Ten protokół opisuje szybką i prostą metodę produkcji lizatu bakteryjnego do ekspresji genów bez komórek, przy użyciu zmodyfikowanego szczepu Escherichia coli i wymagającego jedynie standardowego sprzętu laboratoryjnego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten protokół opisuje szybką i prostą metodę produkcji lizatu bakteryjnego do ekspresji genów bez komórek, przy użyciu zmodyfikowanego szczepu Escherichia coli i wymagającego jedynie standardowego sprzętu laboratoryjnego.
Ekspresja genów bez komórek oferuje moc biologii bez komplikacji żywego organizmu. Chociaż istnieje wiele takich systemów ekspresji genów, większość z nich jest dość droga w zakupie i/lub wymaga specjalnego sprzętu i precyzyjnie dopracowanej wiedzy, aby skutecznie produkować. Protokół ten opisuje metodę wytwarzania lizatu bezkomórkowego bakterii, który obsługuje wysoki poziom ekspresji genów, przy użyciu wyłącznie standardowego sprzętu laboratoryjnego i wymaga minimalnego przetwarzania. W metodzie wykorzystuje się szczep Escherichia coli wytwarzający endolizynę, która nie wpływa na wzrost, ale która skutecznie lizuje zebrane osady komórkowe po prostym cyklu zamrażania i rozmrażania. Jedynym wymaganym dalszym przetwarzaniem jest krótka inkubacja, po której następuje wirowanie w celu oczyszczenia autolizatu z resztek komórkowych. Dynamiczne obwody genowe można osiągnąć poprzez heterologiczną ekspresję proteazy ClpX w komórkach przed pobraniem. Szczep E. coli pozbawiony genu lacZ może być wykorzystany do zastosowań biosensorycznych o wysokiej czułości, bez komórek przy użyciu odczytu kolorymetrycznego lub fluorescencyjnego. Cały protokół wymaga zaledwie 8-9 godzin, przy zaledwie 1-2 godzinach pracy praktycznej od zaszczepienia do zakończenia. Zmniejszając koszty i czas uzyskiwania lizatu bezkomórkowego, metoda ta powinna zwiększyć przystępność cenową bezkomórkowej ekspresji genów do różnych zastosowań.
Ekspresja genów w lizatach bezkomórkowych ma kilka zalet w porównaniu z używaniem żywych komórek1,2,3,4. Lizaty mogą być łatwo modyfikowane biochemicznie i stosowane w warunkach, które mogą być szkodliwe lub niemożliwe do osiągnięcia w żywych komórkach. Obwody ekspresji genów nie muszą zmagać się ani konkurować z procesami biologicznymi gospodarza, a testowanie nowych obwodów genetycznych jest tak proste, jak dodanie DNA. Z tych powodów ekspresja genów bez komórek znalazła różne zastosowania, od biosensors5,6 do szybkiego prototypowania obwodów syntetycznych genów7,8 do tworzenia sztucznych komórek9. Większość ekspresji genów bezkomórkowych wykorzystuje lizaty komórkowe, które zostały wysoko przetworzone, zazwyczaj wymagając długich i złożonych protokołów, specjalistycznego sprzętu i/lub wrażliwych kroków, które mogą prowadzić do znacznych różnic między użytkownikami i partiami10,11.
Ten artykuł opisuje prostą, efektywną metodę produkcji lizatu bez komórek, która wymaga minimalnego przetwarzania i specjalistycznej wiedzy (Rysunek 1A)12. Metoda opiera się na komórkach E. coli, które są zaprojektowane do lizy po prostym cyklu zamrażania i rozmrażania. Komórki wyrażają endolizynę z faga lambda, która degraduje ścianę komórkową. W miarę wzrostu komórek ta endolizyna pozostaje w cytoplazmie, oddzielona od ściany komórkowej. Jednak prosty cykl zamrażania i rozmrażania przerywa błonę cytoplazmatyczną, uwalniając endolizynę do peryplazmy, gdzie degraduje ścianę komórkową, powodując szybką lizę komórek. Protokół można wykonać po zaledwie kilku godzinach praktycznej pracy i wymaga jedynie zamrażarki, wirówki o pojemności 30 000 × g (dla optymalnych wyników; można używać niższych prędkości z większą ostrożnością, aby nie naruszyć peletu), mieszalnika wirowego i prostego roztworu buforowego. Funkcjonalny lizat może być nawet wytwarzany przez liofilizację komórek i ich ponowne nawodnienie in situ. Jednak ta metoda wytwarza lizaty o niższej aktywności, prawdopodobnie ze względu na pozostałe resztki komórek.
