Elastin benzeri polipeptitler, yeniden birleştirici protein arıtma için ilaç teslim çeşitli uygulamalar ile uyarıcı yanıt biyo-polimerler vardır. Bu protokol, kromatografi için basit bir alternatif olarak bunların düşük kritik çözelti, sıcaklık faz geçiş davranışları kullanılarak Escherichia coli'den elastin gibi polipeptidler ve bunların peptid veya protein füzyonlarının saflaştırılmasına ve karakterizasyonunu tarif etmektedir.
Elastin gibi polipeptididnin karakteristik geçiş sıcaklığı aşağıdaki gibi çözülebilir unimers mevcut ve bunların geçiş sıcaklığının üstünde mikron çaplı koaservatların içine toplayarak, bir düşük kritik çözelti sıcaklığı faz geçiş davranışı gösteren tekrarlayan biopolimerler vardır. Genetik düzeyde elastin gibi polipeptidlerin tasarımı termal özelliklerini belirleyen kendi dizisi ve uzunluğu, kesin kontrolüne izin verir. Elastin gibi polipeptidler biosensörleme, doku mühendisliği ve ELP geçiş sıcaklık ve biopolimer mimari ilgi belirli bir uygulama için ayarlanmış olabilir ilaç dağıtımı da dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Ayrıca, elastin gibi polipeptidlerin düşük kritik çözelti sıcaklığı faz geçiş davranışları, termal tepki, kendi saflaştınlmasma olanak tanıyan ve bunların seçici koaservasyon çözündürülmesi olanak sağlayacak şekilde hem çözünür ve çözünmez kirleticinin kaldırmas Escherichia coli içinde ifade, aşağıdaki. Bu yaklaşım, elastin gibi polipeptidler, tek başına ya da genetik olarak elastin gibi polipeptit etiketleri eklenir rekombinan peptitler veya proteinler kromatografi olmadan saflaştırılabilir peptid ya da protein füzyonları için bir saflaştırma aracı olarak saflaştırılması için de kullanılabilir. Bu protokol, elastin gibi polipeptidler ve bunların peptid veya protein füzyonlarının saflaştırılmasına açıklar ve saf elastin gibi polipeptid ürünleri termal davranışını değerlendirmek için temel karakterizasyon teknikleri açıklanır.
Elastin benzeri polipeptitler (ELPS) X, konuk tortu, prolin dışında herhangi bir amino asittir, yinelenen pentapeptit VPGXG oluşan biyo-polimerler vardır. ELPS sergi düşük kritik çözelti sıcaklığı (LCST) faz geçiş davranışları, homojen bir ELP çözelti genel olarak literatürde ELP 1'deki ters geçiş sıcaklığı (T t) olarak adlandırılan kendi LCST'nin, ısıtmadan sonra iki faza ayrı olacak şekilde yerleştirilir. Bu iki faz, bir çok seyreltik ELP globule fazı ve bir ELP zengin fazın tortu oluşur. ELP zengin bir tortu, daha sonra birleşme mikron boyutlu parçacıklar haline ELP zincirlerinin toplama durumunda, kısa bir zaman ölçeği üzerinde oluşturulmuştur. Bu davranış, birkaç santigrat derecelik bir aralığı üzerinde oluşur ve homojen bir solüsyon T t altındaki bir sıcaklığa döndükten sonra elde edilmektedir, tipik olarak tersine çevrilebilir.
ELPS tipik haliyle ileri geri Escherichia coli (E. coli) sentezlenirbir ekspresyon plazmidi içerisine bağlanmıştır bir yapay gen m. Bu plazmid, bundan sonra, bir E: dönüştürülmüştür Protein ekspresyonu için uygun olan coli hücre hattı. Biz, sadece E. ELPS büyük bir çeşitlilik ekspresyonu için T7-lac pET vektör sistemini kullanmıştır E. coli, maya 2-4, mantar 5 ve bitkiler 6-8 Diğer sentezleme sistemleri, diğer araştırmacılar tarafından kullanılmıştır, ancak. Yaklaşımlar bir dizi genetik özyinelemeli yönlü ligasyonu (RDL) 9, plazmid rekonstrüksiyonu (PRE-RDL) 10 tarafından özyinelemeli yönlü ligasyon dahil, tekrarlayan ELP genleri oluşturmak için var, ve uzatma yuvarlanan çember amplifikasyonu (OERCA) 11 örtüşüyor. Genetik düzeyde ELPS mühendisi yeteneği daha fonksiyonel ile eklenebilir mimarileri çeşitli (örneğin, Monobloklar, ikili bloklar, triblokları, vb) ile ELPS oluşturmak için rekombinant DNA teknikleri kullanmak için fırsat tanıyorpeptidler ve proteinler. Genetik seviyede kontrol aynı zamanda her bir ELP tek dağılımlı mükemmel bir biyopolimer ürünleri temin ederek, kesin uzunluğu ve genetik plasmid şablonu tarafından dikte bileşimi ile ifade edilir sağlar.
