Ekspresja białek rekombinowanych w metylotroficznych drożdżach Pichia pastoris
Przed rozpoczęciem tego protokołu gen zainteresowania powinien zostać sklonowany w odpowiedniej ramce odczytu w wektorze macierzystym P. pastoris, a następnie poddany sekwencjonowaniu w celu potwierdzenia prawidłowej insercji genu w wektorze.
Krok I: Generowanie elektrokompetentnych komórek drożdży, linearyzacja konstruktu i transformacja do P. pastoris
Do tego kroku będą Państwo potrzebować następujących pożywek i płytek:
- płytki YPDS
- 600 mL pożywki YPD
- lodowata sterylna woda
- 1 M sorbitol
- urządzenie do filtrowania odśrodkowego Amicon Ultra-4
- jednostka do filtrowania odśrodkowego Microcon YM-30
- kuweta do elektroporacji 0,2 cm
- sterylna szklana probówka 15 mL
- sterylna szklana pipeta Pasteura
- płytki YPDS zawierające Zeocin
Część 1: Przygotowanie elektrokompetentnych komórek drożdży
- Na cztery dni przed planowaną transformacją wykonaj posiew smugowy komórek P. pastoris na płytkę YPDS bez Zeocyny i inkubuj je w temperaturze 30°C przez 1-2 dni lub do momentu powstania pojedynczych kolonii.
- Na dwa dni przed planowaną transformacją wyhoduj 5 ml szczepu P. pastoris w medium YPD w 50 ml probówce typu Falcon w temperaturze 30°C przez noc. Umieść probówkę Falcon w kolbie, aby unieruchomić ją w inkubatorze z wytrząsaniem.
- Dzień przed transformacją zaszczep 500 mL świeżego medium YPD w kolbie o pojemności 2 litrów za pomocą 0,25 mL kultury nocnej i ponownie inkubuj przez noc w inkubatorze z wytrząsaniem w temperaturze 30°C do osiągnięcia OD600 = 1,3-1,5.
Uwaga: przed pomiarem na spektrofotometrze rozcieńcz próbkę, aby uzyskać dokładny wynik.
- W dniu transformacji przygotuj lodowatą sterylną wodę oraz 1 M sorbitol. Wirowarkuj komórki przy 1500 x g przez 5 minut w temperaturze 4°C. Resuspenduj osad w 500 mL lodowatej, sterylnej wody.
- Ponownie odwirowuj komórki zgodnie z krokiem 4. Resuspenduj osad w 250 mL lodowatej, sterylnej wody.
- Ponownie odwirowuj komórki zgodnie z krokiem 4. Resuspenduj osad w 20 mL lodowatego 1 M sorbitolu.
- Ponownie odwirowuj komórki zgodnie z krokiem 4. Resuspenduj osad w 1 mL lodowatego 1 M sorbitolu do uzyskania objętości końcowej ~ 1,5 mL. Przechowuj komórki na lodzie lub w temperaturze 4°C do czasu dalszego użycia.
Uwaga: przygotowujemy więcej komórek elektrokompetentnych niż jest to wymagane i przechowujemy je w aliquotach po 80 μl w probówkach do mikrocentryfugi w temperaturze -80 °C. Przechowywanych komórek używamy nie dłużej niż przez jeden miesiąc.
Część 2: Linearyzacja i zagęszczanie konstruktu pPICZαA
W celu transformacji należy zlinearyzować wektor zawierający interesujący gen za pomocą trawienia restrykcyjnego. W tej procedurze stosujemy enzym PmeI. Możliwe jest wykorzystanie innych miejsc restrykcyjnych. Należy upewnić się, że insert nie zawiera miejsca restrykcyjnego użytego do linearyzacji wektora. Do transformacji P. pastoris wymagane jest 5-20 μg zlinearyzowanego DNA w 5-10 μl sterylnej wody.