Lizaty są bardzo aktywne w ekspresji genów bez komórek i mogą być wzmacniane na różne sposoby, w zależności od końcowego zastosowania. Szybkość syntezy białek można dodatkowo zwiększyć poprzez zagęszczenie lizatu za pomocą standardowych koncentratorów spinowych. Liniowe DNA można chronić przed degradacją poprzez dodanie oczyszczonego białka GamS. Degradacja białka, niezbędna dla bardziej złożonej dynamiki obwodów, takich jak oscylacja, może być osiągnięta przez koekspresję heksameru ClpX w szczepionce wytwarzającej autolizat class13. Wreszcie, odczyty wizualne oparte na LacZ są możliwe dzięki użyciu szczepu autolizatu pozbawionego lacZ. Ogólnie rzecz biorąc, metoda ta wytwarza wysoce aktywny lizat bezkomórkowy, który nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotuj nośniki i.
2. Przygotuj komórki.
3. Przygotuj lizat.
4. Ekspresja genów bezkomórkowa
UWAGA: Autolizat jest teraz gotowy do dowolnego pożądanego końcowego użycia. Poniżej znajduje się przykładowy standardowy protokół ekspresji genów bez komórek.
5. Modyfikacje protokołu
UWAGA: Następujące modyfikacje protokołu umożliwiają mu obsługę innych aplikacji.
UWAGA 1: Komórki autolizatu są zaprojektowane do lizy w cyklu zamrażania i rozmrażania, dlatego szczególnie ważne jest stosowanie krioprotektantu podczas wytwarzania zamrożonych zapasów. Zamroziliśmy zapasy w glicerolu 24% wt/vol i przechowywaliśmy je w temperaturze -80 °C.
UWAGA 2: Jony magnezu i PEG 8000 mają kluczowe znaczenie dla wydajności lizatu. Bazowy premiks 2,5x, na podstawie wcześniej opublikowanych danych, zawiera 6 mM glutaminianu magnezu i 4,8% wag./obj. PEG 8000, które w końcowej reakcji osiągają odpowiednio 2,4 mM i 1,9%. Autolizat przygotowany zgodnie z tym protokołem zazwyczaj działa najlepiej z dodatkowymi 5 mM Mg-glutaminianu i 1,5% PEG 8000 w końcowej reakcji. Można to jednak zoptymalizować w zakresie dodatkowych 0-10 mM Mg glutaminianu i dodatkowych 0-3% PEG 8000 (w porównaniu z premiksem bazowym). Aby przygotować premiks z zalecanymi dodatkowymi 5 mM Mg-glutaminianu i 1,5% PEG 8000 (stężenia końcowe), należy wymieszać 380 μL premiksu z 4,75 μl glutaminianu magnezu w 1 M i 36,1 μL PEG 8000 przy 40% masy/objętości.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Reprezentatywne wyniki można zaobserwować, wykorzystując autolizat do ekspresji GFP z plazmidu o konstytutywnej ekspresji, w tym przypadku pBEST-OR2-OR1-Pr-UTR1-deGFP-T500, oraz rejestrując przebieg czasowy fluorescencji GFP w czytniku płytek (Rysunek 1B). Seria rozcieńczeń DNA plazmidowego wykazała silną ekspresję nawet przy stężeniu DNA 1 nM. W porównaniu z komercyjnie dostępnym lizatem, autolizat może zapewnić większą całkowitą wydajność i osiągnąć wyższą maksymalną szybkość produkcji, ob...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisany tutaj protokół daje wysoce aktywny lizat bakteryjny do ekspresji genów bez komórek. Kluczem jest wykorzystanie komórek przenoszących plazmid pAD-LyseR, który wyraża endolizynę faga lambda cytozolowo. Komórki te są wzmacniane do lizy po przepuszczalności błony wewnętrznej, umożliwiając endolizynie dostęp do ściany komórkowej, co metoda osiąga poprzez prosty cykl zamrażania i rozmrażania. Ponieważ komórki skutecznie się poddają, produkt ten określa się mianem autolizatu. Po lizie komórek jedynymi pozostałymi etapam...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
J.H. jest współzałożycielem firmy GenCirq Inc, która koncentruje się na terapiach przeciwnowotworowych. Zasiada w Radzie Dyrektorów i posiada udziały w GenCirq.
