Bottom-up synthetische biologie heeft de afgelopen tien jaar steeds meer belangstelling gekregen als een opkomend veld met tal van potentiële toepassingen in bio-engineering, medicijnafgifte en regeneratieve geneeskunde 1,2. Met name de ontwikkeling van synthetische cellen als hoeksteen van bottom-up synthetische biologie heeft een breed scala aan wetenschappelijke gemeenschappen aangetrokken vanwege de veelbelovende toepassingen van synthetische cellen en hun celachtige fysische en biochemische eigenschappen die in vitro biofysische studies vergemakkelijken 3,4,5,6 . Synthetische cellen worden vaak gemanipuleerd in gigantische unilamellaire blaasjes (GUV's) ter grootte van een cel waarin verschillende biologische processen worden nagebootst. Reconstitutie van celcytoskelet 7,8, lichtafhankelijke energieregeneratie9, cellulaire communicatie10,11 en biosensing12 zijn voorbeelden van inspanningen die zijn geleverd om celachtig gedrag in synthetische cellen te reconstrueren.
Hoewel sommige cellulaire processen afhankelijk zijn van oplosbare eiwitten, maken veel kenmerken van natuurlijke cellen, zoals detectie en communicatie, vaak gebruik van membraaneiwitten, waaronder ionkanalen, receptoren en transporters. Een grote uitdaging bij de ontwikkeling van synthetische cellen is de reconstitutie van membraaneiwitten. Hoewel traditionele methoden voor membraaneiwitreconstitutie in lipidedubbellagen afhankelijk zijn van detergent-gemedieerde zuivering, zijn dergelijke methoden arbeidsintensief, ineffectief voor eiwitten die giftig zijn voor de expressiegastheer, of zijn ze vaak niet geschikt voor membraaneiwitreconstitutie in GUV's13.
Een alternatieve methode voor eiwitexpressie zijn celvrije expressie (CFE) systemen. CFE-systemen zijn een krachtig hulpmiddel geweest in de synthetische biologie dat in vitro expressie van verschillende eiwitten mogelijk maakt met behulp van cellysaat of gezuiverde transcriptie-translatiemachines14. CFE-systemen kunnen ook worden ingekapseld in GUV's, waardoor gecompartimenteerde eiwitsynthesereacties mogelijk zijn die kunnen worden geprogrammeerd voor verschillende toepassingen, zoals de creatie van lichtoogstende synthetische cellen9 of mechanosensitieve biosensoren15,16. Analoog aan recombinante eiwitexpressiemethoden is de expressie van membraaneiwitten een uitdaging in CFE-systemen17. Aggregatie, misvouwing en gebrek aan posttranslationele modificatie in CFE-systemen zijn belangrijke knelpunten die een succesvolle membraaneiwitsynthese met behulp van CFE-systemen in de weg staan. De moeilijkheid van bottom-up membraaneiwitreconstitutie met behulp van CFE-systemen is deels te wijten aan de afwezigheid van een complexe membraaneiwitbiogeneseroute die berust op signaalpeptiden, signaalherkenningsdeeltjes, translocons en chaperonneringsmoleculen. Onlangs hebben meerdere onderzoeken echter gesuggereerd dat de aanwezigheid van vliezige structuren zoals microsomen of liposomen tijdens de translatie een succesvolle membraaneiwitexpressie bevordert 18,19,20,21. Bovendien hebben Eaglesfield et al. en Steinküher et al. ontdekt dat de opname van specifieke hydrofobe domeinen, bekend als signaalpeptiden, in de N-terminus van het membraaneiwit de expressie ervan aanzienlijk kan verbeteren22,23. Al met al suggereren deze studies dat de uitdaging van membraaneiwitreconstitutie in synthetische cellen kan worden overwonnen als de eiwittranslatie plaatsvindt in aanwezigheid van het GUV-membraan en als het juiste N-terminale signaalpeptide wordt gebruikt.
Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het inkapselen van de eiwitsynthese met behulp van recombinante elementen (PURE) CFE-reacties voor membraaneiwitreconstitutie in GUV's. Bacteriële glutamaatreceptor24 (GluR0) wordt geselecteerd als het modelmembraaneiwit en het effect van zijn N-terminale signaalpeptide op zijn membraanreconstitutie wordt bestudeerd. Het effect van proteorhodopsine-signaalpeptide, waarvan door Eaglesfield et al.22 werd aangetoond dat het de efficiëntie van de reconstitutie van membraaneiwitten verbetert, wordt onderzocht door een gemuteerde variant van GluR0 te construeren die wordt aangeduid als PRSP-GluR0 en de expressie en membraanlokalisatie ervan met wildtype GluR0 (hierna WT-GluR0 genoemd) dat zijn oorspronkelijke signaalpeptide herbergt, wordt vergeleken. Dit protocol is gebaseerd op de omgekeerde emulsiemethode25 met aanpassingen die het robuust maken voor CFE-inkapseling. In de gepresenteerde methode worden de CFE-reacties eerst geëmulgeerd met behulp van een lipide-in-olie-oplossing die druppeltjes ter grootte van een micron genereert die het CFE-systeem bevatten en worden gestabiliseerd door de lipidemonolaag. De emulsiedruppels worden vervolgens gelaagd op een olie-waterinterface die verzadigd is met een andere lipide-monolaag. De emulsiedruppels worden vervolgens via middelpuntvliedende kracht over het olie-watergrensvlak gedreven. Door dit proces krijgen de druppels een andere monolaag, waardoor een dubbellaags lipideblaasje ontstaat. De GUV's die de CFE-reactie bevatten, worden vervolgens geïncubeerd, waarbij het membraaneiwit tot expressie wordt gebracht en in het GUV-membraan wordt opgenomen. Hoewel dit protocol is gespecificeerd voor celvrije expressie van GluR0, kan het worden gebruikt voor celvrije synthese van andere membraaneiwitten of verschillende synthetische celtoepassingen zoals cytoskeletreconstitutie of membraanfusiestudies26.