無細胞自己誘導ワークフローを使用した24時間以内に細胞から無細胞タンパク質合成へ
Summary
この研究は、 大腸菌(E.coli )からの細胞抽出物の調製とそれに続く無細胞タンパク質合成(CFPS)反応を24時間未満で記載する。無細胞自己誘導(CFAI)プロトコルの説明は、研究者の監督を減らし、得られる細胞抽出物の量を増やすために行われた改善を詳述する。
Abstract
無細胞タンパク質合成(CFPS)は、 インビトロで転写および翻訳機構を捕捉するバイオテクノロジープラットフォームとして成長してきました。数多くの開発により、CFPSプラットフォームは新規ユーザーにとってよりアクセスしやすくなり、アプリケーションの範囲が拡大しました。溶解物ベースのCFPSシステムの場合、細胞抽出物を様々な生物から生成することができ、その宿主のユニークな生化学を利用してタンパク質合成を増強することができる。過去20年以内に、 大腸菌 (E. coli) は、その手頃な価格と汎用性のためにCFPSをサポートするために最も広く使用されている生物の1つになりました。多くの重要な進歩にもかかわらず、 大腸菌 細胞抽出物調製のワークフローは、新規ユーザーがアプリケーションにCFPSを実装するための重要なボトルネックであり続けています。抽出準備ワークフローは時間がかかり、再現性のある結果を得るためには技術的な専門知識が必要です。これらの障壁を克服するために、私たちは以前、ユーザー入力と必要な技術的専門知識を減らす24時間無細胞自動誘導(CFAI)ワークフローの開発を報告しました。CFAIワークフローは、細胞抽出物を生成するために必要な労力と技術的スキルを最小限に抑えながら、得られる細胞抽出物の総量も増加させます。ここでは、アクセスを改善し、 大腸菌 ベースのCFPSの広範な実装をサポートするために、そのワークフローを段階的に説明します。
Introduction
バイオテクノロジー用途のための無細胞タンパク質合成(CFPS)の使用は、過去数年間で大幅に増加しています1,2,3。この開発は、CFPSで発生するプロセスと各コンポーネントの役割を理解するための努力の増加に一部起因する可能性があります4,5。さらに、最適化されたセットアップと代替エネルギー源に起因するコスト削減により、無細胞技術は新規ユーザーの実装が容易になりました6,7,8,9。タンパク質合成に必要な転写および翻訳因子を実施するために、細胞抽出物は、無細胞反応10を駆動するためにしばしば使用される。最近公開されたユーザーガイドは、機能的な抽出を生成するための簡単なプロトコルを提供しており、新規ユーザーでも経験豊富なユーザーでも簡単に実装できます1,11,12,13,14。細胞抽出物は、通常、細胞培養物の溶解を通して得られ、これは、所望の特定の用途に応じて異なる生物を用いて増殖させることができる1、15、16。
大腸菌(E. coli)は、機能性抽出物17を生産するために最も一般的に使用される宿主生物の1つとして急速になっている。BL21スター(DE3)株は、外膜(OmpTプロテアーゼ)および細胞質(ロンプロテアーゼ)からプロテアーゼを除去し、組換えタンパク質発現に最適な環境を提供するため好ましい。さらに、DE3は、lacUV5プロモーターの制御下でT7 RNAポリメラーゼ(T7 RNAP)の遺伝子を保持するλDE3を含む。スター成分は、mRNAの切断を防止する変異RNaseE遺伝子を含む 4,14,18,19.lacUV5プロモーターの下で、イソプロピルチオガラクトピラノシド(IPTG)誘導は、T7 RNAP20、21の発現を可能にする。これらの株は、細胞を増殖および収穫するために使用され、抽出物調製のための原料を与える。細胞溶解は、ビーズ叩解、フレンチプレス、均質化、超音波処理、および窒素キャビテーション1、11、12、22を含む様々な方法を用いて行うことができる。
大腸菌を使用する場合、細菌の培養と収穫のプロセスはほとんどのプラットフォームで一貫していますが、数日と激しい研究者の監督が必要です1,11,13。このプロセスは、一般に、LBブロス中での一晩の種子培養から始まり、一晩の成長時に、翌日に2xYTPG(酵母、トリプトン、リン酸緩衝液、グルコース)のより大きな培養物に接種される。このより大きな培養物の成長は、光学密度(OD)2.514,20で、初期から中期の対数段階に達するまで監視される。転写および翻訳の成分が、初期から中期の対数相において高度に活性であることが以前に実証されている23,24ので、一定の測定が必要である。このプロセスは再現性のある抽出物を生成することができますが、私たちの研究室は最近、研究者の監督を減らし、所定の1リットルの細胞培養に対する抽出物の総収量を増加させ、経験豊富ユーザーと新規ユーザーの両方のための大腸菌ベースの抽出物調製へのアクセスを改善する無細胞自動誘導(CFAI)培地を使用する新しい方法を開発しました(図1).ここでは、CFAIワークフローを実装するためのステップバイステップガイドを提供し、細胞のストリークプレートから24時間以内に完了したCFPS反応に移行します。
Protocol
Representative Results
Discussion
細胞増殖中の2つの重要な行動、すなわちT7 RNAPの誘導と特定のOD600での細胞の採取には、研究者の監督が伝統的に必要です。CFAIは、高品質の細胞抽出物を調製するために必要な研究者の時間と技術トレーニングを減らすために、これらの要件の両方をなくします。T7 RNAPの自己誘導は、グルコースを培地中の第一糖としてラクトースで置換することによって達成され、増殖を積極的に?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、技術サポートのためにJennifer VanderKelen博士とAndrea Laubscherに感謝したいと思います。著者はまた、有益な議論のためにニコール・グレゴリオ、マックス・レヴァイン、アリッサ・マリン、ビョンチョル・ソ、オーガスト・ブルックウェル、エリザベス(リジー)ヴォイヴォダ、ローガン・バリントン、ジリアン・カスマンに感謝したいと思います。著者らはまた、Bill and Linda Frost Fund、Center for Applications in BiotechnologyのChevron Biotechnology Applied Research Endowment Grant、Cal Poly Research、Scholarly、およびNational Science Foundation(NSF-1708919)からの資金援助を認めている。
