Produzione rapida, economica e semplice di lisato privo di cellule batteriche
Summary
Questo protocollo descrive un metodo rapido e semplice per produrre lisato batterico per l’espressione genica senza cellule, utilizzando un ceppo ingegnerizzato di Escherichia coli e richiedendo solo attrezzature di laboratorio standard.
Abstract
L’espressione genica senza cellule offre il potere della biologia senza le complicazioni di un organismo vivente. Sebbene esistano molti di questi sistemi di espressione genica, la maggior parte sono piuttosto costosi da acquistare e / o richiedono attrezzature speciali e competenze finemente affinate per produrre in modo efficace. Questo protocollo descrive un metodo per produrre lisato batterico privo di cellule che supporta alti livelli di espressione genica, utilizzando solo apparecchiature di laboratorio standard e richiedendo un’elaborazione minima. Il metodo utilizza un ceppo di Escherichia coli che produce un’endolisina che non influisce sulla crescita, ma che lisa in modo efficiente un pellet cellulare raccolto seguendo un semplice ciclo di congelamento-disgelo. L’unica ulteriore elaborazione richiesta è una breve incubazione seguita da centrifugazione per eliminare l’autolizzato dai detriti cellulari. I circuiti genici dinamici possono essere ottenuti attraverso l’espressione eterologa della proteasi ClpX nelle cellule prima della raccolta. Un ceppo di E. coli privo del gene lacZ può essere utilizzato per applicazioni di biorilevamento ad alta sensibilità e prive di cellule utilizzando una lettura colorimetrica o fluorescente. L’intero protocollo richiede solo 8-9 ore, con solo 1-2 ore di lavoro pratico dall’inoculazione al completamento. Riducendo i costi e i tempi per ottenere lisato senza cellule, questo metodo dovrebbe aumentare l’accessibilità economica dell’espressione genica senza cellule per varie applicazioni.
Introduction
L’espressione genica nei lisati privi di cellule ha diversi vantaggi rispetto all’utilizzo di cellule vive1,2,3,4. I lisati possono essere facilmente modificati biochimicamente e utilizzati in condizioni che potrebbero essere dannose o impossibili da ottenere nelle cellule vive. I circuiti di espressione genica non devono competere o competere con i processi biologici dell’ospite e testare nuovi circuiti genetici è semplice come aggiungere DNA. Per questi motivi, l’espressione genica cell-free ha trovato varie applicazioni, dai biosensori5,6 alla prototipazione rapida di circuiti genici sintetici7,8 allo sviluppo di cellule artificiali9. La maggior parte dell’espressione genica senza cellule utilizza lisati cellulari che sono stati altamente elaborati, generalmente richiedendo protocolli lunghi e complessi, attrezzature specializzate e / o passaggi sensibili che possono portare a variazioni significative tra utenti e lotti10,11.
Questo documento descrive un metodo semplice ed efficiente per la produzione di lisato senza cellule che richiede un’elaborazione e un’esperienza minime (Figura 1A)12. Il metodo si basa su cellule di E. coli che sono progettate per lisare seguendo un semplice ciclo di congelamento-disgelo. Le cellule esprimono un’endolisina dal fago lambda che degrada la parete cellulare. Mentre le cellule crescono, questa endolisina rimane nel citoplasma, sequestrata dalla parete cellulare. Tuttavia, un semplice ciclo di congelamento-disgelo interrompe la membrana citoplasmatica, rilasciando l’endolisina nel periplasma, dove degrada la parete cellulare, con conseguente rapida lisi cellulare. Il protocollo può essere completato con poche ore di lavoro pratico e richiede solo un congelatore, una centrifuga capace di 30.000 × g (per risultati ottimali; velocità inferiori possono essere utilizzate con maggiore attenzione per non disturbare il pellet), un miscelatore a vortice e una semplice soluzione tampone. Il lisato funzionale può anche essere prodotto liofilizzando le cellule e reidratandole in situ. Tuttavia, questo metodo produce lisati con attività inferiore, presumibilmente a causa dei detriti cellulari rimanenti.
