Geregisseerd Protein Packaging binnen Outer membraanvesicles uit<em> Escherichia coli</em>: Ontwerp, Productie en zuivering

Summary

A protocol for the production, purification, and use of enzyme packaged outer membrane vesicles (OMV) providing for enhanced enzyme stability for implementation across diverse applications is presented.

Abstract

Toenemende belang bij synthetische biologie technieken om buitenmembraan vesicles (OMV) programmeren leiden tot een aantal zeer interessante en unieke toepassingen voor OMV waarin traditionele nanodeeltjes te moeilijk te synthetiseren blijken. Tot op heden zijn alle Gram-negatieve bacteriën is aangetoond dat OMV demonstreren verpakken van diverse lading die kleine moleculen, peptiden, eiwitten en genetisch materiaal omvat te produceren. Op basis van hun verschillende lading worden OMV betrokken bij vele biologische processen gaande van cel-cel communicatie genoverdracht en levering van virulentiefactoren afhankelijk van welke bacteriën produceren het OMV. Pas onlangs zijn bacteriële OMV geworden toegankelijk zijn voor gebruik in een breed scala van toepassingen door de ontwikkeling van technieken voor de controle en de directe verpakking van recombinante eiwitten in OMV. Dit protocol beschrijft een werkwijze voor de productie, zuivering en gebruik enzym verpakte OMV wijze verbeterd overall productie van recombinant enzym, verhoogde vesiculatie en verbeterde enzymstabiliteit. Succesvolle gebruik van dit protocol zal resulteren in de creatie van een bacteriestam die tegelijkertijd produceert een recombinant eiwit en stuurt het voor OMV inkapseling door het creëren van een synthetische binding tussen het recombinante eiwit en een buitenste membraananker eiwit. Dit protocol Gegevens ook werkwijzen voor het isoleren van OMV uit bacteriële culturen evenals juiste behandeling technieken en dingen te overwegen bij de aanpassing van deze protocol voor gebruik voor andere unieke toepassingen zoals: farmaceutische afgifte van geneesmiddelen, medische diagnostiek, en het herstel van het milieu.

Introduction

Hier gepresenteerd is een methode voor het ontwerp, de productie en zuivering van enzym geladen bacteriële buitenste membraan blaasjes (OMV). OMV zijn klein, vooral unilamellaire, proteoliposomen die variëren in grootte 30-200 nm ^1,2. Alle Gram-negatieve en Gram-positieve bacteriën die zijn tot nu toe onderzochte aangetoond loslaten van OMV of extracellulaire blaasjes (EV) vanaf hun oppervlak ^3,4. Het precieze mechanisme waardoor OMV geproduceerd nog niet volledig opgehelderd door de diverse bacteriële populaties die hen evenals de variërende functies die zij dienen afscheiden. OMV is aangetoond dat een breed scala van vracht van kleine moleculen, peptiden en proteïnen genetisch materiaal waar een verscheidenheid aan complexe signaal, gen translocatie en virulentie functies ^5,6.

De exacte mechanismen van OMV biogenese zijn niet goed gekarakteriseerd, en lijken te verschillen tussen bacteriesoorten. ondanks this feite hebben wij een werkwijze voor het verbeteren van de verpakkingsefficiëntie van een recombinant eiwit in OMV door een synthetische binding tussen een eiwit van interesse en een zeer overvloedige eiwit endogeen voor de bacteriële buitenmembraan en daaropvolgende OMV ontwikkeld. Aangezien een synthetische verbinding of kunstmatig opgenomen affiniteit tussen het recombinant tot expressie gebrachte eiwit en het OMV de waargenomen verpakkingsefficiëntie zeer laag ^7. Dit resultaat is als incorporatie van de eiwitten in de OMV hetzij gebeurt door toeval inkapseling precies op het moment van OMV formatie op het bacteriële oppervlak of via gerichte verpakkingen met mechanismen die niet goed begrepen worden verwacht. Enig succes is waargenomen bij het verpakken eiwitten eenvoudig door overexpressie in de periplasmatische ruimte die berust op toeval inkapseling maar effectieve verpakking is sterk afhankelijk eiwit met sommige eiwitten verpakking hoog rendement in vergelijking met andere ebij niet verpakken helemaal ^8-10. Door gebruik gemeenschappelijke synthetische biologische technieken zochten we Escherichia coli (E. coli) gelijktijdig produceren, verpakken en uitscheiden een actief enzym plaats in OMV dat beperkingen huidige kennis over hoe OMV gevormd en hoe lading wordt geselecteerd door de bacteriën omzeilt ingenieur verpakking.