Materials
| 1.5 mL Microfuge Tubes | Phenix | MPC-425Q | |
| 1L Centrifuge Tube | Beckman Coulter | A99028 | |
| Avanti J-E Centrifuge | Beckman Coulter | 369001 | |
| CoA | Sigma-Aldrich | C3144-25MG | |
| Cytation 5 Cell Imaging Multi-Mode Reader | Biotek | BTCYT5F | |
| D-Glucose | Fisher | D16-3 | |
| D-Lactose | Alfa Aesar | J66376 | |
| DTT | ThermoFisher | 15508013 | |
| Folinic Acid | Sigma-Aldrich | F7878-100MG | |
| Glycerol | Fisher | BP229-1 | |
| Glycine | Sigma-Aldrich | G7126-100G | |
| HEPES | ThermoFisher | 11344041 | |
| IPTG | Sigma-Aldrich | I6758-1G | |
| JLA-8.1000 Rotor | Beckman Coulter | 366754 | |
| K(Glu) | Sigma-Aldrich | G1501-500G | |
| K(OAc) | Sigma-Aldrich | P1190-1KG | |
| KOH | Sigma-Aldrich | P5958-500G | |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627-100G | |
| L-Arginine | Sigma-Aldrich | A8094-25G | |
| L-Asparagine | Sigma-Aldrich | A0884-25G | |
| L-Aspartic Acid | Sigma-Aldrich | A7219-100G | |
| L-Cysteine | Sigma-Aldrich | C7352-25G | |
| L-Glutamic Acid | Sigma-Aldrich | G1501-500G | |
| L-Glutamine | Sigma-Aldrich | G3126-250G | |
| L-Histadine | Sigma-Aldrich | H8000-25G | |
| L-Isoleucine | Sigma-Aldrich | I2752-25G | |
| L-Leucine | Sigma-Aldrich | L8000-25G | |
| L-Lysine | Sigma-Aldrich | L5501-25G | |
| L-Methionine | Sigma-Aldrich | M9625-25G | |
| L-Phenylalanine | Sigma-Aldrich | P2126-100G | |
| L-Proline | Sigma-Aldrich | P0380-100G | |
| L-Serine | Sigma-Aldrich | S4500-100G | |
| L-Threonine | Sigma-Aldrich | T8625-25G | |
| L-Tryptophan | Sigma-Aldrich | T0254-25G | |
| L-Tyrosine | Sigma-Aldrich | T3754-100G | |
| Luria Broth | ThermoFisher | 12795027 | |
| L-Valine | Sigma-Aldrich | V0500-25G | |
| Mg(Glu)2 | Sigma-Aldrich | 49605-250G | |
| Mg(OAc)2 | Sigma-Aldrich | M5661-250G | |
| Microfuge 20 | Beckman Coulter | B30134 | |
| Molecular Grade Water | Sigma-Aldrich | 7732-18-5 | |
| NaCl | Alfa Aesar | A12313 | |
| NAD | Sigma-Aldrich | N8535-15VL | |
| New Brunswick Innova 42/42R Incubator | Eppendorf | M1335-0000 | |
| NH4(Glu) | Sigma-Aldrich | 09689-250G | |
| NTPs | ThermoFisher | R0481 | |
| Oxalic Acid | Sigma-Aldrich | P0963-100G | |
| PEP | Sigma-Aldrich | 860077-250MG | |
| Potassium Phosphate Dibasic | Acros, Organics | A0382124 | |
| Potassium Phosphate Monobasic | Acros, Organics | A0379904 | |
| PureLink HiPure Plasmid Prep Kit | ThermoFisher | K210007 | |
| Putrescine | Sigma-Aldrich | D13208-25G | |
| Spermidine | Sigma-Aldrich | S0266-5G | |
| Tris(OAc) | Sigma-Aldrich | T6066-500G | |
| tRNA | Sigma-Aldrich | 10109541001 | |
| Tryptone | Fisher Bioreagents | 73049-73-7 | |
| Tunair 2.5L Baffled Shake Flask | Sigma-Aldrich | Z710822 | |
| Ultrasonic Processor | QSonica | Q125-230V/50HZ | |
| Yeast Extract | Fisher Bioreagents | 1/2/8013 |
Riferimenti
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