Autorzy dziękują Zachary'emu Sunowi i Richardowi Murrayowi (California Institute of Technology) za uprzejme dostarczenie plazmidu P_araBAD-gamS, oraz Kaeko Kamei (Kyoto Institute of Technology) za uprzejme dostarczenie wirówki chłodzącej o dużej prędkości. Prace te były wspierane przez granty z National Institutes of Health oraz z programu ARO MURI i były częściowo wspierane przez Leading Initiative for Excellent Young Researchers, MEXT, Japonia.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 2xYT media | EMD Millipore | 4.85008 | lub odpowiednik |
| 3-PGA | Sigma Aldrich | P8877 | lub równoważny |
| Filtr odśrodkowy Amicon Ultra-15, 3 kDa odcięcie | Millipore Sigma | UFC900308 | opcjonalnie, może być używany do zagęszczania lizatu, należy dobrać pojemność koncentratora odpowiednią do objętości, która ma być zagęszczona |
| ampicylina | Sigma Aldrich | A0166-5G | lub karbenicylina, bardziej stabilny wariant |
| ATP | Sigma Aldrich | A8937 | lub równoważny |
| cAMP | Sigma Aldrich | A9501 | lub równoważny |
| CoA | Sigma Aldrich | C4282 | lub równoważny |
| CTP | United States Biosciences | 14121 | lub równoważny |
| D-glukoza (dekstroza) | Fisher Scientific | AAA1749603 | lub równoważny |
| ditiotreitol (DTT) | Sigma Aldrich | D0632-1G | lub równoważny |
| E. coli BL21-Gold (DE3) przenoszący pAD-LyseR | Addgene | 99244 | |
| E. coli BL21-Gold (DE3) i Delta; lacZ zawierające pAD-LyseR | Addgene | 99245 | |
| Kwas folinowy | Sigma Aldrich | F7878 | lub równoważny |
| GTP | United States Biosciences | 16800 | lub równoważny |
| HEPES | Sigma Aldrich | H3375-25G | lub równoważny |
| LB media | Fisher Scientific | DF0446075 | lub równoważny |
| glutaminian | magnezuSigma Aldrich | 49605-250G | lub równoważny |
| NAD | Sigma Aldrich | N6522 | lub równoważny |
| glutaminian potasu | Sigma Aldrich | G1501-100G | lub równoważny |
| wodorotlenek potasu (KOH) | Sigma Aldrich | 221473-25G | do regulacji pH |
| dwuzasadowego fosforanu potasu | Fisher Scientific | BP363-500 | lub równoważny |
| fosforan potasu jednozasadowy | Fisher Scientific | BP362-500 | lub równoważny |
| Spermidine | Sigma Aldrich | 85558 | lub równoważny |
| Tris-HCl | Fisher Scientific | 9310500GM | lub równoważna |
| mieszanina tRNA | Roche | 10109541001 | lub równoważna |
| UTP | United States Biosciences | 23160 | lub równoważna |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.