Exposição bacteriana do peptide para a seleção de enzimas Biotinylating novas
Summary
Aqui nós apresentamos um método para selecionar para variantes novas do ligase BirA da biotina-proteína de E. coli que biotinylates um peptide específico do alvo. O protocolo descreve a construção de um plasmídeo para a exposição bacteriana do peptídeo alvo, geração de uma biblioteca BirA, seleção e caracterização de variantes de BirA.
Abstract
A biotina é uma modificação pós-translacional atraente de proteínas que fornece uma etiqueta poderosa para o isolamento e detecção de proteínas. A biotinilação enzimática pelo e. coli biotina-proteína ligase Bira é altamente específica e permite a biotinilação de proteínas-alvo em seu ambiente nativo; no entanto, o uso atual da biotinilação mediada por BirA requer a presença de um peptídeo aceptor sintético (AP) na proteína alvo. Conseqüentemente, sua aplicação é limitada às proteínas que foram projetadas para conter o AP. O objetivo do presente protocolo é usar a exposição bacteriana de um peptídeo derivado de uma proteína alvo não modificada para selecionar para variantes de BirA que biotinylates o peptídeo. O sistema é baseado em um único plasmídeo que permite a coexpressão de variantes de BirA juntamente com um andaime para o indicador de peptídeo na superfície bacteriana. O protocolo descreve um procedimento detalhado para a incorporação do peptídeo alvo no andaime de exposição, a criação da biblioteca de BirA, a seleção de variações ativas de BirA e a caracterização inicial das variações isoladas de BirA. O método fornece um sistema altamente eficaz da seleção para o isolamento de variantes novas de BirA que podem ser usadas para a evolução dirigida mais adicional de ligases da biotina-proteína que biotinylate uma proteína nativa em soluções complexas.
Introduction
A biotinilação de uma proteína cria uma etiqueta poderosa para seu isolamento e detecção de afinidade. A biotinilação de proteínas enzimáticas é uma modificação pós-translacional altamente específica catalisada por ligases de biotina-proteína. A ligase de proteína de E. coli Bira é extremamente específica e covalentemente biotinylates apenas um número restrito de proteínas que ocorrem naturalmente em resíduos específicos de lisina1. As vantagens da biotinilação catalisada pelo BirA são atualmente aproveitadas pela fusão da proteína-alvo com um pequeno peptídeo aceitador de biotina de 15 aminoácidos sintéticos (AP) que é efetivamente biotinilado2 e permite o altamente específico e biotinilação in vivo e in vitro eficiente por coexpressão ou adição de Bira3,4,5. Embora a ligadura de biotina-proteína catalisada in vivo e in vitro seja uma estratégia de rotulagem atrativa, sua aplicação é limitada a amostras que contenham proteínas fundidas por AP. O objetivo deste método é o desenvolvimento de novos mutantes de ligases de biotina-proteína que seletivamente biotinylate proteínas nativas não modificadas e, assim, ampliar o número de aplicações em que a estratégia de biotinilação enzimática pode ser usada.
A função protéica pode ser evoluída através de rodadas iterativas da mutação genética, seleção e amplificação de variantes genéticas com a função desejada. Uma estratégia de seleção forte e eficiente é crucial para a evolução dirigida e a atividade da ligase da biotina-proteína é prontamente selecionada devido à forte ligação entre a biotina e a streptavidina e seus homólogos6. As tecnologias de display phage permitem a seleção de fagos que exibem peptídeos biotinilados7,8. Desde que a amplificação de fagos isolados exige a infecção de um anfitrião bacteriano, entretanto, a seleção do fago com estreptavidina cria um gargalo que a ligação da elevado-afinidade da biotina ao estreptavidina é virtualmente irreversível não-desnaturando Condições. Para assegurar a ligação reversível de phages biotinylated, os avidins monoméricas com mais baixa afinidade foram usados que conduziram a um enriquecimento modesto de ~ 10 vezes7. Nós desenvolvemos recentemente um método bacteriano da exposição para o isolamento de variantes novas de BirA que elimina a necessidade para a eluição da matriz da afinidade e remove desse modo um gargalo dos sistemas precedentes da seleção de BirA9. Na verdade, nosso sistema de exibição bacteriana permite um enriquecimento de > 1, 000, 000 vezes de clones ativos em uma única etapa de seleção9, proporcionando assim um sistema de seleção eficaz para a evolução dirigida de novas variantes Bira.
