로 단백질과 유전자 회로를 표현뿐만 아니라, 합성 생물학에 대한 프로토 타이핑 환경을 제공하는 데 유용합니다. 2,3에서 생체 세포 환경을 에뮬레이션 할 수 있습니다 후자의 목적을 달성하기 위해, 보존 무 세포 발현 시스템은 내인성 대장균 전사 - 번역 메커니즘은 더 정확하게 T7 RNA 폴리머 라제 전사에 기초하여보다 생체 세포 역학을 반영 할 수있다. 우리는 효율적인 내인성 E.의 준비 및 실행을 서술 유사한 상용 시스템에 대한 98 %의 비용 절감에 T7 기반 시스템과 같은 단백질의 상당 금액을 생산할 수있는 대장균을 기반으로 전사 - 번역 (TX-TL) 무 세포 발현 시스템. 4,5 버퍼와 원유 세포 추출물의 준비가 의 실행뿐만 아니라, 기재된세 관 TX-TL 반응. 전체 프로토콜을 준비하는 데는 약 5 일이 소요됩니다 한 준비에 최대 3000 단일 반응에 대한 충분한 정보를 얻을 수 있습니다. 일단 준비, 각 반응은 데이터 수집 및 분석 설정에서 8 시간에서 걸립니다. E.에 대한 규제와 전사 외인성의 메커니즘 대장균이 같은 락 / TET의 억제 자와 T7 RNA 중합 효소로 보충 할 수있다. 이러한 mRNA와 DNA의 분해 속도와 같은 6 내생의 속성을,도 조정할 수 있습니다. 7 TX-TL의 무 세포 발현 시스템이 시연 한 대형 규모의 회로 조립, 생물학적 현상을 탐구하고, 모두 T7과 내생 발기인에서 단백질의 발현. 6,8 동반자 수학적 모델을 사용할 수 있습니다. 9,10 결과 시스템은 프로토 타입 환경으로 합성 생물학의 고유 한 응용 프로그램을 가지고, 또는 "TX- TL의 생명 브레드. "
세포 자유로운 표현 기술은 T7 박테리오파지 DNA를 사용하여 결합 전사 - 번역의 메커니즘을 포함하는 년 후 발전, 순수하게 번역으로 1950 년에 시작되었다. 11, 12, 그 이후로, 수많은 노력은 원유 세포 추출물의 창조 (또는 E를 최적화되었습니다 . 대장균 S30 추출물). (13, 14) 이러한 최적화는 ATP 재생 또는 변형 수정을 통해 세포 단백질 합성을 연장하고, 프로토콜의 시간과 비용을 줄일 수 있습니다. 15-17 대체 무 세포 발현 시스템이 존재하는 원유 대신에 사용 재구성 구성 요소 표현 세포 추출물. 5 조 세포 추출물과 재구성 방법은 모두 상업적 목적으로 개발되었다.
합성 생물학의 출현과 함께, 설계 생물학적 모듈과 회로를 테스트하고 표현할 수있는 잘 특성화 플랫폼을위한 증가 필요가있다. 18, 19이 플랫폼이어야합니다다목적 잘 특징, 조작이 간단하고, 사용자가 제공 한 구성 요소에 초점을 맞추었다. 반세기 이전의 개발에도 불구하고, 세포가없는 시스템은 E.에 근거 그들은 성장과 신진 대사의 복잡성없이 세포 프로세스의 체외 표현의 단순화로 대장균은 본질적으로, 이러한 요구 사항을 공유 할 수 있습니다. 또한, E.에 생체 내 작품에서 기초 지식의 모든 대장균 E.에 쉽게 적용 대장균 세포없는 시스템.
무 세포 발현 시스템은 대부분의 무 세포 발현 시스템의 목표를 지금까지 합성 생물학에 응용 프로그램이있을 수 있지만 단백질과 대사 산물의 수율을 극대화하고있다. 이것은 T7 프로모터에 의해 구동 시퀀스의 T7 박테리오파지의 전사를 사용하여 수행됩니다. 20 표현이 효율적이고 강력하지만, 이러한 시스템은 고도로 전문화 된 목적을 제공하고 있습니다. 셀 규제 방법이 제한되어 대상 DNA 템플릿을해야합니다T7 프로모터를 포함하도록 재 설계하고, 이러한 리보솜 단지 특정 시퀀스가 전사 및 조립 할 수 없습니다. (21, 22) 기존의 무 세포 발현 시스템은 내생 규정하는 기계, 합성 생물학에 필요한 기능성을 유지하면서 높은 수율을 유지할 수 없습니다.