Należy również zlinearyzować, skoncentrować i wprowadzić pusty wektor (bez wstawki) do P. pastoris. Wektor macierzysty bez wstawki służy jako kontrola tła ekspresji wewnątrzkomórkowej i pozwala na interpretację wyników ekspresji.
- Odmrozić wszystkie odczynniki na lodzie, połączyć poniższe składniki i krótko odwirować probówkę, aby zgromadzić cały płyn na dnie, opukać probówkę i ponownie odwirować:
- x μl wody sterylnej
- 5,0 μl 10X NEBuffer 4
- 0,5 μl 100X BSA
- do 2 μg wektora DNA (~ 100 ng/μl)
- 2,0 μl mieszaniny enzymu PmeI
→ całkowita objętość reakcji 50 μl
Uwaga: aby uzyskać wystarczającą ilość zlinearyzowanego DNA wektora, przygotować powyższą mieszaninę 3 lub 4 razy w oddzielnych probówkach i połączyć roztwory podczas zagęszczania trawionego DNA za pomocą urządzenia do wirowania Amicon Ultra.
- Inkubować w temperaturze 37°C przez 3 godziny, a następnie przeprowadzić inaktywację termiczną mieszaniny enzymu w temperaturze 65°C przez 20 minut.
- W międzyczasie wypłukać wstępnie urządzenie do filtrowania odśrodkowego Amicon Ultra-4 przy użyciu 1 mL wody Milli-Q, wirować probówkę przy 4000 x g przez 6–8 minut i odrzucić filtrat.
Uwaga: nie dopuszczać do wyschnięcia membrany po jej zwilżeniu. Jeśli urządzenie nie jest używane bezpośrednio po wstępnym płukaniu, pozostawić wodę na membranie do momentu rozpoczęcia pracy.
- Przenieść inaktywowany termicznie roztwór z etapu 2 do wstępnie wypłukanego urządzenia do filtrowania odśrodkowego Amicon, wirować probówkę przy 4000 x g przez 6–8 minut i odrzucić filtrat.
Uwaga: w przypadku przygotowania więcej niż jednej mieszaniny do linearyzacji, połączyć wszystkie roztwory w jednym urządzeniu do filtrowania odśrodkowego Amicon.
- Wirować do momentu, aż objętość roztworu na filtrze Amicon zostanie zredukowana do około 100–150 μl. Dodać kolejne 1,5 mL wody sterylnej do pustej probówki zbiorczej, przenieść roztwór do probówki Amicon i powtórzyć etap wirowania. Przepłukać drugi raz 1,5 mL wody sterylnej i ponownie odrzucić filtrat. Zredukować objętość końcową do ~ 150 μl. Etapy płukania usuwają pozostałą sól z buforu, aby zapobiec przeskakiwaniu łuku elektrycznego podczas elektroporacji komórek.
Uwaga: do etapu wirowania stosujemy wirnik z koszyczkami wahadłowymi; wystarczy umieścić zamknięte urządzenie do filtrowania odśrodkowego Amicon w probówce Falcon 50 mL, aby utrzymać je w stabilnej pozycji podczas wirowania. Urządzenia filtrujące Amicon zatrzymują 50 μl roztworu na filtrze nawet po przedłużonym wirowaniu.
- W celu dalszego zagęszczenia preparatu DNA przenieść pozostały roztwór DNA z urządzenia filtrującego Amicon do wstępnie wypłukanego urządzenia do filtrowania odśrodkowego Microcon YM-30 i wypłukać probówkę Amicon dodatkowymi 50 μl wody sterylnej, aby odzyskać całe DNA. Wirować urządzenie do filtrowania odśrodkowego Microcon w mikrowirówce przy 10 000 x g, aż filtr będzie wciąż lekko pokryty cieczą. Wirować tylko przez krótki czas i sprawdzać co minutę, czy na filtrze pozostała jedynie niewielka ilość płynu. Aby odzyskać roztwór DNA, umieścić filtr dnem do góry w nowej probówce do mikrowirówki i wirować w drugim etapie przy 1000 x g przez 3 minuty. Całkowita objętość końcowa nie powinna przekraczać 10–15 μl, w przeciwnym razie DNA może być zbyt rozcieńczone do etapu transformacji.
