Wykorzystanie bezkomórkowej syntezy białek (CFPS) do zastosowań biotechnologicznych znacznie wzrosło w ciągu ostatnich kilku lat1,2,3. Rozwój ten można częściowo przypisać zwiększonym wysiłkom na rzecz zrozumienia procesów zachodzących w CFPS i roli każdego komponentu4,5. Dodatkowo, zmniejszone koszty związane ze zoptymalizowanymi ustawieniami i alternatywnymi źródłami energii sprawiły, że technologia bezkomórkowa jest łatwiejsza do wdrożenia dla nowych użytkowników6,7,8,9. W celu implementacji niezbędnych czynników transkrypcyjnych i translacyjnych do syntezy białek, ekstrakt komórkowy jest często używany do napędzania reakcji bezkomórkowych10. Niedawno opublikowane podręczniki użytkownika zawierają proste protokoły tworzenia funkcjonalnego ekstraktu, ułatwiając jego implementację zarówno nowym, jak i doświadczonym użytkownikom1,11,12,13,14. Ekstrakt komórkowy jest zwykle uzyskiwany w procesie lizy hodowli komórkowej, która może być hodowana przy użyciu różnych organizmów w zależności od konkretnego pożądanego zastosowania1,15,16.
Escherichia coli (E. coli) szybko stała się jednym z najczęściej używanych organizmów gospodarzy do produkcji funkcjonalnych ekstraktów17. Szczep BL21 Star (DE3) jest preferowany, ponieważ usuwa proteazy z błony zewnętrznej (proteaza OmpT) i cytoplazmy (proteaza Lon), zapewniając optymalne środowisko dla ekspresji rekombinowanego białka. Dodatkowo DE3 zawiera λDE3, który przenosi gen polimerazy RNA T7 (T7 RNAP) pod kontrolą promotora lacUV5; komponent gwiazdy zawiera zmutowany gen RNaseE, który zapobiega rozszczepieniu mRNA4,14,18,19. Pod promotorem lacUV5 indukcja izopropylo-tiogalaktopiranozydu (IPTG) umożliwia ekspresję T7 RNAP20,21. Szczepy te są wykorzystywane do wzrostu i zbierania komórek, które dają surowiec do przygotowania ekstraktu. Liza komórek może być przeprowadzana przy użyciu różnych metod, w tym ubijania kulek, prasy francuskiej, homogenizacji, sonikacji i kawitacji azotu1,11,12,22.
Proces hodowli i zbierania bakterii jest spójny na większości platform przy użyciu E. coli, ale wymaga wielu dni i intensywnego nadzoru badaczy1,11,13. Proces ten zwykle rozpoczyna się od nocnej hodowli nasion w bulionie LB, który po nocnym wzroście jest następnie zaszczepiany do większej kultury 2xYTPG (drożdże, trypton, bufor fosforanowy, glukoza) następnego dnia. Wzrost tej większej kultury jest monitorowany, aż osiągnie wczesną i środkową fazę logarytmiczną, przy gęstości optycznej (OD) 2,514,20. Wymagany jest ciągły pomiar, ponieważ wcześniej wykazano, że składniki transkrypcji i translacji są bardzo aktywne w wczesnej i środkowej fazie logarytmu23,24. Chociaż proces ten może stworzyć powtarzalny ekstrakt, nasze laboratorium opracowało niedawno nową metodę wykorzystującą pożywkę do autoindukcji bez komórek (CFAI), która zmniejsza nadzór badaczy, zwiększa ogólną wydajność ekstraktu dla danego litra hodowli komórkowej i poprawia dostęp do preparatu ekstraktu na bazie E. coli zarówno dla doświadczonych, jak i nowych użytkowników (Rysunek 1). W tym miejscu przedstawiamy przewodnik krok po kroku, jak wdrożyć przepływ pracy CFAI, aby przejść od smugowej płytki komórek do zakończonej reakcji CFPS w ciągu 24 godzin.