Bu beş günlük protokolü bütün adımlar, ekipman, ve esaslı etkili endojen Escherichia coli sıfırdan TX-TL hücre serbest ifade sistemi oluşturmak ve çalıştırmak için gerekli ek yazılım özetliyor. Reaktif ile protokol 8 kurulumu için saat veya daha az bir tepki toplamak ve işlem verileri alır.
Ideal hücresiz ifade sistemleri, teorik olarak, bir in vitro platform kontrol edilir. 1 Bu, kontrollü bir şekilde proteinler ve genetik devreleri ifade hem de sentetik biyoloji için bir prototip bir ortam temin etmek için kullanışlıdır. 2,3 bir in vivo hücre ortamı taklit İkinci amaca ulaşmak için, korumak hücresiz ifade sistemleri, endojen Escherichia coli transkripsiyon için mekanizmalar daha doğru bir T7 RNA polimeraz transkripsiyonuna dayanan daha in vivo hücre dinamiklerini yansıtmak mümkün bulunmaktadır. Biz verimli bir endojen E. hazırlanmasını ve yürütülmesini tarif Benzer ticari sistemler için% 98 maliyet azaltma T7 bazlı sistemleri gibi protein eşdeğer miktarlarda üretmek coli göre transkripsiyon için (TX-TL) hücre içermeyen sentezleme sistemi. 4,5 tampon ve ham hücre ekstresinin hazırlanması vardır Bir yürütülmesi, hem de tarifÜç tüp TX-TL reaksiyonu. Tüm protokol hazırlamak için beş gün sürer ve bir hazırlık 3000'e kadar tek reaksiyonlar için yeterli malzeme verir. Hazırlandıktan sonra, her reaksiyon veri toplama ve analiz için kurulum 8 saat altında sürer. E. düzenleme ve transkripsiyon dışsal Mekanizmaları E. coli, örneğin, lak / tet baskılayıcılar ve T7 RNA polimeraz gibi, takviye edilebilir. mRNA ve DNA yıkımı oranları gibi 6 endojen özellikleri de ayarlanabilir. 7 TX-TL hücresiz sentezleme sistemi için gösterilmiştir geniş ölçek devre montaj, biyolojik olguları keşfetmek, hem T7-ve endojen yararlanıcı altında proteinlerin ifadesi. 6,8 Refakatçi matematiksel modelleri mevcuttur. 9,10 çıkan sistem bir prototip ortamı olarak sentetik biyoloji benzersiz uygulamaları vardır, ya da "TX- TL Biyomoleküler breadboard. "
Hücre içermeyen ifade teknolojisi T7 bakteriyofaj DNA kullanılarak bağlanmış transkripsiyon-çeviri mekanizmaları kapsayacak şekilde yıl sonra ilerleyen, tamamen öteleme gibi 1950'li yıllarda başladı. 11,12 O zamandan bu yana, sayısız çalışmalar ham hücre ekstresinin oluşturma (veya E optimize etmek için yapılmıştır . coli S30 ekstresi). 13,14 Bu optimizasyonlar ATP yenilenmesi veya zorlanma modifikasyonlar sayesinde hücre serbest protein sentezini uzatan, ve protokol süresini ve maliyetini azaltmak sayılabilir. 15-17 Alternatif hücre-özgür ifade sistemlerin var olduğunu ham petrol yerine kullanılması yeniden bileşenler ifadesi için hücre ekstresi. 5'te ham hücre ekstraktı ve yeniden oluşturma yöntemleri, her ikisi de ticari kullanım için geliştirilmiştir.
Sentetik biyoloji ile birlikte, mühendislik biyolojik modülleri ve devreleri test ve ifade etmek, iyi karakterize platformu için artan bir ihtiyaç vardır. 18,19 Bu platform olmalıçok yönlü, iyi karakterize, işlemek için basit ve kullanıcı tarafından sağlanan bileşenleri üzerinde duruldu. Yarım yüzyıl önce geliştirilmiş olmasına rağmen, hücre içermeyen sistemler E. dayalı Bu büyüme ve metabolizmasını karmaşıklığı olmadan hücresel süreçlerin vitro temsil basitleştirilmiş olarak coli özünde, bu gereksinimleri paylaşmaktadır. Ayrıca, E. in vivo çalışmalarında gelen temel bilginin tüm E. coli kolayca uygulanır coli hücre içermeyen sistemler.
