ב והשרירים סינתזה של ממברנות פפטיד הפרה עבור הצמיחה שלפוחית אוטונומית
Summary
הציגו כאן הם פרוטוקולים ליצירת פפטיד מבוסס unilamellar שלפוחיות קטנות מסוגל לצמיחה. כדי להקל על ייצור vesiculo של פפטיד הממברנה, אלה שלפוחיות מצוידות עם תמלול-תרגום מערכת ו-פפטיד קידוד פלמיד.
Abstract
מידור של תגובות ביוכימית הוא היבט מרכזי של תאים סינתטיים. למטרה זו, פפטיד מבוססי תאים התגובה לשמש חלופה אטרקטיבית ליפוזומים או חומצת שומן מבוססי שלפוחיות. מבחוץ או בתוך שלפוחיות, פפטידים יכולים להתבטא בקלות ולפשט את הסינתזה של ממברנה מקדים. בתנאי זה הוא פרוטוקול ליצירת ושלפוחיות עם קטרים של ~ 200 ננומטר מבוסס על לאלסטין האמפיפיפילית כמו פוליפפטידים (למשל) ניצול התייבשות-לחות מחרוזי זכוכית. כמו כן מוצגים פרוטוקולים לביטוי וטיהור בקטריאלי באמצעות הטמפרטורה ההופכית רכיבה על אופניים, כמו גם הפונקציונליזציה שלהם עם צבעי פלורסנט. יתר על כן, דו ח זה מתאר פרוטוקול כדי לאפשר את שעתוק ה-RNA aptamer אלף dBroccoli רוקולי בתוך שלפוחית הצער כדוגמה מורכבת פחות עבור תגובה ביוכימית. לבסוף, פרוטוקול מסופק, אשר מאפשר vesiculo ביטוי של חלבונים פלורסנט ואת פפטיד ממברנה, בעוד סינתזה של התוצאות האחרונות צמיחת veלפוחית.
Introduction
בדרך כלל מתקרבים ליצירת מערכות סלולריות מהחי הסינתטי משני כיוונים שונים. בשיטה מלמעלה למטה, הגנום של חיידק מופחת לרכיבים החיוניים שלו, בסופו של דבר מוביל לתא מינימלי. בגישה מלמטה-למעלה, תאים מלאכותיים מורכבים דה נובו מרכיבים מולקולריים או מערכות משנה סלולרית, אשר צריך להיות משולבים באופן פונקציונלי לתוך מערכת עקבית כמו תא.
בגישה דה נובו, מידור של הרכיבים הביוכימיים הנחוצים מושגת בדרך כלל באמצעות ממברנות העשויים פוספוליפידים או חומצות שומן1,2,3,4. הסיבה לכך היא “מודרני” ממברנות תא מורכב בעיקר פוספוליפידים, בעוד חומצות שומן נחשבים מועמדים סביר של מארזים ממברנה preביוטית5,6. עבור היווצרות של ממברנות חדשים או כדי להקל על גידול ממברנה, אבני בניין אמפיפילי חייב להיות מסופק מן החיצוני7 או אידיאלי באמצעות ייצור בתוך תא קרומי באמצעות תהליכים אנבוליים המקביל4 ,8.
בעוד סינתזה השומנים הוא תהליך מטבולית יחסית מורכב, פפטידים יכולים להיות מיוצר בקלות באמצעות תא-חינם ביטוי גנים תגובות9,10. מכאן, ממברנות פפטיד הנוצר על ידי פפטידים אמפיפילי מייצגים חלופה מעניינת לממברנות שומנים כמו מארזים עבור מחקה תא מלאכותי כי הם מסוגלים לצמוח11.
אלסטין (ELPs) בצורת בלוק-בלוקים (אלפס) הם מעמד אטרקטיבי של פפטידים, אשר יכולים לשמש כאבן בניין לקרומים כגון12. המוטיב הבסיסי של חומצה אמינית של elps הוא (gagvp)n, שם “a” יכול להיות כל חומצה אמינית למעט פרולין ו-“n” הוא מספר המוטיב חוזר13,14,15,16,17 . ELPs נוצרו עם בלוק הידרופובי המכיל בעיקר פנילאלנין עבור בלוק הידרופילי מורכב בעיקר של חומצה גלוטמית11. בהתאם לפרמטרים פתרון, כגון הריכוז pH ו מלח, ELPs התערוכה שנקרא טמפרטורה הופכי מעבר בטמפרטורה Tt, שבו הפפטידים עוברים מעבר שלב הפיך לחלוטין מן הידרופילי כדי הידרופובי מדינה. סינתזה של פפטידים ניתן ליישם בקלות בתוך שלפוחיות באמצעות “TX-TL” תא חיידקי לחלץ11,18,19,20,21, אשר מספק כל הרכיבים הנחוצים לשילוב תגובות שעתוק ותרגום.