Her bir ELP termal özellikleri örneğin molekül ağırlığı (MW) ve sırayla, yanı sıra, çözelti içindeki konsantrasyonu ve bu tuzları gibi diğer cosolutes varlığında da dahil olmak üzere dış faktörler olarak biopolimer için içsel parametrelere bağlıdır. ELP 12 ve misafir tortu, bileşimin uzunluğu 1, 13, 14, hidrofobik misafir artıkları ve uzun zincir uzunlukları daha düşük T t s neden T t, kontrol etmek için kullanılabilir ELP tasarımında iki ortogonal parametreleri ise hidrofiliktir Konuk artıkları ve daha kısa zincir uzunlukları daha fazla T t s neden olur. ELP konsantrasyonu ters T t, gr çözümlerine ilgiliyiyen ELP konsantrasyonu düşük T t s 12 var. Tuzların türü ve konsantrasyonu da tuzların etkisi Hofmeister dizi 15 aşağıdaki ELP T t etkileyebilir. Kosmotropic anyonlar (Cl – ve Hofmeister serisi yüksek) ELP T t düşürmek ve artan tuz konsantrasyonu bu etkiyi artırır. Bu iç ve dış parametrelerinin bir ELP bir belirli bir uygulama için gerekli olan bir hedef sıcaklık aralığında termik davranışı elde etmek için ayarlanmış olabilir.
ELPS bir uyarıcı yanıt veren davranış biosensörleme 16, 17, 18 doku mühendisliği ve ilaç salınımı 19, 20 dahil olmak üzere, çeşitli uygulama aralığı için yararlıdır. ELPS genetik düzeyde peptidler ya da proteinler ile kaynaşmış, ayrıca, yeniden birleştirici ELP moral saflaştırılması için ucuz bir toplu bir yöntem sağlamak için basit bir saflaştırma etiketi olarak görev yapabilirHiçbir kromatografisi 21 gerektirir gelgitler ya da proteinler. Saflaştırma işleminin modifikasyonu ELP kaynaşmış peptid veya proteinin aktivitesi muhafaza edilmesini sağlar. Peptid ya da protein füzyonları ELP ELP etiket 22, 23 ya da seçenek olarak, serbest peptid veya protein gerekli olduğunda, bir proteaz tanıma alanı, peptit veya protein ve ELP arasına sokulabilir yararlı olan uygulamalar için arıtılabilir. ELP etiketinin uzaklaştırılması, daha sonra serbest proteaz veya ikinci hedef peptit veya ikinci ELP etiketi ve proteaz ELP füzyon ayırabilen ELP saflaştırma bir son tur olarak işleme ek kolaylığı sağlayan bir proteaz ELP füzyon ile sindirme ile elde edilebilir tek bir aşamada 24, 25 protein. Aşağıdaki protokol termal özellikleri vasıtasıyla ELPS ve peptit ya da protein ELP füzyonları için saflaştırma prosedürü ve karakterize edilmesi için temel teknikleri açıklanırELP ürün termal tepki.
ELPS onların uyarıcı-duyarlı faz davranış sömürü yoluyla saflaştırma ucuz ve kromatografi-ücretsiz araç sunuyoruz. Bu yaklaşım, E genetik olarak kodlanmış ELPS ekspresyonu sonrasında çözünen ve çözünmeyen kirlilikleri ortadan kaldırmak için ELPS ve peptit ya da protein ELP füzyonlar LCST davranış yararlanır coli. Bu saflaştırma kolaylığı çeşitli uygulamalar için ELPS üretmek için kullanılabilir, ya da ELP saflaştırma sonrası işleme ile uzaklaştırılabilir bir saflaştırma etiketi olarak hareket edebilir olan rekombinant peptidlerin veya proteinlerin saflaştırılması için kullanılabilir.