우리는 내생 E.을 개발했습니다 이전 시스템에 의해 입증 단백질 발현의 효율성을 유지하지만 있도록하여 추가 기능성을 추가 대장균 세포 표현의 자유의 시스템 표현과 (T7 또는 기타) 메커니즘 내인성 및 외인성 양에 따라 조절. 여기에 설명 된 프로토콜은 원래. Kigawa 등을 기준으로 (2004 년)와 리우 등. (2005), 그러나 중요한 수정을 가지고 있습니다. 그것은 효율성 향상을위한 마그네슘과 K-아세테이트 mg 이상 및 K-글루탐산을 활용 2 - 머 캅토 에탄올을 제거하고, 비드 비터를 사용하여 세포를 lyses. 17,23,24 비드 박동이 균질화를 통해 선택,때문에 경쟁 시스템의 낮은 비용과 유사한 수율에 압력 기반의 방법, 또는 초음파는. 23 3 phosphoglyceric 산 (3-PGA는)이 크레아틴 인산에 비해 우수한 단백질 수율을 제공하는 것으로 확인되었을 때 에너지 원으로 사용된다 포스. 4,25 우리의 시스템은 하나 람다 파지 사업자와 sigma70 기반의 발기인 또는 다른 상용 시스템에서 수익률과 유사한 T7 중심의 프로모터를 사용하여 기자 단백질의 0.75 ㎎ / ㎖을 생성 할 수 있습니다. 4,6 다섯 일 필요한 모든 시약 (그림 1)를 생성해야합니다. 또한, 비교 광고 셀없는 시스템에 비해 98 %의 비용 절감을 제공합니다 - 재료 비용 노동 (그림 2)를 포함으로 $ 0.26로 상승하는 10 ㎕의 반응 당 $ 0.11이다.
1. 원유 세포 추출 준비
3 일 동안 원유 세포 추출물을 준비 효율적으로 수행하기 위해 두 사람이 필요합니다. 문화 증가율 (1.1 단계 1.11 단계), 세포 용해 (1.37 단계로 단계 1.12), 및 설명을한다 (단계 1.38 1.52 단계로) 추출 : 프로토콜은 기능적으로 세 부분으로 구성되어 있습니다. 그것은 편의를 위해 일으로 나누어 제공됩니다. 이상적인 추출물은 플라스미드 pBEST-OR2-OR1-PR-UTR1-deGFP-T500 (Addgene 번호 40019), 단백질의 27 ~ 30 ㎎ / ㎖ 사이의 원유 세포 추출물의 농도가. 4에서 deGFP 0.75 ㎎ / ㎖를 생성 할 수있다 그러나 추출 특성은 배치에서 배치에 따라 다릅니다. 다음 조리법은 약 3,000 단일 반응 (6 ㎖의 원유 세포 추출물)에 대한 충분한을 제공합니다. 축소하는 경우에는 더 적은 여기에 주어진 값의 1 / 6 이상을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 시간 제약으로 인해, 스케일링은 사용하지 않는 것이 좋습니다.
1 일
2 일
3 일
2. 아미노산 솔루션 준비
아미노산 솔루션은 대량으로 준비되어야한다. 다음 조리법은 약 11,000 하나의 반응에 충분히 공급, RTS 아미노산 샘플러 중 하나 가득 차있는 장비를 사용합니다. 축소하는 경우에는 더 적은 절반 이상이 키트를 사용하는 것이 좋습니다. 주식의 각 아미노산은 140 ㎜로 류신을 제외하고, 1.5 ㎖, 168 ㎜로 공급된다. 아미노산 솔루션의 최종 구성은 다음과 같습니다류신, 5 mM의 다른 모든 아미노산, 6 개 mm. 이것은 4X 작업 농도이다.
3. 에너지 솔루션 준비
에너지 솔루션은 원유 세포 추출물을 교정하기위한 버퍼를 만들기 위해 모두 사용되며, 대량으로 준비를해야합니다. 다음 조리법은 약 10000 하나의 반응에 충분히 공급한다. 다운 스케일링하는 경우이다 추천!덜 여기에 주어진 값의 1 / 24 이상을 사용하지에 nded. 에너지 솔루션은 상당한 금전적 비용이기 때문에, 처음 사용자는 1 / 24 규모로 준비 할 수 있습니다. 에너지 솔루션의 최종 구성은 다음과 같습니다 HEPES pH를 8 700 밀리미터, ATP 21 밀리미터, GTP 21 밀리미터, CTP 12.6 밀리미터, UTP 12.6 밀리미터, tRNA가 2.8 ㎎ / ㎖, CoA를 3.64 밀리미터, NAD 4.62 mm의 캠프 10.5 밀리미터, 엽산 0.95 밀리미터, 스퍼 미딘 14 밀리미터, 3-PGA 420 밀리미터. 이것은 작업 14X 농도이다. 원하는 경우, 표 4의 각 항목은 나중에 사용하기 위해 -80 ° C에 저장할 수 있습니다.
4. 버퍼 준비
버피FER 준비 준비, 아미노산 용액의 제조 및 에너지 솔루션 준비를 추출 원유 세포의 완성이 필요합니다. 각 버퍼가 원유 세포 추출물의 배치에 고유합니다. MG-글루타민산 염, K-글루타민산 및 DTT는 (순서대로) 표정의 최대 수준의 반응을 생산하는이 섹션에 최적화되어 있습니다. 다음 프로토콜은 미리 준비 원유 세포 추출물을 측정하고 버퍼를 준비하는 미리 작성된 템플릿, TXTL_e (템플릿) _calibration_JoVE.xlsx (보충 자료 3)를 사용합니다. 그러나, 하나는 조 세포 추출물을 교정하고 추출물과 함께, 그것을 전체 반응 부피의 75 %임을 수동의 Mg-글루타메이트, K-글루타메이트, 및 DTT의 최적화와 같은 버퍼를 설정하여 템플릿 않고 버퍼를 준비 할 수있다. 수동 교정하면 최종 반응 조건은 단계 5에서 발견 될 수있다.