I lisati sono altamente attivi per l’espressione genica senza cellule e possono essere migliorati in vari modi a seconda dell’uso finale. La velocità di sintesi proteica può essere ulteriormente aumentata concentrando il lisato utilizzando concentratori di spin standard. Il DNA lineare può essere protetto dalla degradazione aggiungendo proteine GamS purificate. La degradazione delle proteine, necessaria per dinamiche circuitali più complesse come l’oscillazione, può essere ottenuta coesprimendo un esamere ClpX nel ceppo13produttore di autolizzato. Infine, le letture visive basate su LacZ sono abilitate utilizzando un ceppo autolizzato privo di lacZ. Nel complesso, questo metodo produce lisato privo di cellule altamente attivo che è adatto per una vasta gamma di applicazioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo qui descritto produce lisato batterico altamente attivo per l’espressione genica senza cellule. La chiave è utilizzare cellule portatrici del plasmide pAD-LyseR, che esprime citosolicamente l’endolisina del fago lambda. Queste cellule vengono potenziate per lisarsi dopo la permeabilizzazione della membrana interna, consentendo all’endolisina l’accesso alla parete cellulare, che il metodo ottiene attraverso un semplice ciclo di congelamento-disgelo. Poiché le cellule si lisano efficacemente, il prodotto vi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Zachary Sun e Richard Murray (California Institute of Technology) per aver gentilmente fornito il plasmide P_araBAD-gamS, e Kaeko Kamei (Kyoto Institute of Technology) per aver gentilmente fornito una centrifuga di raffreddamento ad alta velocità. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni del National Institutes of Health e dal programma ARO MURI ed è stato in parte supportato dalla Leading Initiative for Excellent Young Researchers, MEXT, Giappone.
Materials
| 2xYT media | EMD Millipore | 4.85008 | or equivalent |
| 3-PGA | Sigma Aldrich | P8877 | or equivalent |
| Amicon Ultra-15 centrifugal filter unit, 3 kDa cutoff | Millipore Sigma | UFC900308 | optional, can be used to concentrate lysate, select concentrator capacity appropriate for the volume to be concentrated |
| ampicillin | Sigma Aldrich | A0166-5G | or carbenicillin, a more stable variant |
| ATP | Sigma Aldrich | A8937 | or equivalent |
| cAMP | Sigma Aldrich | A9501 | or equivalent |
| CoA | Sigma Aldrich | C4282 | or equivalent |
| CTP | United States Biosciences | 14121 | or equivalent |
| D-glucose (dextrose) | Fisher Scientific | AAA1749603 | or equivalent |
| dithiothreitol (DTT) | Sigma Aldrich | D0632-1G | or equivalent |
| E. coli BL21-Gold (DE3) carrying pAD-LyseR | Addgene | 99244 | |
| E. coli BL21-Gold (DE3) ΔlacZ carrying pAD-LyseR | Addgene | 99245 | |
| Folinic acid | Sigma Aldrich | F7878 | or equivalent |
| GTP | United States Biosciences | 16800 | or equivalent |
| HEPES | Sigma Aldrich | H3375-25G | or equivalent |
| LB media | Fisher Scientific | DF0446075 | or equivalent |
| magnesium glutamate | Sigma Aldrich | 49605-250G | or equivalent |
| NAD | Sigma Aldrich | N6522 | or equivalent |
| potassium glutamate | Sigma Aldrich | G1501-100G | or equivalent |
| potassium hydroxide (KOH) | Sigma Aldrich | 221473-25G | for adjusting pH |
| potassium phosphate dibasic | Fisher Scientific | BP363-500 | or equivalent |
| potassium phosphate monobasic | Fisher Scientific | BP362-500 | or equivalent |
| Spermidine | Sigma Aldrich | 85558 | or equivalent |
| Tris-HCl | Fisher Scientific | 9310500GM | or equivalent |
| tRNA mix | Roche | 10109541001 | or equivalent |
| UTP | United States Biosciences | 23160 | or equivalent |
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