ELP arıtma E. lize etmek için ön adımları içerir coli ve ITC tarafından artık çözünür ve çözünmez kontaminantların çıkarılması (Şekil 2) ve ardından ham kültür lisatı (Şekil 1), genomik ve çözünmez hücre kalıntıları uzaklaştırılmıştır. Santrifugasyonun addi tarafından ELP geçiş tetikleme sonraısı veya tuz tion adım sıcak bir dönüş olarak adlandırılan olarak, süpernatan içinde çözünür kirlerden ELP ayırır. ELP resolubilizing sonra çözelti, çözünmeyen kirletici madde topak kaldırmak için T t altındaki bir sıcaklıkta tekrar santrifüj edilir bir aşamada soğuk bir dönüş adlandırılır. Sıcak ve soğuk spin Alternatif elde etmek üzere küçük bir maliyetle, her bir döngü ile ELP çözeltinin saflığını artırır. Arıtma verimleri ELP T t, uzunluk ve kaynaşık peptidler ya da proteinler bağlı olarak değişir. Tipik olarak, bu protokol E. litresi başına arıtıldı ELP 100 mg elde edilir coli kültür, ancak verim 500 mg / L'ye kadar ulaşabilir ELP ürünün nihai saflığı, SDS-PAGE (Şekil 3) ile teyit edilir. Saflaştırılmış ELP ait MW ELP geni tarafından kodlanan teorik MW ile yakın uyumlu olmalıdır. Bununla birlikte, bazı ELPS tahmini MW 9, 27 'den% 20'ye kadar daha yüksek bir MW'da SDS-PAGE içinde göç ederler. ELP daha hassas analiziMW, aynı zamanda, yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) gibi ortogonal analitik teknikleri ile birlikte ELP ürünün saflığı hakkında ek bilgi sağlayabilir MALDI-TOF-MS ile elde edilebilir.
Saflaştırma işleminden sonra, ELP T t sıcaklık programlı bir bulanıklık ölçülür. Sıcaklık artar Bu teknik, bir ELP çözeltisinin OD izler. Bu ELP amaçlanan uygulamaya uygun bir konsantrasyon dizi karakterize etmek için tavsiye edilir, böylece T t konsantrasyonu bağlıdır. ELP bulanıklık profil Unimer mikron çaplı agrega ELP geçişe karşılık gelen tek bir keskin bir artış (Şekil 4A) sergiler Homopolimerler. T t tam sıcaklığı ile ilgili olarak OD birinci türevinin maksimum olarak belirlenen bulanıklık profilindeki bükülme noktasına karşılık gelen sıcaklık olarak tanımlanır. ReversibilitesiELP faz geçiş sıcaklığı, T, t (Şekil 4B) altına indirilir gibi bazal OD bir azalma ile teyit edilir. Sıcaklık rampaları artan ve azalan ile bulanıklık profili nedeniyle ELP koaservatların ve ELP çözündürülmesi değişken Histerisizin yerleşme büyüklük ve kinetik farklı olacaktır. Peptid ya da protein füzyonları ELP benzer ELP kaynaşmış peptid veya protein T t etkiler, bu şekilde, bu LCST davranışı sergiler. Protein için ELP geçiş proteinin erime sıcaklığının altında tersine çevrilebilir füzyonlar. Sıcaklık programlı bir türbidimetre örneğin diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) gibi ELP ürünler, alternatif tekniklerin, ilk ısı karakterizasyon için mükemmel bir yöntem olmasına rağmen, aynı zamanda ELP T t ölçmek için kullanılabilir.
Ayrıca sıcaklık-progra ile karakterize edilebilir daha karmaşık mimarileri sergi daha karmaşık termal davranışları ile ELPSmmEd türbidimetri. ELP ikili blok kopolimerleri, örneğin, kritik miselizasyon sıcaklıkta küresel miseller içine ısı ile tetiklenen kendini montaj tekabül eden bir karakteristik bulanıklık profil sergiler. Bu tür ELP ikili blok kopolimerleri için OD tipik olarak önce daha yüksek bir sıcaklıkta bir tahlil içinde bir artış (en fazla 2.0 birim taban üzerinde) mikron ölçekli oluşumunu gösterir sonra miseller için unimers geçişi gösteren taban seviyelerin üzerinde 0.1-0.5 birimleri artar agrega (Şekil 5A). Sıcaklık tetiklenen kendini monte ELP yapılar hakkında ayrıntılı bilgiye DLS, çözelti içinde ELP düzeneklerinin R, H ölçen bir teknik ile elde edilmektedir. R, H değişiklikler bulanıklık (Şekil 5B) ile ölçülen OD değişikliklerle yakın kabul. Nanoparçacık derlemeleri bir R H sergileyen bir R, H ~ 20-100 nm ve agrega sergilerken ELP unimers tipik bir R, H <10 nm sergilerler </sub >> 500 nm. Bu tür toplama sayı ve morfoloji gibi kendi kendine bir araya ELP nanopartiküller hakkında ek bilgi, statik ışık saçılımı veya kriyojenik transmisyon elektron mikroskobunda 17, 23, 29 tarafından elde edilebilir.