5. TX-TL 반응 실험 실행
최종 반응 조건은 다음과 같습니다 : 8.9-9.9 ㎎ / ㎖의 PROTE류신, 1.25 mM의 류신, 50 mM의 HEPES, 1.5 mM의 ATP와 제외 (조 추출물에서)에서, 4.5 mm의 10.5 밀리미터 밀리그램 - 글루타민산, 40-160 밀리미터 K-글루타민산, 0.33-3.33 mM의 DTT, 1.5 mM의 각 아미노산 GTP, 0.9 mM의 CTP 및 UTP, 0.2 ㎎ / ㎖의 tRNA, 0.26 mM의 CoA를, 0.33 mM의 NAD, 0.75 mM의 캠프, 0.068 mM의 엽산, 1 ㎜의 스퍼 미딘, 30 mM의 3-PGA, 2 % PEG-8000. 기본 TX 원유 세포 추출물, 버퍼, 및 DNA :-TL 반응은 3 부분 (튜브)가 있습니다. 비율은 : 75 % 버퍼와 키스, 25 %의 DNA 반응 볼륨에 변화 할 수있다, 우리는 반응 부피를 최소화하고 384 - 웰 플레이트에서 실행 가능하도록 규칙 10 μl를 사용합니다.. 큰 볼륨은 적절한 산소에 대한 교반이 필요합니다. 다음 프로토콜은 10 ㎕의 반응을 수행하기 위해, 미리 작성된 템플릿, TXTL_JoVE.xlsx (보충 자료 4)를 사용합니다. 보라색의 항목은 사용자가 입력 값을 표시하고 파란색의 항목이 반응에 추가하기위한 추가 시약을 나타냅니다. 그러나, 하나는 반응 재치를 수행 할 수호우 트 위에 설명 된 반응 조건을 수행하여 템플릿.
우리는 TX-TL 무 세포 발현 시스템을 기반으로 내인성 대장균의 제조 오일 프로토콜을 제시 하였다. 조 질의 세포 추출물 및 버퍼 - - 시약을 생성하기위한 샘플 타임 라인은도 1에서 찾을 수있다. 일단 생성되면, 이들은 1 년까지 -80 ° C에 저장할 수 있습니다. 시약을 만든 후, 실험 설정 및 실행은보다 8 시간에 수행 할 수 있습니다.
또, TX-TL의 무 세포 발현 시스템의 발현 조건을 최적화. 이러한 버퍼 또는 DNA 솔루션과 같은 다른 사용자가 제공 한 추가는, 미리 독성 교정해야한다. 예를 들어, 처리 플라스미드의 다른 방법으로 인해 염 함량에 다른 표정을 초래할. 우리는 또한 반응 효율에 트리스로-C1 용출 버퍼의 효과 (그림 5)를 테스트했다.
4.9 단계 4.1 참조 원유 세포 추출물 교정의 예는, 표시됩니다그림 4a에서. 일반적으로, 우리의 실험은 원유 세포 추출물이 K-글루타민산 수준 다음의 Mg-글루타민산 염 수준에 가장 민감하다는 것을 보여줍니다. 무 세포 발현 시스템을 설명하기 위해, 우리는 TET의 억압에 따라 음의 피드백 루프. 26 (그림 6)를 건설하고 시험했다. 무 세포 발현 시스템에서,과 및 ATC없이 동일한 회로 실행 표현 8 시간 후 deGFP 기자의 7 배 엔드 포인트의 표정 변화를 보여줍니다. 그들은 "마스터 믹스 준비."에 추가 할 수 있습니다 필요한 경우이 실험은, 세계 유도 또는 억제 자이 필요하지 않지만

그림 1. 조 질의 세포 추출물, 아미노산 용액, 에너지 용액 제조를위한 타임 라인. 5 일간 timelin 프로토콜의 일반적인 실행을위한 전자 밤새 배양 및 주간 작업 단계에 최적화 된, 위 주어진다.

그림 2. 비용 및 원유 세포 추출물을 경쟁의 발현 분석. ) TX-TL의 무 세포 발현 시스템의 노동과 재료 비용의 고장. 2012년 12월의 같은 시약의 비용, 시간 당 $ 14 노동 비용을 기준으로합니다. 나) 기타 상용 시스템 대 TX-TL 세포 표현의 자유의 시스템 비용의 비교. 반응 볼륨이 키트 당. C 다른 상용 시스템 대 TX-TL의 무 세포 발현 시스템 수율) 비교 될 수 있지만 비용은 μL 당 분류됩니다. 단백질 발현 수율은 제조사 기준에 의해 결정./ 50762fig2large.jpg "대상 ="_blank "> 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 비드 박동 튜브의 로딩 및 처리. ) 셀 비드 솔루션의 정확한 점도의 데모. 휴대 구슬 솔루션은 얼음에 소요되는 추가 S30A 버퍼의 양, 추가 구슬의 양, 시간 등의 여러 요인에 따라 점도있을 것입니다. B) 비드를 제패 한 튜브의 로딩 빠른 탁상 원심 분리 전에. 원심 분리로드하는 동안 축적 된 거품을 제거합니다. C) 탁상 원심 분리 후 부상 거품. 거품의 크기는 다를 것이다. 그들은 피펫 팁 D를 사용하여 팝 또는 제거 할 수 있습니다) 완전히 채워 비드를 제패 한 관을 씌우는 전에. 메 니스 커스가 비드 박동 t 형성된다우베 및 모자). 전자를 너무 많이 넣다 올바르게로드 필터 장치를 적은 양을 커버 일으킬 정도로 있습니다. 이 올바르게 대를 잘못 처리 비드를 제패 한 튜브. F) 비교를 재사용 할 수 있습니다. 왼쪽의 관은 잘 비트 튜브 - 그것은 작고 잘 묘사 꼭대기 층, 매우 명확 상층 액을 갖추고 있습니다. 좌측 관은 클수록 불투명 층과 제 흐릿한 상등액을 기반으로, 차선이다. 차선 있습니다 튜브는 계속 처리 할 수 없습니다.

