Le présent protocole décrit une méthode détaillée pour la production bactérienne de protéines recombinantes, y compris des protéines typiquement insolubles ou contenant des liaisons disulfures, emballées à l’intérieur de vésicules extracellulaires liées à la membrane. Cela a le potentiel d’être appliqué à des domaines polyvalents de la recherche scientifique, y compris la biotechnologie appliquée et la médecine.
Ce système innovant, utilisant un marqueur peptidique court, qui exporte plusieurs protéines recombinantes dans des vésicules liées à la membrane à partir d’E. coli, fournit une solution efficace à une gamme de problèmes associés à l’expression bactérienne des protéines recombinantes. Ces vésicules recombinantes compartimentent les protéines dans un micro-environnement qui facilite la production de protéines autrement difficiles, toxiques, insolubles ou contenant des liaisons disulfures à partir de bactéries. Le rendement en protéines est considérablement augmenté par rapport à l’expression bactérienne typique en l’absence de l’étiquette peptidique nucléant les vésicules. La libération de protéines emballées par vésicules favorise l’isolement du milieu de culture et permet le stockage à long terme des protéines actives. Cette technologie donne lieu à des rendements accrus de protéines fonctionnelles emballées dans des vésicules pour un traitement simplifié en aval pour un large éventail d’applications allant de la biotechnologie appliquée à la science de la découverte et à la médecine. Dans le présent article et la vidéo associée, un protocole détaillé de la méthode est fourni, qui met en évidence les étapes clés de la méthodologie pour maximiser la production de vésicules remplies de protéines recombinantes.
La bactérie à Gram négatif E. coli est un système attrayant pour la production de protéines recombinantes à l’échelle industrielle et académique. Il est non seulement rentable et simple à cultiver en lots à haute densité, mais un large spectre de réactifs, de souches, d’outils et de promoteurs a été établi pour favoriser la génération de protéines fonctionnelles dans E. coli1. De plus, les techniques de biologie synthétique surmontent maintenant les obstacles généralement liés à l’application de modifications post-traductionnelles et au repliement de protéines complexes2. La capacité de cibler la sécrétion de protéines recombinantes dans les milieux de culture est intéressante pour améliorer le rendement et réduire les coûts de fabrication. L’emballage contrôlé de protéines définies par l’utilisateur dans des vésicules membranaires contribue au développement de produits et de technologies dans les industries de la biotechnologie appliquée et de la médecine. Jusqu’à présent, il y avait un manque de méthodes largement applicables pour sécréter des protéines recombinantes à partir d’E. coli 3.
Eastwood et coll. ont récemment mis au point une méthode basée sur le marquage peptidique pour produire et isoler des vésicules contenant des protéines recombinantes à partir d’E. coli1. Ce peptide de nucléation des vésicules (VNp) permet la production de vésicules membranaires bactériennes extracellulaires, dans lesquelles la protéine recombinante de choix peut être ciblée pour simplifier la purification et le stockage de la protéine cible, et permet des rendements nettement plus élevés que ceux normalement autorisés par des cultures de flacons agités. Des rendements de près de 3 g de protéines recombinantes par litre de culture en flacon ont été rapportés, avec des rendements > 100 fois supérieurs à ceux obtenus avec des protéines équivalentes dépourvues du marquage VNp. Ces vésicules enrichies en protéines recombinantes peuvent être rapidement purifiées et concentrées à partir des milieux de culture et fournir un environnement stable pour le stockage. Cette technologie représente une percée majeure dans la production de protéines recombinantes d’E. coli. Les vésicules compartimentent les protéines toxiques et contenant la liaison disulfure sous une forme soluble et fonctionnelle, et favorisent la purification simple, efficace et rapide des protéines fonctionnelles emballées dans les vésicules pour le stockage à long terme ou le traitement direct1.
Les principaux avantages de cette technologie par rapport aux techniques actuelles sont les suivants : 1) l’applicabilité à une gamme de tailles (1 kDa à >100 kDa) et de types de protéines; (2) faciliter la formation de liaisons disulfures inter- et intra-protéiques; 3° applicable aux complexes multiprotéiques; (4) peut être utilisé avec une gamme de promoteurs et de souches standard d’E. coli de laboratoire; 5) la production de rendements en protéines à partir de flacons agités normalement observés uniquement avec des cultures de fermentation; les protéines sont exportées et emballées dans des vésicules liées à la membrane qui (6) fournissent un environnement stable pour le stockage de la protéine soluble active; et (7) simplifie le traitement en aval et la purification des protéines. Cet outil de protéines recombinantes simple et rentable est susceptible d’avoir un impact positif sur les industries biotechnologiques et médicales, ainsi que sur la science de la découverte.
Ici, un protocole détaillé, développé sur plusieurs années, décrit les conditions optimales pour produire des vésicules remplies de protéines recombinantes à partir de bactéries avec la technologie VNp. Des exemples d’images de ce système dans la pratique sont montrés, avec une protéine fluorescente exprimée, permettant de visualiser la présence de vésicules à différentes étapes de la production, de la purification et de la concentration. Enfin, des conseils sont fournis sur la façon d’utiliser l’imagerie de cellules vivantes pour valider la production de vésicules contenant la fusion VNp à partir des bactéries.