Uwaga: nie wirować urządzenia filtrującego zbyt długo i nie dopuścić do jego całkowitego wyschnięcia, aby zapobiec potencjalnej utracie próbki. Jeśli membrana wyschnie, dodać na nią 10–15 μl wody sterylnej, delikatnie mieszać przez 30 sekund i odzyskać DNA zgodnie z powyższym opisem.
Część 3: Transformacja P. pastoris metodą elektroporacji
- Zlinearyzowane i zagęszczone DNA pPICZαA zawierające insert jest teraz gotowe do transformacji do elektrokompetentnych komórek P. pastoris (patrz krok I, część 2). Około 15 minut przed transformacją należy przygotować następujące odczynniki i urządzenia: napełnić probówkę do mikrocentryfugi 1 mL 1 M sorbitolu i umieścić ją w lodzie; umieścić kuwetę do elektroporacji 0,2 cm w lodzie; oznakować sterylną szklaną probówkę 15 mL i przygotować sterylną szklaną pipetę Pasteura.
- Przenieść 80 μl komórek z kroku I, części 2.7 do schłodzonej do temperatury lodu kuwety do elektroporacji 0,2 cm. Dodać zagęszczony roztwór zlinearyzowanego DNA pPICZαA z kroku I, części 3.6 i wymieszać, przesuwając końcówkę pipety z boku na bok w kuwecie do elektroporacji.
Uwaga: podczas dodawania DNA docisnąć tłok pipety tylko do pierwszego stopnia. Po wymieszaniu DNA z komórkami docisnąć tłok pipety do drugiego stopnia i powoli wyciągnąć ją z kuwety.
- Inkubować kuwetę z komórkami w lodzie przez 5 minut.
- Wytrzeć zewnętrzną stronę kuwety chusteczką i poddać komórki impulsowi zgodnie z parametrami dla drożdży (Saccharomyces cerevisiae) zasugerowanymi przez producenta konkretnego urządzenia do elektroporacji.
Uwaga: używamy urządzenia Bio-Rad GenePulser z następującymi warunkami:
- Napięcie ładowania (V): 1500;
- Pojemność (μF): 25;
- Opór (Ω): 200.
Przy użyciu kuwety do elektroporacji 0,2 cm protokół generuje długość impulsu ~10 ms przy natężeniu pola ~7500 V/cm.
- Natychmiast dodać do kuwety 1 mL schłodzonego do temperatury lodu 1 M sorbitolu. Przenieść zawartość kuwety do sterylnej probówki 15 mL za pomocą sterylnej szklanej pipety Pasteura.
- Inkubować probówkę w temperaturze 30°C bez wytrząsania przez 1,5 godziny.
- Dodać 5-7 wysterylizowanych szklanych kulek na cztery oznakowane płytki YPDS zawierające 100 μg/mL Zeociny. Wysiać 250 μl mieszaniny po elektroporacji z szklanej probówki 15 mL na każdą płytkę. Potrząsać płytką w poziomie, aby równomiernie rozprzestrzenić komórki. Pozostawić płytkę do wyschnięcia na 15 minut, a następnie usunąć kuleczki z agaru, odwracając płytkę.
Uwaga: używamy 100 μg/mL Zeociny do selekcji transformantów przy użyciu szczepu Pichia GS115. Warunki selekcji mogą się różnić w przypadku użycia innego szczepu Pichia.
- Inkubować płytki odwrócone do góry dnem przez 2 do 3 dni w temperaturze 30°C aż do pojawienia się kolonii. Owinąć płytki czarną folią, aby zapobiec degradacji światłoczułej Zeociny. Zbyt mała ilość antybiotyku na płytkach może prowadzić do powstania fałszywie dodatnich klonów.
- Po pojawieniu się kolonii wybrać 12 kolonii i oczyścić je poprzez posiew klonów na świeże płytki YPDS zawierające 100 μg/mL Zeociny.
