$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Biotynylacja białka tworzy potężny znacznik do jego izolacji i wykrywania powinowactwa. Biotynylacja enzymatyczna białek jest wysoce specyficzną modyfikacją potranslacyjną katalizowaną przez ligazy biotynowo-białkowe. Ligaza białka biotyny E. coli BirA jest niezwykle specyficzna i kowalencyjnie biotynyluje tylko ograniczoną liczbę naturalnie występujących białek przy określonych resztach lizyny1. Zalety katalizowanej biotynylacji BirA są obecnie wykorzystywane poprzez fuzję białka docelowego z małym syntetycznym 15-aminokwasowym peptydem akceptorowym biotyny (AP), który jest skutecznie biotynylowany2 i pozwala na wysoce specyficzną i wydajną biotynylację in vivo i in vitro poprzez koekspresję lub dodanie BirA3,4,5. Chociaż katalizowana in vivo i in vitro ligacja białkiem biotyny z BirA jest atrakcyjną strategią znakowania, jej zastosowanie ogranicza się do próbek zawierających białka skondensowane z AP. Celem tej metody jest opracowanie nowych mutantów ligaz biotynowo-białkowych, które selektywnie biotynylują natywne niemodyfikowane białka, a tym samym rozszerzają liczbę zastosowań, w których można zastosować strategię biotynylacji enzymatycznej.
Funkcja białka może być rozwijana poprzez iteracyjne rundy mutacji genu, selekcji i amplifikacji wariantów genów o pożądanej funkcji. Silna i skuteczna strategia selekcji ma kluczowe znaczenie dla ukierunkowanej ewolucji, a aktywność ligazy biotynowo-białkowej jest łatwo selekcjonowana ze względu na silne wiązanie między biotyną a streptawidyną i jej homologami6. Technologie wyświetlania fagów pozwalają na wybór fagów, które wyświetlają biotynylowane peptydy7,8. Ponieważ jednak amplifikacja izolowanych fagów wymaga zakażenia gospodarza bakteryjnego, selekcja fagów za pomocą streptawidyny tworzy wąskie gardło, ponieważ wiązanie biotyny ze streptawidyną o wysokim powinowactwie jest praktycznie nieodwracalne w warunkach niedenaturacyjnych. Aby zapewnić odwracalne wiązanie biotynylowanych fagów, zastosowano monomeryczne awidyny o niższym powinowactwie, co spowodowało skromne ~10-krotne wzbogacenie7. Niedawno opracowaliśmy metodę ekspozycji bakteryjnej do izolacji nowych wariantów BirA, która eliminuje potrzebę elucji z matrycy powinowactwa, a tym samym usuwa wąskie gardło z poprzednich systemów selekcji BirA9. Rzeczywiście, nasz bakteryjny system wyświetlania pozwala na >1 000 000-krotne wzbogacenie aktywnych klonów w jednym kroku selekcji9, zapewniając w ten sposób skuteczny system selekcji dla ukierunkowanej ewolucji nowych wariantów BirA.
Nasz bakteryjny system wyświetlania składa się z dwóch komponentów, BirA z C-końcowym znacznikiem 6xHis oraz białka rusztowania, które pozwala na wyświetlanie na powierzchni docelowego peptydu. Użyliśmy białka X z permutowaną koliście permutowaną błoną zewnętrzną wzmocnionego białkiem rusztowania (eCPX), ponieważ skuteczne wyświetlanie peptydów można zaobserwować zarówno na N, jak i C-końca10,< klasa sup = "xref">11. Fuzja docelowej sekwencji peptydowej z C-końcem eCPX zapewnia biotynylację bakterii wykazujących ekspresję aktywnych wariantów BirA. Bakterie pozwalają na efektywną selekcję streptawidyny, ponieważ biotynylowany peptyd jest teraz wyświetlany na powierzchni (Rysunek 1a).
Celem tej metody jest wybranie nowych wariantów BirA, które biotynylują sekwencje peptydowe obecne w natywnych białkach. System jest kodowany przez geny obecne na plazmidzie pBAD-BirA-eCPX-AP, który zawiera indukowany arabinozą promotor kontrolujący BirA (araBAD) i promotor T7 kontrolujący eCPX9 (Rysunek 1b). Niniejszy protokół opisuje szczegółową procedurę 1) włączenia peptydu pochodzącego z białka docelowego do C-terminala eCPX, 2) stworzenia biblioteki mutacyjnej BirA przez podatny na błędy PCR, 3) selekcji bakterii wiążących streptawidynę przez sortowanie komórek aktywowanych magnetycznie (MACS), 4) kwantyfikacji wzbogacenia bakterii oraz 5) wstępnej charakterystyki izolowanych klonów.