Synthese von infektiösen Bakteriophagen in einem E. Coli -basierte zellfreie Expressionssystems
Summary
Eine neue Generation von zellfreien Transkription-Übersetzung Plattformen wurde entwickelt, um die biochemischen Systemen in Vitro durch die Ausführung des Gens Schaltungen aufbauen. In diesem Artikel beschreiben wir, wie aus ihrem Genom mit einem alle E. Coli zellfreie TXTL System Bakteriophagen MS2, ΦΧ174 und T7, synthetisiert werden.
Abstract
Eine neue Generation von zellfreien Transkription-Übersetzung (TXTL) Systeme, entwickelt, um eine größere Vielseitigkeit und Modularität, neuartige Funktionen zur Grundlagenforschung und der angewandte Wissenschaften in Reagenzglas Reaktionen führen zu bieten haben. Im letzten Jahrzehnt ist die zellfreie TXTL eine leistungsfähige Technik für eine Vielzahl von neuartigen multidisziplinäre Forschung Bereiche im Zusammenhang mit quantitativen und synthetische Biologie geworden. Die neue TXTL-Plattformen sind besonders nützlich, um zu konstruieren und biochemische Systemen durch die Ausführung von synthetischen oder natürlichen gen Schaltungen zu verhören. In-vitro- TXTL nachweislich schnell Prototyp regulatorische Elemente und biologischer Netzwerke sowie Zusammenfassend bequem molekulare Mechanismen Selbstmontage in lebenden Systemen gefunden. In diesem Artikel beschreiben wir wie infektiöse Bakteriophagen, z. B. MS2 (RNA), ΦΧ174 (SsDNA) und T7 (DsDNA), sind völlig von ihrem Genom im ein-Topf-Reaktionen mit allen Escherichia coli, zellfreie TXTL System synthetisiert. Synthese von den drei Coliphages wird mit dem Plaque-Assay quantifiziert. Wir zeigen, wie die Rendite der synthetisierten Phagen biochemische Reaktionen-Einstellungen abhängig ist. Molekulare Verdrängung durch eine kontrollierte Konzentration von PEG 8000 emuliert beeinflusst die Höhe des synthetisierten Phagen durch Aufträge von Größen. Wir beschreiben auch die Phagen zu verstärken und ihre Genome zu reinigen. Protokolle und Ergebnisse, die in dieser Arbeit sollten in zellfreien synthetische Biologie und Biotechnologie an multidisziplinären Forscher beteiligt werden.
Introduction
Im letzten Jahrzehnt wurde die zellfreie Expression Technologie zur Adresse neuartige Anwendungen im aufstrebenden multidisziplinäre Forschung Bereiche im Zusammenhang mit synthetischen und quantitative Biologie entwickelt. Ursprünglich verwendet, um Proteine, die unabhängig von einem lebenden Organismus auszudrücken, wurden zellfreie TXTL Neuanlagen für beide Grundlagenforschung und der angewandten Wissenschaften1,2, Erweiterung des Geltungsbereichs dieser Technologie deutlich entwickelt. Die neue Generation der TXTL Plattformen wurde entwickelt, um benutzerfreundlich, werden effizienter (bis 2 mg/mL der Proteinsynthese im Batch-Modus3), mehr auf der Ebene der Transkription4vielseitig und modulare damit problemlos integrieren Roman natürliche oder synthetische Funktionen, die die Möglichkeiten von vorhandenen biologischen Systemen5,6. Insbesondere zellfreie TXTL Systeme für das rapid Prototyping von genetischen Programmen, wie regulatorische Elemente oder kleine genetische Schaltkreise7,8,9, handlich geworden durch die Reduzierung der Design-Build-test Radeln Sie nach ein paar Tagen. Bemerkenswert ist, sind die neuen TXTL-Systeme verarbeiten große DNA-Programme wie die komplette Synthese von Coliphages10,11, demonstrieren stark genug Leistung um die Rekonstitution der genomischen aktiv unterstützen Lebewesen DNA kodiert.
TXTL Systeme präsentieren viele technische Vorteile gegenüber traditionellen in-vitro- konstruktive biochemischen Assays. Zellfreie TXTL verbindet den Prozess der Genexpression bis zum fertigen Produkt in einem reduzierten und offenen Umfeld, im Gegensatz zu den komplexen Zytoplasma einer lebenden Zelle. TXTL verwendet DNA biochemischen Systemen in Vitrozu rekonstruieren, die ist mit modernen DNA Montagetechniken, bezahlbar und schnell neben nicht erfordern anspruchsvolle Protein Reinigungsschritte. Zellfreie Ausdruck bietet direkten Zugriff auf die meisten Komponenten in den biochemischen Reaktionen, wodurch eine tiefere Dissektion der molekularen Wechselwirkungen12. In einer TXTL Reaktion kann man die biochemischen und biophysikalischen Einstellungen nach Belieben, ändern, fast unmöglich in einer lebenden Zelle. Angesichts dieser Vorteile und Verbesserungen, wird die TXTL-Technologie mehr und mehr populär als eine alternative Plattform für synthetische und quantitative Biologie. Während die Forschungsgemeinschaft mit TXTL rasant wächst und TXTL eine Standardtechnologie in Bioingenieurwesen wird, es ist wichtig zu verstehen, wie solche Plattformen um angemessene Praktiken im Zusammenhang mit der Ausführung der TXTL Reaktionen und zu entwickeln die Interpretation der Ergebnisse.