Krok II: Ekspresja białka w Pichia pastoris
Do tego etapu będą Państwo potrzebować następujących pożywek, płytek i odczynników:
- podłoże BMGY
- glicerol, wysterylizowany
- podłoże BMMY
- metanol, wysterylizowany
- zestaw do oczyszczania DNA drożdży EPICENTRE Yeast DNA purification kit
Potrzebne będą również następujące kolby:
- kolba 250 mL, autoklawowana
- kolba z przegrodami 1 L, autoklawowana
- zlewka 200 mL, autoklawowana
Część 1: Ekspresja białka w Pichia pastoris
Wszystkie poniższe kroki są wykonywane również w przypadku przetransformowanego wektora kontrolnego (bez wstawki).
- Wybrać pojedynczą kolonię z oczyszczonej Pichia kolonie z kroku I, część 3.9 i zaszczepić w 25 ml pożywki BMGY w sterylnej kolbie o pojemności 250 ml. Hodować w 30°C w inkubatorze z wytrząsaniem (250-300 obr./min), aż kultura osiągnie gęstość optyczną (OD)600 = 2-6 (około 16-18 godzin).
Uwaga: przed pomiarem na spektrofotometrze należy rozcieńczyć próbkę, aby uzyskać dokładny wynik. Komórki będą znajdować się w fazie wzrostu logarytmicznego.
- Gdy komórki osiągną odpowiednią wartość OD600 przygotować zamrożony stok w glicerolu. Przenieść 800 μl 25 ml hodowli komórkowej do 2 ml krioprobówki Corning i dodać 200 μl sterylizowanego glicerolu. Zamrozić zapas glicerolu i przechowywać w temperaturze -80°C.
- W celu puryfikacji DNA drożdży przenieś 1,5 ml z 25 ml hodowli komórkowej do probówki do mikrocentryfugi. Zbierz komórki, wirując je przy 1300 x g przez 1 minutę w temperaturze pokojowej. Komórki te są wykorzystywane do analizy Pichia integranty w celu potwierdzenia, czy gen docelowy został zintegrowany z Pichia genom (patrz krok II, część 2). Osad komórkowy należy przechowywać w 4°C do czasu dalszej analizy.
- Przenieś pozostałą część 25 ml kultury do probówki Falcon o pojemności 50 ml i zbierz komórki, wirując je z prędkością 3000 x g przez 5 minut w temperaturze pokojowej. Odlej nadsącz i umieść probówki dnem do góry na chusteczce, aby usunąć pozostałości medium. Aby wyprać osad komórkowy, resuspenduj go w 20 ml BMMY w celu usunięcia resztek medium BMGY, ponieważ zawarty w nim glicerol może hamować późniejszą ekspresję. Ponownie wiruj z prędkością 3000 x g przez 5 minut w temperaturze pokojowej i odlej nadsącz.
- Resuspender osad komórkowy do określonej gęstości optycznej (OD)600 do 1,0 w medium BMMY w celu indukcji ekspresji (około 100–200 ml) i przenieść hodowlę do 1-litrowej kolby z przegrodami. Przykryć kolbę zlewką o pojemności 200 ml i ponownie umieścić w inkubatorze, aby kontynuować wzrost w 30°C.
Uwaga: ważne jest, aby temperatura nie przekroczyła 30°CJeśli temperatura w inkubatorze ulega wahaniom, ustaw temperaturę na 28°COdpowiednie napowietrzanie jest również istotnym parametrem dla wydajnej ekspresji podczas indukcji metanolem (podczas indukowania ekspresji nigdy nie należy przekraczać objętości hodowli > (10-30% całkowitej objętości kolby). Zdecydowanie zalecamy stosowanie kolb z przegrodami (baffled flasks), ponieważ zapewniają one lepsze napowietrzenie pożywki hodowlanej.
- Co 24 godziny dodawać wysterylizowany czysty metanol do końcowego stężenia 0,5%, aby utrzymać indukcję.
