본 프로토콜은 외막 소포의 생명공학을 생산, 정제, 생체접합 및 특성화를 포함하는 "플러그 앤 디스플레이" 백신 플랫폼으로 설명합니다.
방법 논문
본 프로토콜은 외막 소포의 생명공학을 생산, 정제, 생체접합 및 특성화를 포함하는 "플러그 앤 디스플레이" 백신 플랫폼으로 설명합니다.
박테리아 또는 바이러스로부터 얻은 생체 모방 나노 입자는 백신 연구 및 개발에 상당한 관심을 끌었습니다. 외막 소포(OMV)는 평균 성장 동안 주로 그람 음성 박테리아에 의해 분비되며, 나노 크기의 직경과 자가 보조 활성을 가지고 있어 백신 전달에 이상적일 수 있습니다. OMV는 단백질, 핵산 및 소분자에 대한 다면적 전달 시스템으로 기능했습니다. OMV의 생물학적 특성을 최대한 활용하기 위해 생체 공학 대장균 유래 OMV를 운반체로, SARS-CoV-2 수용체 결합 도메인(RBD)을 항원으로 활용하여 "플러그 앤 디스플레이" 백신 플랫폼을 구축했습니다. 스트렙토코커스 화농성 내의 SpyCatcher (SC) 및 SpyTag (ST) 도메인을 접합체 OMV 및 RBD에 적용하였다. Cytolysin A (ClyA) 유전자는 플라스미드 형질 감염 후 융합 단백질로서 SC 유전자와 함께 번역되어 OMV 표면에 반응 부위를 남겼습니다. 종래의 완충 시스템에서 RBD-ST를 밤새 혼합한 후, OMV와 RBD 사이에 공유 결합이 형성되었다. 따라서, 다가 표시 OMV 백신이 달성되었다. OMV 백신 플랫폼은 다양한 항원으로 대체함으로써 다양한 이종 항원을 효율적으로 표시하여 잠재적으로 전염병 전염병을 신속하게 예방할 수 있습니다. 이 프로토콜은 생산, 정제, 생체 접합 및 특성화를 포함하여 OMV 백신 플랫폼을 구성하는 정확한 방법을 설명합니다.
잠재적인 백신 플랫폼으로서 외막 소포(OMV)는최근 몇 년 동안 점점 더 많은 관심을 끌고 있습니다1,2. 주로 그람 음성 박테리아3에 의해 자연적으로 분비되는 OMV는 일반적으로 20-300 nm4 크기의 지질 이중층으로 구성된 구형 나노 스케일 입자입니다. OMV에는 박테리아 항원 및 병원체 관련 분자 패턴(PAMP)을 포함한 다양한 모 박테리아 구성 요소가 포함되어 있으며, 이는 고체 면역 강화제역할을 합니다5. OMV는 고유한 구성 요소, 천연 소포 구조 및 우수한 유전 공학 변형 부위의 이점을 활용하여 박테리아 백신6, 보조제7, 암 면역 요법 약물8, 약물 전달 벡터9 및 항균 접착제10을 포함한 많은 생물 의학 분야에서 사용하기 위해 개발되었습니다.
2020년부터 전 세계적으로 확산된 SARS-CoV-2 팬데믹은 글로벌 사회에 큰 타격을 입혔습니다. 스파이크 단백질 (S 단백질)의 수용체 결합 도메인 (RBD)은 인간 안지오텐신 전환 효소 2 (ACE2)와 결합 할 수 있으며, 이는 세포11,12,13으로의 바이러스 진입을 매개합니다. 따라서 RBD는 백신 발견14,15,16의 주요 표적인 것으로 보입니다. 그러나, 단량체 RBD는 면역원성이 좋지 않고, 분자량이 작기 때문에 면역계가 인식하기 어렵기 때문에 보조제가 종종 필요하다17.
RBD의 면역원성을 증가시키기 위해, 다가 RBD를 나타내는 OMV가 구축되었다. RBD를 표시하기 위해 OMV를 사용하는 기존 연구는 일반적으로 RBD를 OMV와 융합하여 박테리아18에서 발현됩니다. 그러나 RBD는 바이러스 유래 단백질이며 원핵 생물 발현이 그 활성에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 스트렙토코커스 화농성으로부터 유래된 SpyTag (ST)/SpyCatcher (SC) 시스템을 사용하여 종래의 완충 시스템19에서 OMV 및 RBD와 공유 이소펩타이드를 형성하였다. SC 도메인은 생체 공학 대장균에 의한 융합 단백질로서 Cytolysin A (ClyA)로 발현되었고, ST는 HEK293F 세포 발현 시스템을 통해 RBD로 발현되었다. OMV-SC 및 RBD-ST를 혼합하고 밤새 배양하였다. 초원심분리 또는 크기 배제 크로마토그래피(SEC)에 의한 정제 후, OMV-RBD를 수득하였다.