그림 4. 조 추출물 제제의 속성. ) 원유 세포 추출물에 대한 일반적인 교정 플롯. 조 추출물은이 순서대로, 추가의 Mg-글루타메이트, K-글루타메이트, 및 DTT 농도에 대해 교정된다. 엔드 포인트 fluorescenc은 표시E 8 시간뿐만 아니라, 12 분 이동 평균에 기초하여 단백질 생산의 최대 비율 후. 이러한 플롯에 기초하여, 추가의 Mg-글루타메이트의 허용 범위는 K-글루타메이트가 60-80 ㎜ 인, 4 mm로하고, DTT는 0-3 ㎜이다. 모든 조 추출물이 세 변수에 독립적으로 보정해야합니다. B) 추출물 제제의 변화. 다른 날짜에 준비 두 원유 추출물의 엔드 포인트 형광 표시되고, 오차 막대는 서로 다른 일에 세 개의 독립적 인 실행에서 1 표준 편차이다. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 5. 발현 효율에 DNA 용액의 효과. 두 개의 서로 다른 정화의) 비교플라스미드를 처리하기위한 방법. pBEST-OR2-OR1-PR-UTR1-deGFP-T500의 1 nM의는 QiaPrep 스핀 미니 프렙 키트 (정화 방법 1) 또는 제품, QIAquick PCR 정제 키트와 후 처리하여 제조한다 (정화 방법 2). 8 시간뿐만 아니라, 12 분의 이동 평균에 기초하여 단백질 생산의 최대 속도 후의 끝점 형광 도시된다. 오차 막대는 서로 다른 일에 4 개의 독립적 인 실행에서 1 표준 편차이다. 용출 버퍼의 B) 효과 (트리스로-C1). 트리스로-C1의 다른 농도 pBEST-OR2-OR1-PR-UTR1-deGFP-T500의 1 ㎚의 식을 기반으로 세포 표현의 자유 반응에 비교된다. 주어진 농도는 반응 트리스로-C1의 최종 농도이며 사용 용출 완충액은 10 mM 트리스-Cl 인. 오차 막대는 서로 다른 일에 세 개의 독립적 인 실행에서 1 표준 편차이다. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
| 이름 | 집중 | 양 | 살균 | 주의 사항 |
| 클로람페니콜 (CM) | 에탄올에 34 ㎎ / ㎖ | 1 ㎖ | 소독 필터 (0.22 μM) | 나중에 사용하기 위해 -20 ° C에 저장 더 큰 볼륨을 만들 수 있습니다. |
| 2xYT + P + 센티미터 한천 플레이트 | 31g / L 2xYT, 40 mM의 인산 칼륨 이염, 22 mM의 인산 칼륨 일 염기성, 34 ㎍ / ㎖의 클로람페니콜 | 1 판 | 압력솥 | |
| 2xYT + P 미디어 | 31g / L 2xYT, 40 mM의 인산 칼륨 이염, 22 mM의 인산 칼륨 일 염기성 | 4 L | 압력솥 |
표 1. 원유 세포 추출 프로토콜의 1 일 용 시약.
| 이름 | 집중 강한> | 양 | 살균 | 주의 사항 |
| 트리스베이스 | 2 M | 250 ㎖의 | 소독 필터 (0.22 μM) 또는 오토 클레이브 | 상온에서 저장할 수 있습니다. |
| DTT | 1 M | 6 ML | 소독 필터 (0.22 μM) | 큰 볼륨을 만들어 나중에 사용하기 위해 -20 ° C에 저장할 수 있습니다. |
| S30A 버퍼 | 14 밀리미터 밀리그램 - 글루타민산, 60 mM의 K-글루타민산, 50 MM 트리스, 산도 7.7 | 2 L | 압력솥 | pH가 7.7에 도달하기 위해, 아세트산으로 적정한다. 사용 직전에 2 mM의 최종 농도 DTT를 추가합니다. 4 ℃에서 보관 |
| S30B 버퍼 | 14 밀리미터 밀리그램 - 글루타민산, 60 mM의 K-글루타민산 ~ 5 MM 트리스, 산도 8.2 | 2 L | 압력솥 | pH가 8.2에 도달하기 위해, 2M으로 적정트리스. 사용 직전에 1 mM의 최종 농도 DTT를 추가합니다. 4 ℃에서 보관 |
표 2. 원유 세포 추출 프로토콜의 하루 2 용 시약.
| 매 | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 빈 50 ML 팔콘 (G) | ||||
| 펠렛 50 ML 팔콘 (G) | ||||
| 펠렛 대용량 (50 ㎖ 펠릿와 팔콘 - 빈 50 ML 팔콘) (G) | ||||
| 추가 S30A 버퍼 볼륨 (펠렛 질량 * 0.9) (ML) | ||||
| 추가 할 수있는 구슬의 총 질량 (펠렛 질량 * 5.0) (G) | ||||
표 3. 원유 세포 추출 프로토콜의 일 3 S30A 버퍼와 구슬의 질량 계산기.
