Summary

Biosyntese af en flavonol fra en Flavanone ved at etablere en en-pot Bienzymatisk kaskade

Published: August 14, 2019
doi:

Summary

Afledningen af en flavonol er afgørende for dens anvendelse i sundhedssektoren og fødevareindustrien. Her giver vi en detaljeret protokol for biosyntesen af en flavonol fra en flavanonglucosid og diskuterer de afgørende skridt og dens fordele i forhold til andre tilgange.

Abstract

Flavonoler er en stor under klasse af flavonoider med en række biologiske og farmakologiske aktiviteter. Her, vi giver en metode til in vitro enzymatiske syntese af en flavonol. I denne metode, Atf3h og Atfls1, to vigtige gener i den biosyntetiske vej af flavonoler, er klonet og overudtrykt i Escherichia coli. De rekombinante enzymer renses via en affinitets kolonne, og derefter etableres en bienzymatisk kaskade i en specifik syntetisk buffer. To flavonoler syntetiseres i dette system som eksempler og bestemmes af TLC og HPLC/LC/MS analyser. Metoden viser indlysende fordele i afledningen af flavonoler over andre tilgange. Det er tid-og arbejdsbesparende og meget omkostningseffektiv. Reaktionen er let at blive præcist kontrolleret og dermed opskaleret til masseproduktion. Målproduktet kan renses let på grund af de enkle komponenter i systemet. Men dette system er normalt begrænset til produktion af en flavonol fra en flavanone.

Introduction

Flavonoler er en stor under klasse af plante flavonoider og er involveret i plante udvikling og pigmentering1,2,3. Endnu vigtigere, disse forbindelser besidder en bred vifte af sundheds-gavnlige aktiviteter, såsom anti-cancer4,5, anti-oxidativ6, anti-inflammatorisk7, anti fedme8, anti-hypertensive9 og hukommelse Recall egenskaber10, hvilket fører til et stort antal undersøgelser af disse plante afledte sekundære metabolitter. Traditionelt er disse forbindelser hovedsageligt afledt af plante ekstraktion med organiske opløsningsmidler. Men på grund af deres meget lave indhold i planter11,12,13, produktionsomkostningerne for de fleste flavonoler fortsat høj, hvilket indebærer store begrænsninger på deres anvendelse i sundhedssektoren og fødevarer Industri.

I løbet af de seneste årtier, forskere har udviklet en hel række metoder til at udlede flavonoider14,15. Men, kemisk syntese af disse komplicerede molekyler besidder en række iboende ulemper16. Det kræver ikke kun giftige reagenser og ekstreme reaktionsbetingelser, men også mange skridt til at producere et mål flavonoid sammensatte14,17. Desuden er en anden vigtig udfordring i denne strategi er den chirale syntese af aktive flavonoid molekyler. Derfor er det ikke en ideel strategi at producere flavonoider i kommerciel målestok via kemisk syntese16,17.

For nylig har forskerne udviklet en lovende alternativ strategi for at producere disse komplicerede naturlige forbindelser ved hjælp af tekniske mikrober med en vej for flavonoid biosyntese18,19,20, 21 , 22, som med succes er blevet dechiseret i planter23. F. eks. indførte Duan et al. en biosyntetisk vej ind i den spirende gær Saccharomyces cerevisiae til fremstilling af kaempferol (kmf)24. Malla et al. produceret astragalin, en glykosyleret flavonol, ved at introducereflavanonglucosid 3-hydroxylase (f3h), flavonol syntase (fls1), og UDP-glucose: flavonoid 3-O-glucosyltransferase UGT78K1 gener i Escherichia coliBL21 (DE3)17. Selv om der er en hel del paradigmer, ikke alle genetisk manipulerede mikrober producere produkter af interesse på grund af kompleksiteten af en cellulære platform, uforenelighed mellem kunstigt syntetiserede genetiske elementer og værter, den hæmmende effekt af Target produkter mod værtsceller, og ustabilitet af en manipuleret cellulære system selv16.

En anden lovende alternativ strategi for flavonoid produktion er at etablere en multienzymatisk kaskade in vitro. Cheng et al. har rapporteret, at enterocin polyketides kan med succes syntetiseres ved at samle en komplet enzymatisk pathway i en pot25. Denne celle frie syntetiske strategi omgår begrænsningerne af en mikrobiel produktionsfabrik og er dermed gennemførlig til at producere nogle flavonoider i store mængder16.