La méthode de peptide amino-terminal marqué pour la production de protéines recombinantes décrite ci-dessus est un processus simple, qui produit constamment de grandes quantités de protéines qui peuvent être efficacement isolées et / ou stockées pendant des mois.
Il est important de souligner les étapes clés du protocole qui sont nécessaires pour une utilisation optimale de ce système. Tout d’abord, la balise VNp1 doit être située à l’extrémité N, suivie de la protéine d’intérêt et de toute étiquette appropriée. Il est également important d’éviter d’utiliser des antibiotiques qui ciblent la couche de peptidoglycane, tels que l’ampicilline.
En termes de conditions de croissance, des milieux riches (par exemple, LB ou TB) et un rapport surface/volume élevé sont nécessaires pour maximiser la production de vésicules. La température optimale pour la production de vésicules extracellulaires est de 37 °C, mais les conditions généralement requises pour l’expression de la protéine d’intérêt doivent également être prises en compte. Pour des températures d’induction plus basses, VNp6 doit être utilisé. Fondamentalement, l’induction du promoteur T7 doit être réalisée en utilisant pas plus de 20 μg/mL (84 μM) IPTG une fois que les cellules atteignent une OD600 de 0,8-1,0. Les protéines exprimées à l’aide du système atteignent la production maximale de vésicules à 4 h ou après une induction nocturne.
Malgré la simplicité de ce protocole, il nécessite une optimisation. La fusion des variantes VNp, les températures d’expression et les périodes d’induction peuvent différer en fonction de la protéine d’intérêt. En outre, il est nécessaire d’optimiser la purification et la concentration ultérieure des vésicules extracellulaires du milieu. La procédure actuelle n’est pas évolutive et peut prendre beaucoup de temps. Ce sont les limites de cette méthodologie.
La technologie VNp présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes traditionnelles2. Il permet l’exportation vésiculeuse de diverses protéines, la taille maximale exprimée avec succès à ce jour étant de 175 kDa pour les vésicules qui restent internes et de 85 kDa pour celles qui sont exportées. En outre, cette technologie peut augmenter considérablement le rendement des protéines recombinantes avec une gamme de propriétés physiques et d’activités. Les vésicules exportées contenant la protéine d’intérêt peuvent être isolées par simple filtration à partir du milieu préautorisé et peuvent ensuite être stockées, dans des milieux de culture stériles ou tampons, à 4 °C pendant plusieurs mois.
Les applications de ce système sont diverses, de la science de la découverte à la biotechnologie appliquée et à la médecine (p. ex., par la production de thérapies fonctionnelles)3. La facilité de production, la transformation en aval et le rendement élevé sont autant de qualités attrayantes dans ces domaines et en particulier dans l’industrie.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs remercient les divers utilisateurs de Twitter qui ont soulevé des questions sur le protocole présenté dans l’article décrivant la technologie VNp. La figure 1A a été générée à l’aide d’icônes de flaticon.com. Ces travaux ont été financés par l’Université du Kent et financés par le Conseil de recherches en biotechnologie et en sciences biologiques (BB/T008/768/1 et BB/S005544/1).
Ampicillin | Melford | 69-52-3 | |
Chloramphenicol | Acros Organics (Thermofisher Scientific) | 56-75-7 | |
E. coli BL21 (DE3) | Lab Stock | N/A | |
E. coli DH10β | Lab Stock | N/A | |
Filters for microscope | Chroma | ||
FM4-64 | Molecular Probes (Invitrogen) | T-3166 | Dissolved in DMSO, stock concentration 2 mM |
ImageJ | Open Source | Downloaded from: https://imagej.net/ij/index.html | |
Inverted microscope | Olympus | ||
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Melford | 367-93-1 | |
Kanamycin sulphate | Gibco (Thermofisher Scientific) | 11815-024 | |
LED light source for micrscope | Cairn Research Ltd | ||
Lysogeny Broth (LB) / LB agar | Lab Stock | N/A | 10 g/L Tryptone; 10 g/L NaCl; 5 g/L Yeast Extract (1.5 g/L agar) |
Metamorph imaging software | Molecular Devices | ||
MF-Millipore Membrane filter (0.1 µm, MCE) | Merck | VCWP04700 | |
Millipore Express PLUS membrane filter (0.45 µm, PES) | Merck | HPWP04700 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Lab Stock | N/A | |
Plasmids allowing expression of protein of interest with different VNp amino terminal fusions | Addgene | https://www.addgene.org/Dan_Mulvihill/ | |
Terrific Broth (TB) | Lab Stock | N/A | 12 g/L Tryptone; 24 g/L Yeast Extract; 4 ml/L 10% glycerol; 17 mM KH2PO4 72 mM K2HPO4 |