| 이름 | 집중 | 양 | 살균 | 주의 사항 |
| HEPES | 2 M, pH가 8 | 4 ML | 없음 | pH가 8에 도달하기 위해, KOH로 적정한다. |
| 염기 혼합 | 156 mM의 ATP와 GTP, 94 mM의 CTP 및 UTP, pH를 7.5 | 1.5 ML | 없음 | pH가 7.5에 도달하기 위해, KOH로 적정한다. |
| tRNA의 | 50 ㎎ / ㎖ | 600 μL | 없음 | |
| CoA를 | 65 mM의 | 600 μL | 없음 | |
| NAD | 175 밀리미터, pH가 7.5 ~ | 300 μL | 없음 | pH가 7.5에 도달하려면 2 M.에서 트리스으로 적정 |
| 캠프 | 650 밀리미터, pH가 8 | 200 μL | 없음 | pH가 8에 도달하려면 2 M.에서 트리스으로 적정 |
| 엽산 | 33.9 밀리미터 | 300 μL | 없음 | 만 300 μL이 필요하지만, 보충의 조리법은 1.15 ㎖를위한 것입니다. |
| 스퍼 미딘 | 1 M | 150 μL | 없음 | 4 ° C에서 보관은 열 37 ° C에서 녹는. |
| 3-PGA | 1.4 M, pH를 7.5 | 3.2 ML | 없음 | pH가 7.5에 도달하려면 2 M.에서 트리스으로 적정 |
표 4. 에너지 솔루션 프로토콜을 준비하는 시약.
보충 자료 1. 항목의 조리법.
클로람페니콜, 34 ㎎ / ㎖ : 0.51 g의 클로람페니콜을 준비하고 15 ㎖의 에탄올을 추가합니다. 소독 필터 (0.22 μM), 1 ㎖ 튜브, 나중에 사용하기 위해 -20 ° C에서 저장소로 나누어지는.
2xYT + P + 센티미터 한천 플레이트 : 1.24 g 2xYT, 1 M @ 1.6 ml의 인산 칼륨 용액 40 ㎖에 1 M @ 0.88 ㎖의 칼륨 인산 용액, 0.6 g 한천, 물을 준비합니다. 오토 클레이브. 50 ° C로 냉각시켜 40 μL 센티미터를 추가합니다. 나누어지는 25 100 × 15mm 페트리 접시에 ML, 1 시간 동안 식힌다.
2xYT + P 미디어 : 124g 2xYT, 1 M @ 160 ㎖의 인산 칼륨 용액, 4 L. Aliqu 1 M, 물 @ 88 ㎖를 1 인산 칼륨 용액을 준비2 × 1.88 L 0.24 L. 오토 클레이브 속으로 해주 마.
트리스베이스, 2 개의 M이 : 250 ml로 60.57 g 트리스베이스와 물을 준비합니다. 나중에 사용하기 위해 실온에서 저장을 소독.
DTT, 1 M : 15 ml로 2.31 g의 DTT와 물을 준비합니다. 소독 필터 (0.22 μM), 1 ㎖ 튜브, 나중에 사용하기 위해 -20 ° C에서 저장소로 나누어지는.
S30A 버퍼 : 10.88 g의 Mg-글루타민산과 24.39 g의 K-글루타민산, 2M, (산도 7.7), 아세트산 50 ㎖의 트리스를 준비, 물 2 L. 오토 클레이브에, 4 ° C에서 저장, 4 ML 1 M DTT를 추가 사용하기 전에.
S30B 버퍼 : 10.88 g의 Mg-글루타민산과 24.39 g의 K-글루타민산, 2 M의 트리스 (산도 8.2)를 준비하고, 물 2 L. 오토 클레이브에, 4 ° C에서 보관, 사용하기 전에 2 ㎖ 1 M DTT를 추가합니다.
HEPES : 1.91 g HEPES (MW 238.21), KOH (산도 8)를 준비하고, 물 4 ㎖를합니다.
tRNA의 600 μL에 30의 tRNA의 MG와 물을 준비합니다.
CoA를 600 ㎕의 30 CoA를 (MW 767.53)의 MG와 물을 준비합니다.
NAD : 300 μL에 (산도 7.5에) NAD의 34.83 밀리그램 (MW 663.43), 2 M에서 트리스를 추가, 물. (산도 7.5에 대한 해결책을 가지고 2 M에서 트리스의 27 μl를 추가합니다).
캠프 : 200 μL에 42.80 캠프의 MG (MW 329.22), 2 M (산도 8)에서 트리스, 물을 추가합니다. (산도 8에 대한 해결책을 가지고 2 M에서 트리스의 73 μl를 추가합니다).
엽산 (33.9 mM)을 : 고체 엽산 칼슘 염 (MW 511.5)의 20 밀리그램, 1.15 ㎖의 물을 추가합니다.
스퍼 미딘 : 150 μL에 23.55 스퍼 미딘 ㎕의 (MW 145.25)과 물을 준비합니다. 37 ° C에서 간단히 녹여 상온에서 준비
3-PGA : 3.2 ml로 1.03 3-PGA (MW 230.02)의 G, (산도 7.5) 2 M에서 트리스, 물을 추가합니다. (산도 7.5에 대한 해결책을 가지고 2 M에서 트리스의 1.73 ML을 추가합니다).