For nylig har vi med succes udviklet et bienzym syntetisk system til at konvertere naringenin (NRN) til KMF i en pot16. Her beskriver vi dette system i store detaljer og de metoder, der er involveret i at analysere produkterne. Vi præsenterer også to eksempler, der bruger dette system til at producere KMF fra NRN og quercetin (QRC) fra eriodictyol (ERD). Derudover diskuterer vi vigtige trin i denne metode og fremtidige forskningsretninger i biosyntesen af flavonoider.

Protocol

1. Isoler totalt RNA fra plantevæv26,27 Homogenisere plante vævet. Saml 100 mg af et frisk plantevæv (f. eks. 4-ugers gamle frøplanter fra Arabidopsis thaliana). Fryse vævet og en Pestle og mørtel med flydende nitrogen, efterfulgt af slibning af vævet i pulver. Tilsæt 1 mL RNA-isolations reagens (Se tabel over materialer) til mørtel. Reagenset vil straks blive frosset. Vævsprøven homogeniseres med …

Representative Results

F3H og FLS1 er to vigtige nøgle enzymer i omdannelsen af en flavanonglucosid til en flavonol i planter som vist i figur 1. At udvikle et in vitro biosyntetisk system til fremstilling af en flavonol fra en flavanone, Atf3h (genbank tiltraedelsesnr. NM_ 114983.3) og Atfls1 (genbanks tiltraedelsesnr. Nm_ 120951.3) gener blev klonet fra frøplanterne af 4-ugers-gamle A. thaliana i en prokaryote udtryk vektor pET-32a (+). De rekombinant…

Discussion

En hel række undersøgelser er fokuseret på derisering af flavonoler på grund af deres potentielle anvendelse i sundhedssektoren og fødevareindustrien. Men traditionel plante ekstraktion med organiske opløsningsmidler og kemisk syntese besidder iboende ulemper, som begrænser deres anvendelse i produktionen af flavonoler. Her rapporterer vi en detaljeret metode til fremstilling af en flavonol fra en flavanonglucosid i en gryde ved at etablere en in vitro bienzymatisk kaskade. De kritiske trin i denne protokol er: 1)…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev finansielt støttet af Yangzhou University Special udnævnt professor start-up fonde, Jiangsu specielt udnævnt professor start-up fonde, seks talent Peaks projekt i Jiangsu provinsen (Grant No. 2014-SWYY-016), og et projekt finansieret af den prioriterede akademiske program udvikling af Jiangsu videregående uddannelsesinstitutioner (veterinærmedicin). Vi takker test Center for Yangzhou University for HPLC og MS analyser af flavonoider.

Materials

2× Pfu MasterMix Beijing CoWin Biotech Co., Ltd CW0717A PCR amplification of genes with high fidelity
Agilent 1200 Series RRLC system with an Agilent 6460 Triple Quadrupole LC/MS system Agilent Technologies, Inc N/A an equipment for analysis of flavonoids by HPLC/MS
Agilent MassHunter Workstation (version B.03.01) Agilent Technologies, Inc N/A a software for collection of the data from the Agilent 1200 Series RRLC system with an Agilent 6460 Triple Quadrupole LC/MS system
dihydrokaempferol Sigma-Aldrich Co. LLC 91216 intermediate product for producing kaempferol from naringenin
dihydroquercetin Sichuan Provincial Standard Substance Center for Chinese Herbal Medicine PCS0371 intermediate product for producing quercetin from eriodictyol
DNA Clean-up Kit Beijing CoWin Biotech Co., Ltd CW2301 purification of PCR-amplified or gel-purified DNA
eriodictyol Shanghai Yuan Ye Biotechnology Co., Ltd. B21160 substrate for producing quercetin
Escherichia coli BL21(DE3) Beijing CoWin Biotech Co., Ltd CW0809 bacteria strain for expressing target genes
Escherichia coli DH5α Beijing CoWin Biotech Co., Ltd CW0808 bacteria strain for plasmid proliferation
FreeZone 1 Liter Benchtop Freeze-Dry System Labconco Corporation 7740020 an equipment for freeze-drying of flavonoids dissolved in organic solvent
Gel Extraction Kit Beijing CoWin Biotech Co., Ltd CW2302 purification of a DNA band from an agarose gel
Gel Imaging System Shanghai Tanon Science & Technology Co. Ltd. Tanon-
2500
an equipment for visualization of DNA band on an agarose gel or flavonoid spot on a polyamide TLC plate
GenElute Plasmid Miniprep Kit Sigma-Aldrich Co. LLC PLN350-1KT minipreparation of plasmids
kaempferol Sigma-Aldrich Co. LLC 60010 final reaction product and standard substance
MassHunter Quanlitative Analysis (version B.01.04) Agilent Technologies, Inc N/A a software for analysis of HPLC/LC/MS data
NanoDrop Microvolume UV-Vis Spectrophotometer Thermo Fisher Scientific ND-8000-GL an equipment for determination of DNA/RNA concentration
naringenin Sigma-Aldrich Co. LLC N5893 substrate for producing kaempferol
Ni-IDA Agarose Resin Beijing CoWin Biotech Co., Ltd CW0010 purification of His-tagged fusion proteins
pET-32a(+) Novagen 69015-3 plasmid for cloning and expressing target genes
plasmid sequencing GENEWIZ Suzhou N/A sequencing of recombinant plasmids
primer synthesis GENEWIZ Suzhou N/A synthesis of PCR primers
quercetin Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. Q111273 final reaction product and standard substance
SuperRT cDNA Synthesis Kit Beijing CoWin Biotech Co., Ltd CW0741 synthesis of the first strand of cDNA from total RNA
T4 DNA Ligase Thermo Fisher Scientific EL0016 ligation of an insert into a linearized vector DNA
Trizol Thermo Fisher Scientific 15596018 isolation of total RNA
Vector NTI Advance Thermo Fisher Scientific 12605099 a software for PCR primer design and DNA sequence analysis
Xcalibur v2.0.7 Thermo Fisher Scientific N/A a software for analysis of HPLC data

