Cysteinowe proteazy z rodziny Potyviridae, szczególnie proteazy inkluzji jądrowych A (NIa), stanowią w dużej mierze niewykorzystaną źródło sekwencjonowanych endopeptydaz. Z ponad 3800 scharakteryzowanych członków rodziny, proteazy NIa ciąć odrębną siedmioaminokwasową sekwencję substratu. Rodzina potywirusa oferuje zróżnicowane zestawy proteaz do inżynierii programowalnych systemów kontroli białek, budowy ortogonalnych obwodów genetycznych opartych na proteazach i opracowywania narzędzi biotechnologicznych o sekwencjonowanej specyficzności1,2. Mimo tej naturalnej różnorodności, tylko dwie proteazy NIa, TEVp i proteaza wirusa mozaiki żyłkowo-żyłkowej tytoniu (TVMVp), zostały dokładnie scharakteryzowane i opracowane do szerokiego zastosowania laboratoryjnego i biotechnologicznego3,4. Ten ograniczony zestaw proteaz ograniczony zakres projektowania dla wieloskładnikowych obwodów, które wymagają ortogonalnych aktywności proteaz5, motywując wysiłki na rzecz dalszej ekspansji i charakteryzacji proteaz NIa poprzez kierowaną ewolucję6,7.
Wyświetlanie na powierzchni drożdży stało się jedną z najpotężniejszych platform dla kierowanej ewolucji, umożliwiając przesiewowe badanie bibliotek białek o wysokiej wydajności za pomocą sortowania komórek aktywowanej fluorescencyjnie (FACS)6,7. Na przykład system sekwestracji w retikulum endoplazmatycznym drożdży (YESS) łączy aktywność proteazy z wyświetlaniem na powierzchni przez ścieżkę sekrecyjną S. cerevisiae6,7. System YESS został zastosowany do inżynierii nowych specyficzności proteazy-substratu i wykazał przydatność dla wieloraundowych kampanii kierowanej ewolucji. W tym systemie warianty proteaz są współekspresowane z białkiem fuzyjnym zawierającym kasetę substratu cięcia z markerami epitopu, a kotwica powierzchniowa Aga1p jest ekspresowana w szczepie drożdży EBY100. Różnicowe znakowanie fluorescującymi przeciwciałami odróżnia cięte od nieciętych kaset substratu wyświetlanych na powierzchni komórek. Ten mechanizm wyświetlania zależny od aktywności jest bezpośrednio zgodny z iteracyjną selekcją opartą na FACS dla bibliotek 107 lub więcej wariantów6,7.
Podstawowym warunkiem wstępnym kierowanej ewolucji jest zdolność do wprowadzania bibliotek wariantów w wystarczającej skali, aby osiągnąć adekwatne pokrycie docelowe przestrzeni sekwencji. Dla bibliotek mutagenezii sajt-saturacyjnej obejmujących wiele pozycji aminokwasowych, wydajności transformacji w wymiarze 108 do 109 unikalnych transformantów są potrzebne, aby upewnić się, że różnorodność wprowadzona do biblioteki jest dobrze reprezentowana w sortowanej populacji. Istnieje kilka metod wprowadzania egzogennego DNA do S. cerevisiae, każda z różnymi limitami przepustowości. Konwencjonalna metoda transformacji chemicznej używa acetylanu litu/pojedynczego łańcucha DNA nośnego/polietylenoglikolu (LiAc/ssDNA/PEG) ze względu na prostotę i dostępność. Jednak zazwyczaj osiąga wydajności transformacji tylko 104–106 jednostek tworzących kolonie (CFU) na mikrogram DNA, nie wystarczające dla wariacji sekwencji potrzebnej dla dużych kampanii bibliotek8. Natomiast metoda elektroporacyjna stosuje wysokonapięciowe pole elektryczne, aby przejściowo uporządkować błonę komórkową i ułatwić przyjęcie DNA. Elektroporacja osiąga spójnie najwyższe wydajności transformacji wśród dostępnych metod transformacji, przy czym zoptymalizowane protokoły raportują wydajności 108–109 CFU9. Zaobserwowano, że wydajność elektroporacji w S. cerevisiae jest krytycznie wrażliwa na fazę wzrostu komórki, masę DNA i skład buforu, zapewniając ramy, które od tego czasu zostały szeroko przystosowane do ewolucji kierowanej w skali bibliotek9.
Protokół opisany tutaj używa szczepu S. cerevisiae EBY100, szeroko przyjętego szczepu gospodarza dla wyświetlania na powierzchni drożdży. EBY100 został zaprojektowany przez Boder i Wittrup poprzez zintegrowanie kasety ekspresji AGA1 pod kontrolą galaktozo-indukowanego promotora GAL1 do chromosomowego locus AGA1 szczepu rodzicielskiej, niedeficiency protease BJ546510. Szczep jest komercyjnie dostępny od ATCC (numer katalogowy MYA-4941; depozyt K.D. Wittrup), nosząc genotyp MATa AGA1::GAL1-AGA1::URA3 ura3-52 trp1 leu2-Δ1 his3-Δ200 pep4::HIS3 prb1Δ1.6R can1 GAL (URA+, leu−, trp−). W rezultacie zarówno Aga1p, jak i fuzja kasety substratu Aga2p są ekspresowane z tego samego galaktozo-indukowanego promotora, upewniając, że dwie podjednostki są współindukuje i