NucleotIDE 믹스 : ATP 칼륨 염 수화물의 145 밀리그램 (MW 619.4), GTP의 나트륨 염 133 MG (MW 567.14), CTP 나트륨 염 수화물의 79.4 MG (MW 563.16), UTP의 삼 나트륨 염 수화물의 82.6 MG (MW 586.12)을 추가 1.5 ㎖의 15 % 희석 (산도 7.5), 물에 KOH. (산도 7.5에 대한 해결책을 가지고 15 %의 희석에 KOH의 353 μl를 추가합니다).
보충 자료 2. 브래드 분석.
보충 자료 3. 교정 스프레드 시트를 버퍼.
TXTL_e (템플릿) _calibration_JoVE.xlsx를 참조하십시오 .
보충 자료 4. 세포 표현의 자유는 스프레드 시트를 실행합니다.
여기에 설명 된 내생 대장균 기반 TX-TL 무 세포 발현 시스템은 데이터 수집에 설정에서 여덟 개 미만의 시간이 걸릴 수 있습니다 쉬운 실행 세 튜브 반응이다. 모든 시약을 만드는 과정은 오일의 시간 합계 (하루 만에 상당한 노동 요구 사항)를 필요로하지만, 3000 반응에 조 추출물을 생산하고 버퍼 만들기 만 반응 시약 (그림 1). 또한, 조 추출물 및 버퍼 결정 시약 한 준비의 여러 사용을 허용, -80 ° C에서 1 년 이상 안정적이다. 4를 10 ㎕의 반응 당 $ 0.11 (노동을 포함하여 $ 0.26)에서, 비용은 비교 98 % 감소 상용 시스템 (그림 2).
몇 가지 해결되지 않은 제한 사항이 시스템에, 그러나,이 있습니다. 각 조 세포 추출물 제제의 단부 효율, 사용자 능력에, 환경 조건에 따라 달라질 수 있지만 typical 수율의 변화는 5 ~ 10 % (그림 4B) 사이에있다. 결과적으로, 두 종점 발현 및 발현 역학 뱃치 간 변이가 예상하여야한다. 추출물의 생성이 완전 자동화 될 때까지 추출이 완전히 특징이나 될 때까지 이러한 변화는 가능성이 남아 있습니다. 무 세포 발현 시스템은 민감한 정량 실험을 수행하는 데 사용되는 경우, 조 세포 추출물의 동일한 배치로 모든 실험을 실행하는 것이 바람직하다. 하나의 원유 세포 추출물 배치, 약 3000 반응의 수율은 일반적인 실험 과정에 대한 충분합니다. 우리는 편차가 스케일링 및 절차를 자동화함으로써 제거 될 수있다 의심하지만, 이러한 시도들은 상당한 자원 투자를 수반한다.
종점 발현 수준을 결정하게 합리적 쉽지만 또한, 많은 작업이 무 세포계 본질적인 이해 역학에서 수행 될 필요가있다. 그것은 알려져 그 자원 competitio 모두n 및 자원 제한은 표현의 역학 관계에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 제한된 내인성 시그마 70. 9,27하지만, 역학 시스템을 충분히 활용하는 것으로 이해되지 않아도 증가 DNA 템플릿은 뉴클레오티드 또는 아미노산 고갈 된 것과 유사한 발현 양상을 생산하는 포화 정권 초래할 수있다. 수율의 순수한 증가를 위해, 최적화 기계 학습 방법에 의해 수행 할 수 있습니다. 자원 경쟁과 제한의 28 문제는 실험 데이터를 사용하여 확인 수학적 모델에 의해 해결 될 수있다.
여기에 제시된 프로토콜은 BL21-Rosetta2 변형에 최적화 된, 그러나 다른 E.에 일반화입니다 대장균의 변종. 이러한 유전자 부호화 LON 프로테아제 희귀 된 tRNA를 코딩하는 유전자의 첨가의 제거와 같은 BL21-Rosetta2의 변형은, 최대한의 단백질 생산을 허용한다. 우리는 다른 두 개의 추출 균주 프로토콜을 시도했다 - 만 BL21과 BL21 trxA의 녹아웃을D는 50 % 미만의 단백질 수율을 발견했다. 우리는 다른 균주를 사용하는 경우 수익률이 유사하게 감소한다는 가설을 세웠다. 이러한 LB 및 기타 풍부한 국물에 2xYT 성장 매체를 전환과 같은 매개 변수, 다른 변화는 감소 단백질 수율에 성공.