Referências

  1. Falcone Ferreyra, M. L., Rius, S. P., Casati, P. Flavonoids: biosynthesis, biological functions, and biotechnological applications. Frontiers in Plant Science. 3, 222 (2012).
  2. Fang, F., Tang, K., Huang, W. D. Changes of flavonol synthase and flavonol contents during grape berry development. European Food Research and Technology. 237 (4), 529-540 (2013).
  3. Cui, B., et al. Anthocyanins and flavonols are responsible for purple color of Lablab purpureus (L.) sweet pods. Plant Physiology and Biochemistry. 103, 183-190 (2016).
  4. Li, X., et al. A new class of flavonol-based anti-prostate cancer agents: Design, synthesis, and evaluation in cell models. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 26 (17), 4241-4245 (2016).
  5. Kim, H., et al. Regulation of Wnt signaling activity for growth suppression induced by quercetin in 4T1 murine mammary cancer cells. International Journal of Oncology. 43 (4), 1319-1325 (2013).
  6. Kimura, H., et al. Antioxidant activities and structural characterization of flavonol O-glycosides from seeds of Japanese horse chestnut (Aesculus turbinata BLUME). Food Chemistry. 228, 348-355 (2017).
  7. Cassidy, A., et al. Higher dietary anthocyanin and flavonol intakes are associated with anti-inflammatory effects in a population of US adults. The American Journal of Clinical Nutrition. 102 (1), 172-181 (2015).
  8. Chao, H. C., Tsai, P. F., Lee, S. C., Lin, Y. S., Wu, M. C. Effects of Myricetin-Containing Ethanol Solution on High-Fat Diet Induced Obese Rats. Journal of Food Science. 82 (8), 1947-1952 (2017).
  9. Serban, M. C., et al. Effects of Quercetin on Blood Pressure: A Systematic Review and Meta-Analysis of Randomized Controlled Trials. Journal of the American Heart Association. 5 (7), (2016).
  10. Nakagawa, T., et al. Improvement of memory recall by quercetin in rodent contextual fear conditioning and human early-stage Alzheimer’s disease patients. Neuroreport. 27 (9), 671-676 (2016).
  11. Muthukrishnan, S. D., Kaliyaperumal, A., Subramaniyan, A. Identification and determination of flavonoids, carotenoids and chlorophyll concentration in Cynodon dactylon (L.) by HPLC analysis. Natural Product Research. 29 (8), 785-790 (2015).
  12. Agar, O. T., et al. Comparative Studies on Phenolic Composition, Antioxidant, Wound Healing and Cytotoxic Activities of Selected Achillea L. Species Growing in Turkey. Molecules. 20 (10), 17976-18000 (2015).
  13. Yang, R. Y., Lin, S., Kuo, G. Content and distribution of flavonoids among 91 edible plant species. Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition. 17, 275-279 (2008).
  14. Tang, L. J., Zhang, S. F., Yang, J. Z., Gao, W. T. New Synthetic Methods of Flavones. Chinese Journal of Organic Chemistry. 24 (8), 882-889 (2004).
  15. Lu, Y. H., et al. Synthesis of luteolin and kaempferol (author’s transl). Yao Xue Xue Bao. 15 (8), 477-481 (1980).
  16. Zhang, Z., et al. Development and Optimization of an In vitro Multienzyme Synthetic System for Production of Kaempferol from Naringenin. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (31), 8272-8279 (2018).