Hücresiz ekspresyon sistemleri en hücresiz ifade sistemleri hedef bugüne kadar, sentetik biyoloji uygulamaları olabilir, ancak protein ve metabolit verim en üst düzeye çıkartılması olmuştur. Bu T7 promotörler ile tahrik dizilerinin T7 bakteriyofaj transkripsiyonunu kullanılarak gerçekleştirilir. 20 sentezleme etkili ve sağlam olmakla birlikte, bu sistemler bir çok özel bir amaca hizmet eder. Hücre düzenleme yöntemleri sınırlı, hedef DNA şablonları olmalıT7 promotörleri dahil yeniden yapılandırılmış ve bu ribozomal kompleksleri gibi bazı dizileri transkripsiyonu ve monte edilemez. 21,22 Mevcut hücre içermeyen ifade sistemleri endojen düzenleyici mekanizmalar, sentetik biyoloji için gerekli bir çok yönlülük koruyarak yüksek verim koruyamazlar.
Bu endojen bir E. geliştirdik Önceki sistemler tarafından gösterilen protein ifade etkinliğini korur, fakat sağlayarak ek yönlülük ekler coli hücre içermeyen ifade sistemi ifade ve (T7 ya da diğer) mekanizmalar iç ve dış iki göre düzenleme. Burada açıklanan protokol, ilk. Kigawa et al göre (2004) Liu et al. (2005), fakat önemli değişiklikler vardır. Bu, verimlilik artışı için Mg ve K-asetat üzerinde Mg-ve K-glutamat kullanır 2-merkaptoetanol kaldırır ve bir boncuk-çırpıcı kullanarak hücreleri lyses. 17,23,24 Boncuk-dayak homojenizasyon üzerinde seçilir,nedeniyle rekabet sistemlerine daha düşük maliyet ve benzer verimler basınç dayalı yöntemler, ya da sonikasyon. 23 3-fosfogliserik asit (3-PGA) bu kreatin fosfat ile karşılaştırıldığında daha üstün protein verimleri verdiği bulunmuştur olarak enerji kaynağı olarak kullanılır ve fosfoenolpiruvat. 4,25 Bizim sistemi ya da lamda-faj operatörleri ile bir sigma70 tabanlı bir promoter ya da başka ticari sistemlerinden verim benzer bir T7 promotörü tahrikli kullanılarak raportör protein 0.75 mg / ml 'ye kadar üretebilir. 4,6 beş gün gerekli tüm reaktifleri (Şekil 1) üretimi için gerekmektedir. Ayrıca, benzer ticari, hücre içermeyen sistemlere göre% 98 maliyet tasarrufu sağlar – malzeme maliyetleri işçilik (Şekil 2) dahil $ ile 0.26 arasında yükselir 10 ul reaksiyon başına 0,11 $ vardır.
Burada anlatılan endojen Escherichia coli tabanlı TX-TL hücre-özgür ifade sistem veri toplama kurmak daha az sekiz saat sürebilir kolay bir vadede üç tüp tepkidir. Tüm reaktifler oluşturma işlemi beş günlük süre toplam (sadece bir günde önemli emek şartlarına) gerektirir, ancak 3000 reaksiyonlar için ham özü üreten ve tampon verme 10000 reaksiyonları için reaktif (Şekil 1). Ayrıca, ham öz ve tampon verme reaktif bir hazırlama birden fazla kullanım için izin veren, -80 ° C de en az 1 yıl boyunca stabildir. 4, 10 ul reaksiyon başına 0,11 $ (işçilik dahil 0,26 $) olarak, maliyeti karşılaştırılabilir% 98'den daha düşüktür ticari sistemler (Şekil 2).