내인성 및 외인성 전사 - 번역 기계 및 규제 메커니즘을 모두 활용 한 무 세포 발현 시스템은 단백질과 대사 산물의 표현 모두에서 합성 생물학의 다양한 응용 프로그램이 있습니다. 대신 T7 조절 회로에 한정되는 것이, 하나는 복잡한 생체 분자를 생산하는 구상 할 수 3,29 E. 고유의 혼합을 사용하여 사용자 환경에서 제어 가능한 대장균의 발기인 및 외생 적 공급 전사 및 규제 메커니즘. 세포 분열과 신진 대사의 제한없이, 이러한 repressilator 또는 그 생산 아르테 미시 닌으로 대사 공학 경로에서 같은 합성 회로의 변동성이 감소하거나 더 잘 이해 될 수있다. (30, 31) 우리는 근래전자는 유전 적 스위치를 구현하기 위해,뿐만 아니라 시그마 인자 격리을 이해하는 이러한 장점을 이용 9,32 이러한 기술은 또한 "최소한의"또는 "인공"세포의 골격 형성 할 수있다 -. 작은, 잘 특성화와의 자급 자족 내재 단위 추출물. 33, 34
궁극적으로, 우리는 합성 생물학의 프로토 타입 환경 등이 내인성 무 세포 발현 시스템의 즉각적인 사용을 기대하고 있습니다. 기본 플라스미드, 선형, 또는 화학적으로 synthetized DNA에 대한 검사의주기, 다음 - 별명 "TX-TL 생명 브레드,"무 세포 발현 시스템은 프로토 타입의 라운드를받을 수 합성 회로가 궁극적으로 생체 내 발현을 대상으로 제어 환경을 제공합니다 분석과 신속한 수정에 의해. 프로토 타이핑 라운드 현재 개발되고 예측 수학적 모델에 의해 도움을받을 수 있습니다. 복제 비 최종 회로에 대한 생체 조작에서 제거함으로써, 우리는 공학부 예상니어링 사이클 시간 대신 현재 주 '기준 1-3 일로 단축된다.
저자는 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.
우리는 프로젝트의 초기 단계에서 지원을 Jongmin 김, 댄 Siegal-Gaskins, 아누 Thubagere 및 프로토콜을 간소화 도움 에녹 영, 클레어 첸과 바클레이 리 감사합니다. 이 물질은 생활 파운드리 프로그램, 계약 번호 HR0011-12-C-0065 (DARPA / CMO.ZZS 또한 UCLA / Caltech의 의료 과학자 지원하는 방위 고등 연구 계획국 (DARPA / MTO)에 의해 부분적으로 지원 작업을 기반으로합니다 교육 프로그램의 교제에 의해 국방부, 과학 연구, 국방 과학 및 공학 대학원 (NDSEG) 원정대, 32 CFR의 168A의 공군 사무실은.이 문서에 포함 된 전망과 결론은 저자의 사람입니다과은 대표로 해석 할 수 없습니다 공식적으로 정책을 명시 적 또는 묵시적, 방위 고등 연구 프로젝트 기관 또는 미국 정부의.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2xYT | MP 바이오메디컬 | 3012-032 | |
| 3-PGA | 시그마-알드리치 | P8877 | |
| ATP | 시그마-알드리치 | A8937 | |
| Bacto-한천 | BD 진단 | 214010 | |
| 비드 박동 튜브 (폴리프로필렌 마이크로바이알) | BioSpec | 522S | |
| 비드, 직경 0.1mm | BioSpec | 11079101 | |
| BL21 Rosetta 2 E. coli 균주 | Novagen | 71402 | |
| Bradford BSA 단백질 분석 키트 | Bio-rad | 500-0201 | |
| cAMP | 시그마-알드리치 | A9501 | |
| 클로람페니콜 | 시그마-알드리치 | C1919 | |
| CoA | 시그마-알드리치 | C4282 | |
| CTP | USB | 14121 | |
| 큐벳, 1.5ml | 피셔 | 14-955-127 | |
| DTT | 시그마-알드리치 | D0632 | |
| 폴린산 | 시그마-알드리치 | F7878 | |
| GTP | USB | 16800 | |
| HEPES | 시그마-알드리치 | H6147 | |
| K-글루타메이트 | 시그마-알드리치 | G1149 | |
| Mg-글루타메이트 | 시그마-알드리치 | 49605 | |
| 마이크로 바이오-스핀 크로마토그래피 컬럼 | Bio-Rad | 732-6204 | |
| NAD | 시그마-알드리치 | N6522 | |
| Nunc 384웰 광학 바닥 플레이트 | Thermo-Scientific | 142761 | |
| Nunc 밀봉 테이프 | Thermo-Scientific | 232701 | |
| PEG-8000 | 프로메가 | V3011 | |
| 인산칼륨 이염기성 용액 | Sigma-Aldrich | P8584 | |
| 인산칼륨 일염기성 용액 | Sigma-Aldrich | P8709 | |
| RTS 아미노산 샘플러 | 5 프라임 | 2401530 | |
| Slide-A-Lyzer 투석 카세트, 10k MWCO (Kit) | Thermo-Scientific | 66382 | |
| 스페르미딘 | 시그마-알드리치 | 85558 | |
| 트리스 베이스 | Fischer | BP1521 | |
| tRNA (from E. coli) | Roche Applied Science | MRE600 | |
| UTP | USB | 23160 | |
| 1L 원심분리기 병 | Beckman-Coulter | A98813 | 이것은 Avanti J 시리즈에만 해당됩니다. 사용 중인 원심분리기와 동일한 크기를 구하십시오. |
| 4L 에를렌마이어 플라스크 | 킴블 체이스 | 26500-4000 | |
| Avanti J-26XP 원심분리기 | Beckman-Coulter | 393127 | 또는 1L 지원 원심분리기 동급. |
| Forma 480 Orbital Shaker | Thermo Scientific | 480 | 또는 가슴 크기 6x4L 쉐이커에 해당. |
| JLA-8.1000 로터 | Beckman-Coulter | 363688 | 또는 1L 가능, 원심분리기용 5000 x g 로터 등가. |