  17. Malla, S., Pandey, R. P., Kim, B. G., Sohng, J. K. Regiospecific modifications of naringenin for astragalin production in Escherichia coli. Biotechnology and Bioengineering. 110 (9), 2525-2535 (2013).
  18. Zhu, S., Wu, J., Du, G., Zhou, J., Chen, J. Efficient synthesis of eriodictyol from L-tyrosine in Escherichia coli. Applied and Environmental Microbiology. 80 (10), 3072-3080 (2014).
  19. Trantas, E., Panopoulos, N., Ververidis, F. Metabolic engineering of the complete pathway leading to heterologous biosynthesis of various flavonoids and stilbenoids in Saccharomyces cerevisiae. Metabolic Engineering. 11 (6), 355-366 (2009).
  20. Miyahisa, I., et al. Combinatorial biosynthesis of flavones and flavonols in Escherichia coli. Applied Microbiology and Biotechnology. 71 (1), 53-58 (2006).
  21. Leonard, E., Yan, Y., Koffas, M. A. Functional expression of a P450 flavonoid hydroxylase for the biosynthesis of plant-specific hydroxylated flavonols in Escherichia coli. Metabolic Engineering. 8 (2), 172-181 (2006).
  22. Koopman, F., et al. De novo production of the flavonoid naringenin in engineered Saccharomyces cerevisiae. Microbial Cell Factories. 11, 155 (2012).
  23. Winkel-Shirley, B. Flavonoid biosynthesis. A colorful model for genetics, biochemistry, cell biology, and biotechnology. Plant Physiology. 126 (2), 485-493 (2001).
  24. Duan, L., et al. Biosynthesis and engineering of kaempferol in Saccharomyces cerevisiae. Microbial Cell Factories. 16 (1), 165 (2017).
  25. Cheng, Q., Xiang, L., Izumikawa, M., Meluzzi, D., Moore, B. S. Enzymatic total synthesis of enterocin polyketides. Nature Chemical Biology. 3 (9), 557-558 (2007).
  26. Connolly, M. A., Clausen, P. A., Lazar, J. G. Preparation of RNA from plant tissue using trizol. Cold Spring Harbor Protocols. (1), (2006).
  27. Sambrook, J., Russell, D. W. Purification of RNA from cells and tissues by Acid phenol-guanidinium thiocyanate-chloroform extraction. Cold Spring Harbor Protocols. (1), (2006).
  28. Sambrook, J., Russell, D. W. Construction of cDNA Libraries Stage 1: Synthesis of First-strand cDNA Catalyzed by Reverse Transcriptase. Cold Spring Harbor Protocols. (1), (2006).
  29. Sambrook, J., Russell, D. W. Directional cloning into plasmid vectors. Cold Spring Harbor Protocols. (1), (2006).
  30. Sambrook, J., Russell, D. W. Expression of Cloned Genes in E. coli Using IPTG-inducible Promoters. Cold Spring Harbor Protocols. (1), (2006).
  31. Sambrook, J., Russell, D. W. Purification of Histidine-tagged Proteins by Immobilized Ni2+ Absorption Chromatography. Cold Spring Harbor Protocols. (1), (2006).
  32. Halbwirth, H., et al. Measuring flavonoid enzyme activities in tissues of fruit species. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 57 (11), 4983-4987 (2009).
  33. Prescott, A. G., Stamford, N. P., Wheeler, G., Firmin, J. L. In vitro properties of a recombinant flavonol synthase from Arabidopsis thaliana. Phytochemistry. 60 (6), 589-593 (2002).
check_url/pt/59336?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Zhang, Z., Fan, S., Chen, Z., He, Y., Huang, M., Ding, L., Zhang, Y., Chen, L., Zhang, X. Biosynthesis of a Flavonol from a Flavanone by Establishing a One-pot Bienzymatic Cascade. J. Vis. Exp. (150), e59336, doi:10.3791/59336 (2019).

View Video