Nosso sistema bacteriano da exposição consiste em dois componentes, BirA com um Tag do C-terminal 6xHis e uma proteína do andaime que permita a exposição de superfície de um peptide do alvo. Utilizou-se a proteína de membrana externa reforçada circularmente permutada de proteínas de andaime X (eCPX), uma vez que a exposição efetiva de peptídeos pode ser observada tanto no N-e C-Termini10,11. A fusão da sequência peptídica alvo para o C-Terminus de eCPX assegura a biotinilação de bactérias expressando variantes de BirA ativas. As bactérias permitem a seleção efetiva de streptavidina como o peptídeo biotinilado agora é exibido na superfície (Figura 1a).
A finalidade deste método é selecionar para variantes novas de BirA que as seqüências do peptide dos biotinylates atuais em proteínas nativas. O sistema é codificado por genes presentes no plasmídeo pBAD-BirA-eCPX-AP, que contém um promotor de arabinose-inducible controlando BirA (araBAD), e um promotor T7 controlando eCPX9 (Figura 1b). O presente protocolo descreve o procedimento detalhado para 1) incorporação de um peptídeo derivado de uma proteína alvo para o C-terminal de eCPX, 2) criação de uma biblioteca mutacional de BirA por PCR propenso a erros, 3) seleção de bactérias ligantes de streptavidina por classificação de células ativadas por magnético (MACS), 4) quantificação do enriquecimento de bactérias e 5) caracterização inicial de clones isolados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Quanto a todos os métodos de seleção, a rigor dos passos de lavagem é de extrema importância. Uma vez que as bactérias não precisam ser eluidas dos grânulos antes da amplificação dos clones selecionados, a ligação de alta afinidade entre a biotina e a streptavidina pode ser usada em vez de usar avidinas de menor afinidade, como anteriormente feito com o sistema de exibição de fago, para a seleção das variantes do Bira7,8. Isto assegura-se de que o…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem a Mohamed Almeida Ahmed pela assistência técnica especializada. Este trabalho foi apoiado por subvenções da Fundação Lundbeck, da Fundação Novo Nordisk, da Associação Dinamarquesa de rins, da Fundação Aase og Ejnar Danielsen, da Fundação A.P. Møller para o avanço da ciência médica, e Knud e Edith Eriksen Fundação Memorial.
Materials
| 10% precast polyacrylamide gel | Bio-Rad | 4561033 | |
| Ampicilin | Sigma-Aldrich | A1593 | |
| ApE – A plasmid editor v2.0 | NA | NA | downloaded from http://jorgensen.biology.utah.edu/wayned/ape/ |
| Arabinose | Sigma-Aldrich | A3256 | |
| Biotin | Sigma-Aldrich | B4501 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
| DPBS (10X), no calcium, no magnesium | ThermoFischer Scientific | 14200083 | |
| DpnI restriction enzyme | New England BioLabs | R0176 | |
| Dynabeads MyOne Streptavidin C1 | ThermoFischer Scientific | 65001 | |
| GenElute Plasmid Miniprep Kit | Sigma-Aldrich | PLN350 | |
| GeneMorph II EZClone Domain Mutagensis kit | Agilent Technologies | 200552 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| Immobilon-P PVDF Membrane | Millipore | IPVH15150 | |
| IPTG | Sigma-Aldrich | I6758 | |
| LS Columns | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| NEB 5-alpha Competent E. coli | New England BioLabs | C2987 | |
| NuPAGE LDS Sample Buffer (4X) | ThermoFischer Scientific | NP0007 | |
| NuPAGE Sample Reducing Agent (10X) | ThermoFischer Scientific | NP0009 | |
| pBAD-BirA-eCPX-AP | Addgene | 121907 | Used a template and positive control |
| pBAD-BirA-eCPX-AP(K10A) | Addgene | 121908 | negative control |
| Q5 High-Fidelity DNA Polymerase | New England BioLabs | M0491 | For insertion of peptide sequence in pBAD-BirA-eCPX-AP, any high fidelity polymerase will do |
| QuadroMACS Separator | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | |
| Skim Milk Powder | Sigma-Aldrich | 70166 | |
| Streptavidin-HRP | Agilent Technologies | P0397 | |
| T7 Express lysY/Iq Competent E. coli | New England BioLabs | C3013 | |
| Tryptone | Millipore | T9410 | |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416 | |
| Western Lightning Plus-ECL | PerkinElmer | NEL103001EA | |
| Yeast extract | Sigma-Aldrich | Y1625 |
Referências
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