- W określonych punktach czasowych po rozpoczęciu transferu ekspresji przenieś 1 ml hodowli do probówki do mikrocentryfugi o pojemności 1,5 ml. Wiruj przy 1300 x g przez 2,5 minuty w temperaturze pokojowej. Przenieś nadsącz do osobnej probówki do mikrocentryfugi o pojemności 1,5 ml. Przechowuj nadsącz oraz osad komórkowy w temperaturze -80°C do czasu dalszej analizy. Próbki pobrane w różnych punktach czasowych zostaną poddane analizie w celu ustalenia optymalnego czasu ekspresji białka po indukcji.
Uwaga: jako punkty czasowe dla pobierania próbek wybrano 6 h, 12 h, 24 h, 36 h oraz 48 h. Możliwa jest dalsza inkubacja do 4 dni. Optymalne punkty czasowe różnią się w zależności od ekspresjonowanych białek.
- Przeanalizowano nadsącz oraz osady komórkowe pod kątem ekspresji białek za pomocą elektroforezy SDS-PAGE z barwieniem Coomassie oraz analizy western blot (nieopisanych w niniejszym protokole).
Część 2: Oczyszczanie DNA drożdży i analiza PCR integranta Pichia
Wszystkie odczynniki niezbędne do etapu oczyszczania DNA drożdży z hodowli Pichia w pożywce BMGY są zawarte w zestawie MasterPure Yeast DNA Purification Kit firmy EPICENTRE.
Uwaga: analiza ta jest dodatkowa i jest przeprowadzana w celu ustalenia, czy gen docelowy został wbudowany w genom Pichia. Wykorzystuje się do niej osad komórkowy z próbki o objętości 1,5 mL pobranej z hodowli w BMGY (patrz krok II, część 1.3).
Postępuj zgodnie z instrukcjami zawartymi w instrukcji MasterPure Yeast DNA Purification firmy Epicentre i przeprowadź reakcję PCR z wykorzystaniem DNA drożdży oraz specyficznych starterów dla wstawki. Przeanalizuj 3 μl produktu PCR na żelu agarozowym zawierającym 1 μl bromku etydyny. W jednej z dołków umieść marker wielkości 1 Kb+, aby zinterpretować rozmiar wstawki, a następnie zwizualizuj DNA za pomocą systemu dokumentacji żeli.
Białko rekombinowane można analizować za pomocą analizy western blot. Oczyszczanie białka można przeprowadzić metodą oczyszczania z użyciem znacznika His na żywicy obciążonej metalami (nieopisanej w niniejszym protokole).
Dodatek, lista przepisów
Krok I:
- Pożywka YPD:
Aby przygotować 600 mL pożywki YPD (pożywka z ekstraktem drożdżowym, peptonem i dekstrozą), rozpuścić 5 g ekstraktu drożdżowego i 12 g peptonu w 540 mL wody. Autoklawować przez 20 minut w cyklu dla cieczy.
W międzyczasie przygotować 70 mL 20% dekstrozy i wysterylizować ją przez filtrację przed użyciem.
Pozostawić autoklawowany roztwór do schłodzenia do ~60°C i dodać 60 mL wysterylizowanej przez filtrację 20% dekstrozy.
- Szalki YPDS (+ Zeocin):
Aby przygotować 500 mL agaru YPDS + Zeocin (pożywka z ekstraktem drożdżowym, peptonem, dekstrozą i sorbitolem), rozpuścić 5 g ekstraktu drożdżowego, 91,1 g sorbitolu i 10 g peptonu w 450 mL wody. Dodać 10 g agaru oraz magnes do mieszania i autoklawować przez 20 minut w cyklu dla cieczy.
W międzyczasie przygotować 60 mL 20% dekstrozy i wysterylizować ją przez filtrację przed użyciem.
Pozostawić autoklawowany roztwór do schłodzenia do ~60°C, a następnie dodać 50 mL wysterylizowanej przez filtrację 20% dekstrozy.