In diesem Artikel beschreiben wir wie ein alle E. Coli TXTL System verwenden, um in ein-Topf-Reaktionen, Bakteriophagen von ihrem Genom11, z. B. MS2 zu synthetisieren (RNA, 3,4 kb), ΦΧ174 (SsDNA, 5,4 kb), und T7 (DsDNA, 40 kb). Wir zeigen, wie die Höhe der Phagen Änderungen in Bezug auf einige der biochemischen Einstellungen der Reaktionen (Magnesium und Kalium-Konzentrationen) synthetisiert. Molekulare drängen, durch eine Reihe von PEG 8000 Konzentrationen emuliert hat einen enormen Einfluss auf die Phagen Synthese über mehrere Größenordnungen. Die Realisierung solcher großen biochemische Systeme im einzelnen Reagenzglas Reaktionen, die gleichzeitig die Prozesse der Transkription, Übersetzung, rekapitulieren und Selbstmontage, ist interessant für grundlegende Fragen im Zusammenhang mit Biologie und Biophysik 10 (Genregulation, Self-assembly), sowie für die Entwicklung von Anwendungen, wie z. B. Umnutzung Phagen-Funktionen, um neue Nanostrukturen13bauen. Neben einem praktischen auf TXTL bieten wir Methoden für Phagen Verstärkung, Genom-Extraktion und Reinigung und Phagen Quantifizierung von Plaque-Assay. In diesem Manuskript vorgestellten Methoden eignen sich für Forscher, die mit E. Coli Extrakt basiert zellfreien Systemen und interessieren sich für Bakteriophagen.
In dieser Arbeit vorgestellten Protokolle können wie folgt zusammengefasst werden: (1) Phagen Verstärkung (Tag1: Inokulation vorzubereiten Zellen, Tag 2: einzelne Plaque, mehrere Phagen Wachstum und Konzentration und Tag 3: Reinigung des Phagen), 2) Double-Stranded Genom DNA-Extraktion (Phenol/Chloroform Extraktion), und 3) zellfreie Phagen Reaktion und Titer Experiment (Tag1: Platte Wirtszellen und machen Agarplatten, Tag 2: zellfreie Reaktion und Host cell Vorkultur und Tag 3: Host Zelle Kultur und Phage Titer).
Protocol
Representative Results
Discussion
Nach der Technik in Chen, Et Al. 14 für SPMC ist ein wichtiger Schritt erreicht, wenn die richtigen Bedingungen für Superinfektion zu bestimmen. Der Parameter, der am ehesten ein Host Stamm Fähigkeit steuert, Superinfektion zu widerstehen ist häufig der Ausgangskonzentration des infizierenden Phagen. Die Wirtszellen muss logarithmischen Wachstumsphase vor Erstinfektion mit einer sehr kleinen Menge von Phagen. Schließlich die Phagen werden auch logarithmische Wachstum erreichen und da…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Material basiert auf Arbeit unterstützt durch das Office of Naval Research Award Nummer N00014-13-1-0074 (v.n.), das Human Frontier Science Program gewähren, Anzahl RGP0037/2015 (v.n.), und der binationalen Wissenschaftsstiftung gewähren 2014400 (v.n.).
Materials
| Ultracentrifugation tubes | Beckman Coulter | 344057 | |
| Conical tubes | Falcon | 352070 | |
| Gradient maker | BioComp Gradient Master | see Anal Biochem. 1985 Jul;148(1):254-9. | |
| Syringe and Blunt Cannula | Monoject | 8881513918 and 888202017 | |
| Wide-bore pipette tips | Fischerbrand | 02-707-134 | |
| Plaque counter | New Brunswik Scientific | Colony Counter Model C-110 | |
| Culture tubes | Fischerbrand | 14-961-33 | |
| Cell-free system | Mycroarray Inc | Mytxtl | |
| BioComp Gradient Master | BioComp Instruments | Model 105ME | |
| LB agar plate recipe | 25 g/L Luria-Bertani medium (LB Broth, Miller – Fisher BioReagents product number BP1426) and 15 g/L Bacto-Agar solid (Brenton, Dickenson and Company – product number 214010). |
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