מערכת ה-TX-TL הייתה מחולקת יחד, כאשר הקידוד של תבנית ה-DNA מגיע לתוך שלפוחית הידיים באמצעות התייבשות-מחדש מחרוזי זכוכית כתמיכה מוצקה. היווצרות של שלפוחיות מתרחשת באמצעות הסבה של הפפטידים היבשים מן המשטח חרוז11. שיטות נוספות22 עבור היווצרות שלפוחית לפוחית ניתן להשתמש, אשר עשוי להראות בגודל נמוך יותר וגדלים שלפוחית גדולה יותר (למשל, אלקטרו היווצרות, אמולסיה שלב העברת, או מיקרופלואידיקה שיטות מבוססות). כדי לבדוק את הכדאיות של שיטת עטיפת הגוף, שעתוק ברוקולי הפלואורוגנטי של ה-23 ניתן לחילופין להשתמש ב-11, שהוא מורכב פחות מביטוי גנטי עם מערכת TX-TL.
בשל ביטוי של ממברנה אבני בניין ב vesiculo ואת ההתאגדות הבאים שלהם לתוך קרום, שלפוחיות להתחיל לגדול11. התאגדות ממברנה של ELPs ניתן להדגים באמצעות שיטת הסריג. לשם כך, ELPs המשמש להקמת האוכלוסייה הראשונה שלפוחית השמש מצויישים עם צבעי פלורסנט במניות שוות המהווים זוג מסוג סריג. עם ההבעה של ELPs לא מתויג ב vesiculo התאגדות שלהם לתוך הקרום, ELPs מתויג בקרום מדולל וכתוצאה מכך האות הסריג מקטין11. כשיטה מגוונת ומשותפת לקוניוגציה, משתמשים בתוספת שימוש בנחושת מזרז לשימוש. עם השימוש בליגמים ייצוב וכגון טריס (בנזיל)-אמין, התגובה יכולה להתבצע בתמיסה מימית ב-pH פיזיולוגי ללא הידרוליזה של המגיבים11, אשר מתאים לתגובות בניינים מעורבים בפפטידים
הפרוטוקול הבא מציג תיאור מפורט של ההכנות לגידול peptidosomes המבוססים על. הביטוי של פפטידים ושלפוחית היווצרות באמצעות שיטת חרוזי זכוכית מתוארים. כמו-כן, הוא מתאר כיצד ליישם שעתוק של הברוקולי הפלואורוגנטי ותגובת התרגום לביטוי חלבון בתוך שלפוחית הדיבור. לבסוף, בתנאי הוא הליך עבור הקוניוגציה של ELPs עם fluorophores, אשר ניתן להשתמש בהם כדי להוכיח צמיחה שלפוחית באמצעות שיטת סריג11.
Protocol
Representative Results
Discussion
חידוש הסרט הוא הליך נפוץ ליצירת unilamellar שלפוחיות קטנות. המקור העיקרי לכישלון הוא טיפול שגוי של החומרים המשמשים בהליך.
בתחילה, the ELPs מיוצרים על ידי E. coli תאים. התשואה לאחר טיהור שלום יכולה להשתנות באופן משמעותי בהתאם לאופן הפעולה הקפדני…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מכירים את התמיכה הפיננסית באמצעות DFG TRR 235 (הופעתה של החיים, פרויקט P15), מועצת המחקר האירופית (הסכם הענקת no. 694410 AEDNA), ואת הספר הבינלאומי של טום בוגרת למדעים והנדסה IGSSE (פרויקט מס ‘ 9.05) . אנו מודים לא פאלגנאואר על עזרתה בהכנה לדוגמא. אנו מודים לגבי א. דבין ו-M. שוורץ-שילינג על עזרתם עם מערכת TX-TL ודיונים שימושיים. אנו מודים לנ. ב. הולנד על דיונים שימושיים.