Due ELP termal özelliklerin ayarlanabilirliği ile, T t s, bir dizi çeşitli ELP tasarımları ile elde edilir. Bu doğal T t aşırı düşük ya da yüksek T t ler bu standart protokole en değişiklik gerektiren her bir ELP için arıtma protokol optimizasyonu etkileyecektir akılda tutmak önemlidir. Son derece yüksek geçiş sıcaklıklarına sahip ELPS bu yaklaşım ile saflaştırılması için uygun olabilir. ELPS ve yeni peptid veya protein ELP füzyonlar tasarım ELP termik yanıtı tehlikeye atabilir ise, basit bir histidin etiketi hareketsiz metal afinite kromatografisi ile saflaştırılması için alternatif dahil edilebilir. Ek olarak,Konuk kalıntı şarj olup olmadığını ELP dizisinin özellikleri Bu protokolün değiştirilmesini gerektirebilir. Tampon pH manipülasyonu kirletici 17, elektrostatik etkileşimleri ortadan kaldırmak için bir çaba ELP genel yükü değiştirmek için bir yöntem olarak da kullanılabilir. Ayrıca, bu protokol, peptitler ve uygun tedbirler saflaştırma işlemi kaynaşık parçasının aktivitesini perturb etmez sağlamak için tedbirler alınmaktadır proteinlerle ELP füzyonlar özel bir durum için uygundur. Bu gibi değişikliklerle ilgili protokol boyunca Notlar T t, ücret, ya da füzyon endişeleri ile ilgili bu zorlukların ortaya çıkabilir ELPS arıtılmasını yönlendirmek için hizmet vermektedir.
Bunların LCST davranış ile ELPS saflaştırılması E olarak ifade edilen ELPS çoğunluğu ve peptit ya da protein füzyonları ELP arındırmak için basit ve kromatografi içermeyen bir yaklaşım sunar coli. Burada özetlenen protokol arıtma o izinen f biyoloji laboratuvarlarında ortak olan ekipmanları kullanarak, tek bir gün içinde ELPS. ELPS ve füzyonlarından saflaştırma kolaylığı, umarız, malzeme bilimi, biyoteknoloji ve tıp alanında yeni uygulamalar için ELP tasarımları giderek artan çeşitliliği teşvik edecektir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma NSF Research Triangle MRSEC (DMR-1121107) tarafından desteklenmiştir.
pET-24a(+) pET-25b(+) |
Novagen | 69749-3 69753-3 |
T7-lac expression vectors with resistance to kanamycin (pET-24) or ampicillin (pET-25). |
Ultra BL21 (DE3) competent cells | Edge BioSystems | 45363 | Competent E. coli for recombinant protein expression. |
Terrific Broth (TB) Dry Powder Growth Media | MO BIO Laboratories | 12105 | Media is reconstituted in DI H2O and autoclaved before use. |
Isopropyl-beta-D-thiogalactoside (IPTG) | Gold Biotechnology | I2481C | IPTG is reconstituted in DI H2O, sterile filtered, and added to cultures to induce enhanced expression. |
Phosphate buffered saline (PBS) tablet | Calbiochem | 524650 | These PBS tablets, when dissolved in 1 L of DI H2O, yield a 10 mM phosphate buffer with 140 mM NaCl, and 3 mM KCl with a pH of 7.4 at 25 °C. |
Polyethyleneimine (PEI) Solution (~50% w/v) | MP Biomedicals | 195444 | PEI is prepared as a 10% (w/v) solution in deionized H2O. |
Nalgene Oak Ridge high-speed centrifuge tubes, 50 mL | Thermo Scientific | 3138-0050 | These round-bottom tubes withstand high-speed centrifugation of 30-50 ml. |
Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP-HCl) | Thermo Scientific | 20491 | A stock solution of TCEP-HCl is prepared at 100 mM in DI H2O and adjusted to pH 7.0. For ELPs with a high cysteine content the stock solution of this reducing agent is added to the ELP pellet to reach 10 mM in H2O. |
Ready Gel Tris-HCL gel, 4-20% linear gradient polyacrylamide gel, 10 well, 30 μl | Bio-Rad Laboratories | 161-1105 | These linear gradient gels offer good visualization of ELPs with a range of MWs. |
Cupric chloride dihydrate (CuCl2-2H2O) | Fisher Scientific | C454-500 | A filtered 0.5 M solution is prepared for negative staining of Tris-HCL polyacrylamide gels. |
Anotop 10 syringe filter: 0.02 μm 0.1 μm 0.2 μm |
Whatman | 6809-1002 6809-1012 6809-1022 |
These 10 mm diameter syringe filters allow preparation of small volumes for DLS measurements. |
Millex-HV filter: 0.45 μm |
EMD Millipore | SLHVX13NK | These 13 mm diameter syringe filters allow preparation of small volumes of solutions with large nanoparticle assemblies for DLS measurements. |