Bazı çözülmemiş sınırlamalar sisteme Bununla birlikte, var. Her bir ham hücre özütü hazırlama nihai verim, kullanıcı, yeterlilik ve çevre koşullarına göre değişebilir, ancak typical verim varyasyon% 5-10 (Şekil 4b) arasındadır. Bunun bir sonucu olarak, her iki uç noktası ifade ve ifade dinamikleri partiden partiye değişkenlik beklenemez. Özü oluşturma tam otomatik kadar özü tam olarak karakterize kadar veya bu varyasyonlar büyük olasılıkla kalacaktır. Hücre içermeyen sentezleme sistemi hassas bir kantitatif deneyler için kullanılan, bu ham hücre ekstresinin aynı toplu tüm deneyler çalıştırmak için tavsiye edilir. Tek bir ham hücre ekstraktı toplu, yaklaşık 3000 reaksiyonlar verimi tipik bir deney sahaları için yeterli olmalıdır. Biz varyasyon ölçeklendirme ve prosedürü otomatik silinebilir şüphelenmesine rağmen, bu tür girişimler önemli bir kaynak yatırımı içerecektir.
Uç-nokta temsil seviyelerini belirlemek üzere oldukça kolay olmasına rağmen, ayrıca, daha fazla iş hücre içermeyen bir sistem için esas anlayış dinamikleri yapılması gerekmektedir. Bilindiği gibi iki kaynak competition ve kaynak sınırlaması ifade dinamiklerini etkileyebilir. Örneğin, belirli endojen sigma 70. 9,27 Bununla birlikte, tam dinamik sistem kullanmak için anlaşılması gerekmez artan DNA şablonu nükleotid ya da amino asit tükenmesi edilene benzer bir ekspresyon profili üreten bir doyurulması rejimi neden olabilir. Verim saf artar, optimizasyon makine-öğrenme yaklaşımları ile yapılabilir. Kaynak rekabeti sınırlama ve 28 Sorular deneysel veriler kullanılarak doğrulandı matematiksel modellerle ele alınabilir.
Burada sunulan protokolü BL21-Rosetta2 suşu için optimize edilmiş, ancak diğer E. genellenebilir olduğunu coli suşları. Bu tür gen kodlayan boylam proteaz ve nadir tRNAs kodlayan genlerin ilavesinin giderilmesi gibi BL21-Rosetta2 modifikasyonlar, maksimum protein üretimi için izin verir. Biz diğer iki ekstresi suşları ile protokol çalıştılar – sadece BL21 ve BL21 trxA nakavt-and% 50 daha az protein verimi bulundu. Biz diğer suşları kullanırken verimleri benzer azalttığını varsayımında. Örneğin LB ve diğer zengin bakteri kültürü için 2xYT büyüme ortamını değiştirme gibi parametreler, diğer değişiklikler, azalmış protein verimle sonuçlandı.
Endojen ve eksojen transkripsiyon-çeviri makine ve regülasyon mekanizmalarını hem kullanan hücre-özgür ifade sistemleri protein ve metaboliti ifade hem de ve sentetik biyoloji geniş uygulamalar var. Yerine T7-regüle devreleri sınırlı olmak, bir karmaşık biyomoleküllerin üretiminde tasavvur edebilir 3,29 yerli E. bir karışımını kullanarak bir kullanıcı tarafından kontrol ortamda coli hızlandırıcılar ve dışsal olarak verilen transkripsiyon ve regülasyon mekanizmaları. Hücre bölünmesi ve metabolizma sınırlama olmaksızın, bu tür repressilator ya da bu üretim artemisinin gibi metabolik mühendislik yollarındaki gibi sentetik devrelerinde değişkenlik azalır ya da daha iyi anlaşılabilir. 30,31 Biz havE genetik anahtarları uygulamak için, yanı sıra sigma faktörü haciz anlamak için bu avantajları kullanılır 9,32 Bu teknoloji aynı zamanda "minimal" veya "yapay" hücrelerin omurgasını oluşturabilir -. küçük, iyi karakterize ve kendine yeterli somutlaşan birimleri özü. 33,34
Sonuçta, biz sentetik biyoloji için bir prototip ortamı olarak bu endojen hücre içermeyen ifade sisteminin derhal kullanımlar tahmin. Temel plazmiti, doğrusal ya da kimyasal olarak sentezlenmiş DNA üzerinde test döngüleri, bunu takiben– takma "TX-TL biyomoleküler deneyleri," hücre sentezleme sistemi içermeyen prototipleme mermi geçirebilmektedir sentetik devre sonunda in vivo ifadesi için tahsis edilmiş bir kontrol ortamı sağlar analizi ve hızlı bir modifikasyonu ile. Prototip mermi şu anda geliştirilmekte olan akıllı matematiksel modellerle destekli olabilir. Klonlama ve non-son devreler için vivo manipülasyon kaldırarak, biz engi tahmindisliği döngü süreleri yerine geçerli haftalık standart 1-3 gün azaltılmalıdır.