Materials
| 2xYT | MP biomedicals | 3012-032 | |
| 3-PGA | Sigma-Aldrich | P8877 | |
| 5PRIME Phase Lock GelTM tube | VWR | 733-2478 | |
| alkine-conjugated Cy3 | Sigma-Aldrich | 777331 | |
| alkine-conjugated Cy5 | Sigma-Aldrich | 777358 | |
| ATP | Sigma-Aldrich | A8937 | |
| benzamidin | Carl Roth | CN38.2 | |
| BL21 Rosetta 2 E. coli strain | Novagen | 71402 | |
| Bradford BSA Protein Assay Kit | Bio-rad | 500-0201 | |
| cAMP | Sigma-Aldrich | A9501 | |
| carbenicillin | Carl Roth | 6344.2 | |
| Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C1919 | |
| chloramphenicol | Carl Roth | 3886.3 | |
| chloroform | Carl Roth | 4432.1 | |
| CoA | Sigma-Aldrich | C4282 | |
| CTP | USB | 14121 | |
| CuSO4 | Carl Roth | P024.1 | |
| DFHBI | Lucerna Technologies | 410 | |
| DMSO | Carl Roth | A994.1 | |
| DNase I | NEB | M0303S | |
| DTT | Sigma-Aldrich | D0632 | |
| Ethanol | Carl Roth | 9065.2 | |
| Folinic acid | Sigma-Aldrich | F7878 | |
| Glass beads, acid-washed | Sigma-Aldrich | G1277 | |
| GTP | USB | 16800 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H6147 | |
| IPTG (β-isopropyl thiogalactoside ) | Sigma-Aldrich | I6758 | |
| KCl | Carl Roth | P017.1 | |
| K-glutamate | Sigma-Aldrich | G1149 | |
| LB Broth | Carl Roth | X968.2 | |
| lysozyme | Sigma-Aldrich | L6876 | |
| methanol | Carl Roth | 82.2 | |
| MgCl2 | Carl Roth | KK36.3 | |
| Mg-glutamate | Sigma-Aldrich | 49605 | |
| Micro Bio-Spin Chromatography Columns | Bio-Rad | 732-6204 | |
| NAD | Sigma-Aldrich | N6522 | |
| NHS-azide linker (y-azidobutyric acid oxysuccinimide ester) | Baseclick | BCL-033-5 | |
| PEG-8000 | Carl Roth | 263.2 | |
| pH stripes | Carl Roth | 549.2 | |
| phenylmethylsulfonyl fluoride | Carl Roth | 6367.2 | |
| phosphate-buffered saline | VWR | 76180-684 | |
| phosphoric acid | Sigma-Aldrich | W290017 | |
| polyethyleneimine | Sigma-Aldrich | 408727 | |
| Potassium phosphate dibasic solution | Sigma-Aldrich | P8584 | |
| Potassium phosphate monobasic solution | Sigma-Aldrich | P8709 | |
| Qiagen Miniprep Kit | Qiagen | 27106 | |
| RNAPol reaction buffer | NEB | B9012 | |
| RNase inhibitor murine | NEB | M0314S | |
| RNaseZap Wipes | ThermoFisher | AM9788 | |
| rNTP | NEB | N0466S | |
| Roti-Phenol/Chloroform/Isoamyl alcohol | Carlroth | A156.1 | |
| RTS Amino Acid Sampler | 5 Prime | 2401530 | |
| Slide-A-Lyzer Dialysis Cassettes, 10k MWCO (Kit) | Thermo-Scientific | 66382 | |
| sodium chloride | Carl Roth | 9265.1 | |
| sodium hydroxide | Carl Roth | 8655.1 | |
| Spermidine | Sigma-Aldrich | 85558 | |
| sterile-filtered (0.22 µm filter) | Carl Roth | XH76.1 | |
| T7 polymerase | NEB | M0251S | |
| TBTA (tris(benzyltriazolylmethyl)amine) | Sigma-Aldrich | 678937 | |
| TCEP (tris(2-carboxyethyl)-phosphine hydrochloride) | Sigma-Aldrich | C4706 | |
| Tris base | Fischer | BP1521 | |
| tRNA (from E. coli) | Roche Applied Science | MRE600 | |
| UTP | USB | 23160 |
Referências
- Chen, I. A., Szostak, J. W. A kinetic study of the growth of fatty acid vesicles. Biophysical Journal. 87 (2), 988-998 (2004).
- Nourian, Z., Roelofsen, W., Danelon, C. Triggered gene expression in fed-vesicle microreactors with a multifunctional membrane. Angewandte Chemie International Edition. 51 (13), 3114-3118 (2012).
- Hardy, M. D., et al. Self-reproducing catalyst drives repeated phospholipid synthesis and membrane growth. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (27), 8187-8192 (2015).