1. 플라스미드 구성
2. OMV-SC 준비
3. RBD-ST 준비
4. OMV-RBD 생체접합 및 정제
5. 특성화
이 프로토콜의 순서도는 그림 1에 나와 있습니다. 이 프로토콜은 OMV를 백신 플랫폼으로 활용하는 일반적인 접근 방식일 수 있습니다. 항원의 유형에 따라 적절한 발현 시스템을 선택하기 만하면됩니다.
도 2는 실현 가능한 플라스미드 설계 스킴을 제공한다. SC 유전자는 유연한 링커를 통해 ClyA 유전자와 연결되고, ST는 정제 및 검증을 위해 His-tag 유전자로 RBD 유전자의 5' 말단에 연결됩니다. 웨스턴 블롯은 OMV-SC가 증가함에 따라 반응이 점진적으로 완료되는 것을 보여주었다(도 3A). 초원심분리 후, 거의 모든 미반응 RBD-ST가 상청액에 남아있었다. 두 번째 초원심분리는 첫 번째 시간에 비해 더 유의한 이점을 제공하지 않았습니다(그림 3B).
입자 크기의 분포는 DLS에 의해 결정되었습니다(그림 4). OMV-SC의 Z 평균 유체 역학적 직경은 133 nm 인 반면, OMV-RBD의 경우 152.6 nm였습니다 (표 1). 이러한 차이는 RBD가 집중 표시 후 OMV 입자 크기를 증가시키기 때문일 수 있습니다. TEM의 결과(그림 5)는 DLS 결과와 일치합니다. 이미지는 OMV가 RBD에 연결되었는지 여부에 관계없이 항상 표준 구형 구조를 가지고 있음을 보여주었습니다. 이는 추출, 반응 및 정제 조건이 OMV의 생물학적 활성을 유지하는 데 도움이 됨을 나타냅니다.

그림 1: OMV-RBD 준비의 순서도. ClyA-SC 플라스미드는 대장균으로 형질전환되었고, RBD-ST 플라스미드는 HEK293F 세포로 형질감염되었습니다. 배양 기간 후, OMV-SC 및 RBD-ST를 단리하고 정제하였다. 통상적인 완충액에서의 생체접합 및 초원심분리 후, OMV-RBD를 수득하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 이 연구에 사용된 플라스미드 프로파일 . (A) pThioHisA ClyA-SC 플라스미드. (ᄂ) pcDNA RBD-ST 플라스미드. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 웨스턴 블롯에 의한 OMV-RBD 검증. (A) 항 -6x HisTag를 사용한 OMV-SC와 RBD-ST 사이의 반응 비율 탐색. M: 분자량 마커 1: OMV-SC; 2: RBD-ST; 3 : OMV : RBD = 10 : 1 (w / w); 4 : OMV : RBD = 20 : 1; 5: OMV:RBD = 40:1. (B) 항 -6x HisTag를 사용한 초 원심 분리의 효율성 검증. M: 분자량 마커 1: OMV-SC; 2: OMV-RBD 예비초원심분리; 3: RBD-ST; 4: 상청액 1차 초원심분리; 5: 제1초원심분리 후 침전물; 6: 초원심분리 후 상등액; 7: 초원심분리 후 침전물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: DLS로 측정한 입자 크기 분포 . (A) OMV-SC. (B) OMV-RBD. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: TEM에 의한 OMV의 시각화. (A) OMV-SC (200 μg/mL). (B) OMV-RBD (200 μg / mL). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 샘플 이름 | 온도 (°C) | Z-Ave (d.nm) | PdI |
| OMV-SC | 25 | 133 | 0.483 |
| OMV-RBD | 24.9 | 152.6 | 0.569 |
표 1: DLS로 측정한 매개변수.