| Mini-Beadbeater-1 | BioSpec | 3110BX | |
| 보충 자료 1. Items. 레시피 Chloramphenicol, 34 mg/ml: 0.51 g의 클로람페니콜을 준비하고 15 ml에 에탄올을 첨가한다. 필터 살균 (0.22 μ M), 1 ml 튜브에 부분 표본, -20 °°C에서 보관; 나중에 사용할 수 있도록 C. 2xYT+P+Cm 한천 플레이트: 1.24g 2xYT, 1.6ml 인산칼륨 이염기성 용액 @ 1M, 0.88ml 인산칼륨 일염기성 용액 @ 1M, 0.6g 한천 및 물을 40ml에 준비합니다. 오토클레이브. 50도로 식히십시오. C에 40 &mu를 더합니다. l Cm. 100x15mm 페트리 접시에 25ml를 분취하고 한 시간 동안 식히십시오. 2xYT+P media: 124g 2xYT, 160ml 인산칼륨 이염기성 용액 @1M, 88ml 인산칼륨 일염기성 용액 @ 1M, 물을 4L로 준비합니다. 2x1.88L 및 0.24L로 분취합니다. Autoclave. Tris 베이스, 2M: 60.57g의 트리스 베이스와 250ml의 물을 준비합니다. 살균하고 나중에 사용할 수 있도록 RT에 보관하십시오. DTT, 1M: 2.31g의 DTT와 15ml의 물을 준비합니다. 필터 살균 (0.22 μ M), 1 ml 튜브에 부분 표본, -20 °°C에서 보관; 나중에 사용할 수 있도록 C. S30A 완충액 : < / em> 10.88g Mg- 글루타메이트 및 24.39g K- 글루타메이트, 2M에서 50ml Tris, 아세트산 (pH 7.7까지) 및 물을 2L. 오토 클레이브까지 준비하고 4 °C에서 보관하십시오. C, 사용하기 전에 4ml 1M DTT를 추가합니다. S30B 완충액: 10.88g Mg-글루타메이트 및 24.39g K-글루타메이트, Tris를 2M(pH 8.2까지)에서, 물을 2L. 오토클레이브까지 준비하여 4°C에서 보관합니다. C, 사용하기 전에 2ml 1M DTT를 추가합니다. Hepes: 1.91g HEPES(MW 238.21), KOH(pH 8까지) 및 물 4ml를 준비합니다. tRNA: 30mg의 tRNA와 물을 600 μl. 까지 준비합니다. CoA: 30mg의 CoA(MW 767.53)와 물을 600 μl. 까지 준비합니다. NAD: 34.83mg의 NAD(MW 663.43), 2M의 트리스(pH 7.5-8), 300μl에 물을 추가합니다(27 &mu 추가; 용액을 pH 7.5-8). 로 가져오기 위해 2M에서 Tris의 l cAMP: 42.80mg의 cAMP(MW 329.22), Tris를 2m(pH 8까지), 물을 200μl.에 추가합니다(73 &mu를 추가합니다. 용액을 pH 8)로 끌어올리기 위해 2M에서 Tris의 l). 폴린산(33.9mM): 고체 폴린산 칼슘염(MW 511.5) 20mg에 물 1.15ml를 추가합니다. Spermidine: 준비 23.55 μ l의 스페르미딘 (MW 145.25) 및 물 150 &m; l. 37 °C. 에서 잠시 녹인 후 실온에서 준비합니다. 3-PGA: 3-PGA 1.03g(MW 230.02), Tris를 2M(pH 7.5까지), 물을 3.2ml에 추가합니다(용액을 pH 7.5로 가져오기 위해 2M에서 Tris 1.73ml를 추가). 뉴클레오티드 혼합물: ATP 이칼륨 염 이수화물 145mg(MW 619.4), GTP 이나트륨 염(MW 567.14) 133mg, CTP 이나트륨 염 이수화물 79.4mg(MW 563.16), UTP 삼나트륨 염 이수화물 82.6mg(MW 586.12), 15% 희석(pH 7.5까지)의 KOH, 1.5ml에 물을 추가합니다. 용액을 pH 7.5). 로 가져오기 위해 15% 희석에서 KOH의 l 보충 자료 2. Bradford Assay. <올> TXTL_e(template)_calibration_JoVE.xlsx 참조. 보충 물자 4. 셀 없는 표현식 실행 spreadsheet. TXTL _JoVE.xlsx 참조. | |||
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허가 요청A correction to Figure 5's legend has been made for the article Protocols for Implementing an Escherichia coli Based TX-TL Cell-Free Expression System for Synthetic Biology. Method 1 and method 2 have been switched.Z
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Figure 5. Effects of DNA solution on expression efficiency. a) Comparison of two different purification methods for processing plasmids. 1 nM of pBEST-OR2-OR1-Pr-UTR1-deGFP-T500 is prepared using only a QiaPrep Spin Miniprep Kit (Purification method 1) or post-processed with a QiaQuick PCR purification kit (Purification method 2).
to
Figure 5. Effects of DNA solution on expression efficiency. a) Comparison of two different purification methods for processing plasmids. 1 nM of pBEST-OR2-OR1-Pr-UTR1-deGFP-T500 is prepared using only a QiaPrep Spin Miniprep Kit (Purification method 2) or post-processed with a QiaQuick PCR purification kit (Purification method 1).