Cysteinproteasen van de familie Potyviridae, specifiek de nucleaire inclusie A (NIa) proteasen, vormen een grotendeels onbenutte bron van sequentiespecifieke endopeptidasen. Met meer dan 3.800 gekarakteriseerde familieleden kloven NIa-proteasen een onderscheidende substraatsequentie van zeven aminozuren. De potoveralfamilie biedt een diverse set proteasen voor het ontwerpen van programmeerbare eiwitcontrolesystemen, het construeren van orthogonale protease-gebaseerde genetische circuits en het ontwikkelen van sequentie-specifieke biotechnologische tools 1,2. Ondanks deze natuurlijke diversiteit zijn slechts twee NIa-proteasen, TEVp en tabaksvenenmottling virusprotease (TVMVp), grondig gekarakteriseerd en ontwikkeld voor breed laboratorium- en biotechnologisch gebruik 3,4. Deze beperkte proteasetoolkit beperkt de ontwerpruimte voor multicomponent-schakelingen die orthogonale protease-activiteitenvereisen 5, en motiveert zo inspanningen om Nia-proteasen verder uit te breiden en te karakteriseren via gerichte evolutie 6,7.
Gistoppervlakteweergave is uitgegroeid tot een van de krachtigste platforms voor gerichte evolutie, waardoor high-throughput eiwitbibliotheekscreening mogelijk is via fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS)6,7. Zo koppelt het gistendoplasmatisch reticulum sequestratiescreeningssysteem (YESS) proteaseactiviteit aan oppervlaktepresentatie via de secretorische route van S. cerevisiae 6,7. Het YESS-systeem is toegepast om nieuwe protease-substraatspecificiteiten te ontwikkelen en heeft bruikbaarheid aangetoond voor meerronde gerichte evolutiecampagnes. In dit systeem worden proteasevarianten geco-expresseerd met een fusie-eiwit dat een splijtingssubstraatcassette met epitoopmarkers bevat, en het Aga1p-oppervlakteanker wordt tot expressie gebracht in de EBY100-giststam. Differentiële labeling met fluorescerende antilichamen onderscheidt gespleten van niet-gespleten substraatcassettes die op het celoppervlak worden weergegeven. Dit activiteitsafhankelijke weergavemechanisme is direct compatibel met iteratieve, FACS-gebaseerde selectie voor bibliotheken van 10,7 of meer varianten 6,7.
Een fundamentele voorwaarde voor gerichte evolutie is het vermogen om variantbibliotheken op voldoende schaal te introduceren om voldoende dekking van de beoogde sequentieruimte te bereiken. Voor site-saturation mutagenesebibliotheken die meerdere aminozuurposities beslaan, zijn transformatie-opbrengsten van 108 tot 109 unieke transformanten nodig om ervoor te zorgen dat de diversiteit die in de bibliotheek wordt geïntroduceerd goed vertegenwoordigd is in de gesorteerde populatie. Er bestaan verschillende methoden om exogeen DNA in S. cerevisiae te introduceren, elk met een eigen doorvoerplafond. De conventionele chemische transformatiemethode gebruikt lithiumacetaat/enkelstrengs drager-DNA/polyethyleenglycol (LiAc/ssDNA/PEG) vanwege de eenvoud en toegankelijkheid. Het bereikt echter doorgaans transformatie-efficiëntie van slechts 104–106 kolonievormende eenheden (CFU) per microgram DNA, wat tekortschiet aan de sequentievariatie die nodig is voor grote bibliotheekcampagnes8. Daarentegen past de elektroporatiemethode een hoogspanningsveld toe om het celmembraan tijdelijk te permeabiliseren en de opname van DNA te vergemakkelijken. Elektroporatie behaalt consequent de hoogste transformatie-efficiënties onder de beschikbare transformatiemethoden, met geoptimaliseerde protocollen die opbrengsten van 108–109 CFU9 rapporteren. Er is waargenomen dat de elektroporatie-efficiëntie in S. cerevisiae kritisch gevoelig is voor celgroeifase, DNA-massa en buffersamenstelling, wat een kader biedt dat sindsdien breed is aangepast voor bibliotheekschaal gerichte evolutie9.
Het hier beschreven protocol gebruikt S. cerevisiae-stam EBY100, een veelgebruikte gastheerstam voor het vertoon van gistoppervlakken. EBY100 werd ontwikkeld door Boder en Wittrup door een AGA1-expressiecassette te integreren onder controle van de galactose-induceerbare GAL1-promotor in het chromosomale AGA1-locus van de protease-deficiënte moederstam BJ546510. De stam is commercieel verkrijgbaar bij de ATCC (catalogusnummer MYA-4941; deponeerder K.D. Wittrup), met het genotype MATa AGA1::GAL1-AGA1::URA3 ura3-52 trp1 leu2-Δ1 his3-Δ200 pep4::HIS3 prb1Δ1.6R can1 GAL (URA+, leu−, trp−). Als gevolg hiervan worden zowel Aga1p als de Aga2p-substraat cassettefusie tot expressie gebracht vanuit dezelfde galactose-induceerbare promotor, waardoor ervoor wordt gezorgd dat de twee subunits gecoïnduceerd worden en samenkomen tot het disulfide-gekoppelde Aga1p–Aga2p-complex dat de getoonde fusie aan de celwand verankert.
Ondanks het wijdverbreide gebruik van EBY100 in gistdisplaytoepassingen, is er geen enkel gepubliceerd protocol systematisch geoptimaliseerd voor het elektroporeren van deze stam op bibliotheekschaal-opbrengsten. EBY100-specifieke parameters, zoals de optimale groeifase bij oogst, de media-samenstelling tijdens subcultuur, en de kwantitatieve relatie tussen initiële optische dichtheid bij 600 nm (OD600) en transformatie-efficiëntie, moeten nog rigoureus worden gekarakteriseerd en geoptimaliseerd. Hier rapporteren we dat de transformatie-efficiëntie in EBY100 monotoon toeneemt met de OD600 van de kweek bij oogst, waarbij cellen in de late logaritmische fase aanzienlijk hogere transformatiesnelheden opleveren dan die in de vroege logaritmische fase. We evalueerden kritieke protocolparameters, waaronder initiële OD600-waarden bij inoculatie, het gebruik van 2 × Yeast Extract Peptone Dextrose (YPD) medium voor subculturen, elektroporatiebufferformuleringen en post-elektroporatie uitgroeicondities. Het hier gepresenteerde protocol biedt een geoptimaliseerde, stapsgewijze workflow (Figuur 1A–C, Figuur 2, Figuur 3A–D, Figuur 4A–E) voor het voorbereiden van elektrocompetente EBY100-cellen en het uitvoeren van hoogefficiënte DNA-bibliotheekelektroporatie, wat transformatiesnelheden consequent boven 109 oplevert CFU. Om dit protocol te valideren, voerden we een uitgebreide gerichte evolutiecampagne uit om TEVp te ontwikkelen met gewijzigde cleavagespecificiteit gedurende vier rondes van FACS-gebaseerde selectie en verrijking. Sequencing van verrijkte proteasevarianten bevestigde aanzienlijke diversificatie bij gerichte residuen binnen de substraatbindingspocket van de protease, wat aantoont dat het protocol voldoende bibliotheekdekking van sequentieruimte biedt om productieve evolutiecampagnes te ondersteunen. Dit protocol zal van brede waarde zijn voor onderzoekers die EBY100 gebruiken voor gistoppervlaktedisplay-gebaseerde gerichte evolutie en FACS-compatibele, high-throughput screening van proteasen, antilichamen9, kinasen11 en receptoren12, naast andere eiwitten.