Voor de toepassing van deze applicatie is een split-eiwit bioconjugatie systeem gekozen als de synthetische verbinding van de keuze om gerichte verpakkingen in het OMV vergemakkelijken. Zoals de naam suggereert een split eiwit bioconjugatie systeem bestaat uit twee complementaire domeinen subeenheid die interageren met elkaar. De splitsing eiwitdomeinen geselecteerd voor de toepassing van dit protocol worden aangeduid als de SpyCatcher (SC) en SpyTag (ST) domein en zijn afgeleid van de Streptococcus pyogenes-fibronectine bindend eiwit (FbaB) ^11. Deze splitsing proteïnesysteem is ongebruikelijk doordat wanneer de twee subeenheden in de nabijheid een isopeptidebinding spontaan vormt tussen het proximale asparaginezuur en lysine aminozuurresiduen waardoor een covalente binding. Vorming isopeptidebinding niet de toevoeging van chaperone eiwitten, katalytische enzymen of cofactoren, en kan gemakkelijk plaatsvinden bij kamertemperatuur (KT) en over een groot aantal fysiologisch relevante omstandigheden ^12.

Als een proof of concept, phosphotriesterase (PTE) (EC 3.1.8.1) van Brevundimonas diminuta werd geselecteerd om te worden verpakt in E. coli afkomstig OMV ^13. PTE bevat een binucleair Zn / Zn actieve plaats en heeft de mogelijkheid organofosfaten afbreken door een hydrolysereactie omzetten aryldialkylphosphates in dialkylphosphates en arylalcoholen ^14. Blootstelling aan organofosfaten schaadt juiste neurotransmitter functie door middel van het remmen van de hydrolyse van acetylcholine door acetylcholinesterase bij neuromusculaire verbindingen making organofosfaat afgeleide verbindingen uiterst gevaarlijk ^15. Langdurige of significante blootstelling aan organofosfaten vaak resulteert in oncontroleerbare stuiptrekkingen en meestal de dood veroorzaakt via stikken. Hoewel PTE vertoont de hoogste katalytische activiteit ten opzichte paraoxon, een zeer krachtige insecticide, maar ook kan hydrolyseren van een hele reeks andere pesticiden en V / G soort chemische zenuwgassen ^16. Om OMV verpakking te vergemakkelijken, werd een bacterieel plasmide geconstrueerd dat codeert voor een genconstruct dat een induceerbare promoter, een periplasmatische lokalisatiesequentie en een korte meervoudige kloneringsplaats stroomopwaarts van de SC gensequentie bevat. Insertie van het PTE-gen tussen de leider en SC-sequentie toegestaan ​​voor de oprichting van een genetische schakelaar die de PTE-SC fusie-eiwit richt naar de periplasmatische ruimte voor OMV verpakking. Hoewel de hier beschreven inspannen PTE, het enzym gen uitwisselbaar en kan gemakkelijk worden vervangen door een ander gensequentie FACilitate verpakking van een alternatieve enzym of eiwit.

Het tweede deel van de synthetische verbinding, is een overvloedig buitenmembraan eiwit (OmpA) gekozen om de ST peptidesequentie presenteren. Terwijl de keuze van anker-eiwit kan variëren, is het essentieel dat het eiwit een permissieve domein dat weer in de periplasmatische ruimte, tolereert de fusieconstruct zonder induceren cytotoxiciteit, bekend aanwezig OMV te zijn, en niet aggregeert als het recombinant geproduceerd. OmpA- is een 37,2 kDa transmembraan porine-eiwit dat bekend is in hoge mate tot expressie gebracht in de bacteriële buitenmembraan en daaropvolgende OMV ^17. Het is betrokken bij het transport van kleine moleculen, <2 nm in grootte, in het bacteriële membraan ^18. Inheemse OmpA- twee structureel unieke domeinen, een transmembraan motief beta vat en een periplasmically oplosbare C-terminale deel gekende bindingspartners met peptidoglycan ^19. In de mutant OmpA-ST fusie designed hier het C-terminale gedeelte van OmpA werd verwijderd en de ST werd gefuseerd met de periplasmically gerichte N- of C-termini. De periplasmatische gedeelte van OmpA verwijderen vermindert het aantal interacties tussen het buitenste membraan en peptidoglycan waardoor membraan destabilisatie leiden tot hyper-blaasjes ^7. Genomisch OmpA- werd gehandhaafd evenals de recombinant tot expressie gebrachte OmpA-ST construct grove membraan destabilisatie beperken.