- Scott, A., et al. Cell-Free Phospholipid Biosynthesis by Gene-Encoded Enzymes Reconstituted in Liposomes. PLoS ONE. 11 (10), e0163058 (2016).
- Deamer, D. W., Barchfeld, G. L. Encapsulation of macromolecules by lipid vesicles under simulated prebiotic conditions. Journal of Molecular Evolution. 18 (3), 203-206 (1982).
- Adamala, K., Szostak, J. W. Nonenzymatic Template-Directed RNA Synthesis Inside Model Protocells. Science. 342 (6162), 1098-1100 (2013).
- Zhu, T. F., Szostak, J. W. Coupled growth and division of model protocell membranes. Journal of the American Chemical Society. 131 (15), 5705-5713 (2009).
- Kurihara, K., et al. Self-reproduction of supramolecular giant vesicles combined with the amplification of encapsulated DNA. Nature Chemistry. 3 (10), 775-781 (2011).
- Chu, H. -. S., et al. Expression analysis of an elastin-like polypeptide (ELP) in a cell-free protein synthesis system. Enzyme and Microbial Technology. 46 (2), 87-91 (2010).
- Martino, C., et al. Protein Expression, Aggregation, and Triggered Release from Polymersomes as Artificial Cell-like Structures. Angewandte Chemie International Edition. 51 (26), 6416-6420 (2012).
- Vogele, K., et al. Towards synthetic cells using peptide-based reaction compartments. Nature Communications. 9 (1), 3862 (2018).
- Huber, M. C., et al. Designer amphiphilic proteins as building blocks for the intracellular formation of organelle-like compartments. Nature Materials. 14 (1), 125-132 (2014).
- McPherson, D. T., Xu, J., Urry, D. W. Product purification by reversible phase transition following Escherichia coli expression of genes encoding up to 251 repeats of the elastomeric pentapeptide GVGVP. Protein Expression and Purification. 7 (1), 51-57 (1996).
- Urry, D. W. Physical chemistry of biological free energy transduction as demonstrated by elastic protein-based polymers. The Journal of Physical Chemistry B. 101 (51), 11007-11028 (1997).
- Urry, D. W., et al. Elastin: a representative ideal protein elastomer. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 357 (1418), 169-184 (2002).
- Meyer, D. E., Chilkoti, A. Purification of recombinant proteins by fusion with thermally-responsive polypeptides. Nature Biotechnology. 17 (11), 1112-1115 (1999).
- Meyer, D. E., Chilkoti, A. Genetically encoded synthesis of protein-based polymers with precisely specified molecular weight and sequence by recursive directional ligation: examples from the elastin-like polypeptide system. Biomacromolecules. 3 (2), 357-367 (2002).
- Sun, Z. Z., et al. Protocols for implementing an Escherichia coli based TX-TL cell-free expression system for synthetic biology. Journal of Visualized Experiments. (79), e50762 (2013).
- Caschera, F., Noireaux, V. Synthesis of 2.3 mg/ml of protein with an all Escherichia coli cell-free transcription-translation system. Biochimie. 99, 162-168 (2014).
- Schwarz-Schilling, M., Aufinger, L., Mückl, A., Simmel, F. C. Chemical communication between bacteria and cell-free gene expression systems within linear chains of emulsion droplets. Integrative Biology. 8 (4), 564-570 (2016).
- Garamella, J., Marshall, R., Rustad, M., Noireaux, V. The All E. coli TX-TL Toolbox 2.0: A Platform for Cell-Free Synthetic Biology. ACS Synthetic Biology. 5 (4), 344-355 (2016).
- Rideau, E., Dimova, R., Schwille, P., Wurm, F. R., Landfester, K. Liposomes and polymersomes: a comparative review towards cell mimicking. Chemical Society Reviews. 47 (23), 8572-8610 (2018).
- Filonov, G. S., Moon, J. D., Svensen, N., Broccoli Jaffrey, S. R. Broccoli: Rapid Selection of an RNA Mimic of Green Fluorescent Protein by Fluorescence-Based Selection and Directed Evolution. Journal of the American Chemical Society. 136 (46), 16299-16308 (2014).
- Zhang, S., Cahalan, M. D. Purifying Plasmid DNA from Bacterial Colonies Using the Qiagen Miniprep Kit. Journal of Visualized Experiments. (6), 247 (2007).
- Stetefeld, J., McKenna, S. A., Patel, T. R. Dynamic light scattering: a practical guide and applications in biomedical sciences. Biophysical Reviews. 8 (4), 409-427 (2016).