보충 파일 1: 본 연구에 사용된 플라스미드 서열. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
"플러그 앤 디스플레이" 나노입자 백신 플랫폼을 만들기 위해 SC 융합 ClyA는 단백질 발현24의 장점으로 인해 재조합 단백질 생산에 가장 널리 사용되는 모델 중 하나인 BL21(DE3) 균주에서 발현되어 박테리아 증식 과정에서 OMV 표면에 충분한 SC 단편이 표시됩니다. 동시에, 항원과 OMV 사이의 화학적 결합을 위해 ST-융합 표적 항원을 제조하였다. 이 실험 계획의 장점과 향후 적용 전망은 주로 세 가지 측면에 반영됩니다. 첫째, 서로 다른 항원과 생물학적 나노 입자의 "플러그 앤 디스플레이"시스템이 실현됩니다. 반응 및 정제 과정은 빠르고 간단할 수 있으며, 이는 신흥 전염병 및 기타 시나리오에 대한 백신 개발에 상당한 이점이 있습니다. 둘째, 고밀도 항원 표시의 목표를 달성하고 면역원성이 낮은 일부 항원에 대한 백신 설계 방법을 제공합니다. 셋째, OMV 및 RBD(항원 단백질)의 개별 발현은 기존의 원핵생물 발현 시스템이 특정 보조 인자, 분자 샤페론 및 번역 후 변형과 같은 기능이 부족하여 단백질 손실 및 미스폴딩을 유발할 수 있기 때문에 높은 항원 활성을 보장하는 데 유리합니다.
플라스미드 구성 과정에서 ClyA는 주로 ClyA의 C- 말단의 느슨한 배럴 모양 구조로 인해 SC와 연결하는 대상으로 선택되었습니다. 연구에 따르면 헤모글로빈 프로테아제 (Hbp)자가 수송 체는 폐렴 연쇄상 구균 및 결핵균25,26의 항원을 표시 할 수 있습니다. 그렇지 않으면, 표시되는 항원이 원핵생물에서 나온 것이라면 SC/ST 접합을 사용하지 않고 ClyA의 C-말단에 직접 항원을 구성할 수 있습니다. 이 방법은 더 높은 표시 밀도를 가진 OMV를 초래할 수 있지만 항원 단백질이 올바르게 접히지 않을 위험이 여전히 있습니다. SC/ST가 표적 단편에 삽입될 때 유연한 링커를 설계하고 사용해야 하며, 이는 SC와 ST 간의 반응 효율을 향상시키는 데 도움이 된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 여기에 사용된 링커 서열은 GSGGSGGSGTG였으며, 다른 가요성 링커도 선택할 수 있다.
클릭-화학 접합을 위한 SC/ST 시스템 외에도, 스눕태그/스눕캐처 및 소르타제 A 접합은 단백질27,28 사이의 공유 접합에도 일반적으로 사용된다. 동시에, 동일한 벡터(29) 상에 다수의 상이한 연결 시스템의 도입 또는 다수의 항원(19)에 대한 동일한 연결 시스템의 사용은 동일한 벡터 상에 다수의 이종 항원을 표시하는 목적을 달성할 수 있고, 이어서 다가 또는 다기능 백신이 제조될 수 있다고 보고되었다.
높은 세포 독성과 낮은 수율은 백신 플랫폼으로 OMV의 광범위한 사용을 제한합니다 4,30. 일부 LPS 관련 유전자는 OMV의 세포 독성을 감소시키기 위해 관련 문헌31,32,33에 따르면이 프로토콜에 사용 된 균주에서 녹아웃되었습니다. 이 프로토콜에 도입 된 방법으로 박테리아 용액 1L당 1.18mg의 OMV를 추출 할 수 있습니다. 수율은 일부 유전자 변형된 고소포-생산 균주(34)의 수율보다 여전히 낮다. 필요한 경우 고압 균질화는 박테리아 막의 발아를 촉진하여 더 많은 OMV를 생산할 수 있으며, 이는 향상된 수율을 달성하고 동시에 밀도를 표시할 수 있습니다(35).
유도 조건은 OMV 표면에 표시되는 SC의 밀도에 매우 중요합니다. SDS-PAGE를 통해 표적 단백질의 발현을 모니터링한 후 비교적 온화하고 더 많은 단백질을 발현하는 유도 조건을 선별했습니다. 상이한 단백질은 상이한 유도 조건을 필요로 할 수 있고, 유도 조건의 변화는 OMV의 표면에 표시되는 SC의 밀도의 차이를 초래할 수 있다. 항원과 담체 비율을 조절한 후 실험 조건 변경 후 가장 적절한 반응 비율을 탐색하는 것이 제안된다. 또한, OMV-RBD의 정제는 SEM 또는 초원심분리에 의해 달성될 수 있다. 두 가지 방법 모두 시도되었습니다. 초원심분리가 더 편리하고, 생성된 OMV는 SEM 프로토콜과 유사한 순도를 가졌다.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
이 연구는 충칭 자연 과학 재단의 핵심 프로그램 (No. cstc2020jcyj-zdxmX0027) 및 중국 국립 자연 과학 재단 프로젝트 (No. 31670936, 82041045).
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