Protocol

1. Bereiding van plasmiden Bereid een plasmide (bijvoorbeeld pET22) met het anker eiwit (OmpA) gefuseerd aan een biorthogonale koppeling domein (in dit protocol aangeduid als anchor-ST), epitooplabel (zoals 6xHis, myc of FLAG-tags voor zuivering en identificatie), periplasmatische localisatie tag, antibioticaresistentie en geschikte replicatieoorsprong basis van de geselecteerde bacteriestam 7. Extract plasmide-DNA uit overnachtkweken een los verkrijgbare DNA isolatie kit volgens …

Representative Results

Gelijktijdige expressie van twee recombinante eiwitten, zoals is vereist voor de OMV verpakkingsstrategie die in dit protocol, kan worden bereikt door een aantal verschillende wegen. Hier werd een twee vectorsysteem gebruikt met compatibele oorsprongen van replicatie en een aparte induceerbare gencassettes. Voor de expressie van de PTE-SC construct commerciële plasmideskelet (pACY184) werd ontworpen om een ​​arabinose induceerbare gencassette en een twin arginine periplasmatische lo…

Discussion

Dit protocolfuncties een representatieve tonen gerichte verpakkingstechniek waarbij een enzym van interesse wordt geproduceerd en in OMV verpakt door E. coli. Zoals met vele complexe technieken er meerdere gebieden waarop het protocol kan worden aangepast om geschikt voor gebruik in verschillende unieke toepassingen, waarvan sommige hieronder. Hoewel het mechanisme van OMV verpakking en enzym inkapseling kan worden aangepast aan de specifieke behoeften er verschillende stappen in dit protocol dat cruciaal voor …

Materials

IPTG	Any		Always prepare fresh or aliquot and freeze.
L-arabinose	Any		Can be prepared ahead of time and stored at 4C.
Ampicillin	Any		Add immediately prior to use after media cools sufficiently from being autoclaved.
Chloramphenicol	Any		Add immediately prior to use after media cools sufficiently from being autoclaved.
TB/LB Culture Media	Any		Other growth medias will likely work similarly.
Triton X-100	Any		One of many potential suitable surfactants.
Baffled culture flasks	Any		The baffles promote higher levels of aeration.
CHES	Fisher Bioreagents	BP318-100	Optimal buffer used for paraoxon degredation (pH > 8).
Paraoxon	Chem Service	N-12816	Very toxic substance to be handled carefully and disposed of properly.
Syringe Filter 0.45 µm	Thermo Scientific	60183-221       (30 mm)	Filter diameter will depend on volume of sample.  Low protein binding membrane is critical.
Shaker incubator	New Brunswick	Excella E24	Precise temperature and mixing is essential for reproducable bacterial growth.
Sorvall Culture Centrifuge	Thermo Scientific	RC 5B PLUS	Large volume (500 mL) culture centrifuge capable of 7,000 x g.
Sorvall Ultracentrifuge	Thermo Scientific	WX Ultra 90	Capable of centrifugal forces ≥150,000 x g.
Ultracentrifuge Rotor	Thermo Scientific	AH-629	Ensure the proper rotor and tubes are used and that everything is properly balanced.
Ultra-Clear Ultracentrifuge Tubes        (25 x 89 mm)	Beckman Coulter	344058	Ensure no stress fractures are present prior to use and that tubes are presicely balanced.
Spectrophotometer	Tecan	Infinite M1000	Necessary for enzyme kinetic assays.
DLS / particle tracking	NanoSight	LM10	Necessary for OMV size distribution and concentration determination.
BL21(DE3)	NEB		Suitable bacterial expression strain.
pET22	EMD Millipore	69744-3	Other plasmids can be used in place of these.
pACYC184	NEB		Other plasmids can be used in place of these.
Gel Extraction Kit	Qiagen	28704	Example kit.