Przed dodaniem antybiotyku przygotować kilka szalek z samą pożywką YPDS (bez Zeocinu). Następnie dodać 500 μl Zeocinu z roztworu stokowego o stężeniu 100 mg/ml, aby uzyskać stężenie końcowe 100 μg/ml Zeocinu w agarze. Podczas dodawania antybiotyku mieszać na mieszadle magnetycznym i kontynuować mieszanie przez około 2 minuty w celu równomiernego rozprowadzenia.
Wylać pożywkę do szalek Petriego i przykryć czarną folią. Pozostawić szalki do wyschnięcia na blacie przez noc. Przechowywać szalki YPD zawierające Zeocin w temperaturze 4°C. Okres przydatności wynosi od jednego do dwóch tygodni.
Uwaga: przykrycie folią jest konieczne, ponieważ Zeocin jest światłoczuły.
Krok II:
- BMGY (buforowanej pożywki z kompleksem glicerolu) i BMMY (buforowanej pożywki z kompleksem metanolu):
Do każdej z pożywek rozpuścić 8 g ekstraktu drożdżowego i 16 g peptonu w 560 mL wody. Autoklawować przez 20 minut w cyklu dla cieczy.
W międzyczasie przygotować następujące roztwory:
- 1 M bufor fosforanowy potasu, pH 6.0:
Połączyć 24 mL 1M K2HPO4 i 156 mL 1M K2HPO4 i potwierdzić, że pH = 6.0 (w przypadku konieczności korekty pH należy użyć kwasu fosforowego lub KOH). Sterylizować przez filtrację i przechowywać w temperaturze pokojowej. Okres przydatności tego roztworu przekracza jeden rok.
- 10X YNB (13,4% Yeast Nitrogen Base z siarczanem amonu, bez aminokwasów):
Rozpuścić 26,8 g bazy azotowej dla drożdży (YNB) z siarczanem amonu i bez aminokwasów w 200 mL wody, a następnie sterylizować przez filtrację. Podgrzać roztwór, aby całkowicie rozpuścić YNB w wodzie. Przechowywać w 4°C. Okres przydatności tego roztworu wynosi około jednego roku. Uwaga: alternatywnie można użyć 3,4 g YNB bez siarczanu amonu i bez aminokwasów i dodać 10 g siarczanu amonu.
Rozpuścić 10 mg biotyny w 50 mL wody i sterylizować przez filtrację. Przechowywać w 4°C. Okres przydatności tego roztworu wynosi około jednego roku.
Wymieszać 5 mL metanolu z 95 mL wody. Sterylizować przez filtrację i przechowywać w 4°C. Okres przydatności tego roztworu wynosi około dwóch miesięcy.
Wymieszać 10 mL glicerolu z 90 mL wody. Sterylizować przez filtrację. Przechowywać w temperaturze pokojowej. Okres przydatności tego roztworu przekracza jeden rok.
Pozostawić autoklawowany roztwór do ochłodzenia do temperatury pokojowej, następnie dodać następujące składniki i dokładnie wymieszać:
- 80 mL 1 M buforu fosforanowego potasu, pH 6.0;
- 80 mL 10X YNB
- 0,16 mL 500X B
- 80 mL 10X GY
W celu przygotowania BMMY należy dodać 80 mL 10X M zamiast glicerolu.
Pożywki przechowywać w 4°C. Okres przydatności tego roztworu wynosi około dwóch miesięcy.
Reprezentatywne wyniki

Rycina 1. Ten obraz western blot przedstawia cztery wyrażone białka (oznaczone jako 1605, 0537, 1228 i 1682) po 24 godzinach ekspresji. Przeciwciałem zastosowanym do immunoblotingu było przeciwciało c-myc-HRP. Druga ścieżka (oznaczona jako N) stanowi kontrolę negatywną i została załadowana nadanem z komórek, które nie wykazują ekspresji białka rekombinowanego, ponieważ zostały one przekształcone za pomocą wektora rodzicielskiego (pustego).