The authors have nothing to disclose.
Biz projenin erken aşamalarında yardım için Jongmin Kim, Dan Siegal-Gaskins, Anu Thubagere ve protokol düzene yardım için Enoch Yeung, ve Clare Chen ve Barclay Lee teşekkür ederim. Bu malzeme Yaşam Dökümü programı, sözleşme numarası HR0011-12-C-0065 (DARPA / CMO.ZZS da UCLA / Caltech Tıp Scientist tarafından desteklenen Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA / MTO) tarafından kısmen desteklenen çalışma üzerine kuruludur Eğitim Programı dostluk ve bir DoD, Bilimsel Araştırma, Milli Savunma Bilimi ve Mühendisliği Yüksek Lisans (NDSEG) Bursu, 32 CFR 168A Hava Kuvvetleri Ofisi., bu belgede yer alan görüş ve sonuçlar yazarlara aittir ve temsil olarak yorumlanmaması gerektiğini resmen politikaları, açıkça veya ima, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı veya ABD Hükümeti.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
2xYT | MP biomedicals | 3012-032 | |
3-PGA | Sigma-Aldrich | P8877 | |
ATP | Sigma-Aldrich | A8937 | |
Bacto-agar | BD Diagnostics | 214010 | |
Bead-beating tubes (polypropylene microvials) | BioSpec | 522S | |
Beads, 0.1mm dia. | BioSpec | 11079101 | |
BL21 Rosetta 2 E. coli strain | Novagen | 71402 | |
Bradford BSA Protein Assay Kit | Bio-rad | 500-0201 | |
cAMP | Sigma-Aldrich | A9501 | |
Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C1919 | |
CoA | Sigma-Aldrich | C4282 | |
CTP | USB | 14121 | |
Cuvettes, 1.5ml | Fisher | 14-955-127 | |
DTT | Sigma-Aldrich | D0632 | |
Folinic acid | Sigma-Aldrich | F7878 | |
GTP | USB | 16800 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H6147 | |
K-glutamate | Sigma-Aldrich | G1149 | |
Mg-glutamate | Sigma-Aldrich | 49605 | |
Micro Bio-Spin Chromatography Columns | Bio-Rad | 732-6204 | |
NAD | Sigma-Aldrich | N6522 | |
Nunc 384-well optical bottom plates | Thermo-Scientific | 142761 | |
Nunc sealing tape | Thermo-Scientific | 232701 | |
PEG-8000 | Promega | V3011 | |
Potassium phosphate dibasic solution | Sigma-Aldrich | P8584 | |
Potassium phosphate monobasic solution | Sigma-Aldrich | P8709 | |
RTS Amino Acid Sampler | 5 Prime | 2401530 | |
Slide-A-Lyzer Dialysis Cassettes, 10k MWCO (Kit) | Thermo-Scientific | 66382 | |
Spermidine | Sigma-Aldrich | 85558 | |
Tris base | Fischer | BP1521 | |
tRNA (from E. coli) | Roche Applied Science | MRE600 | |
UTP | USB | 23160 | |
1L Centrifuge Bottle | Beckman-Coulter | A98813 | This is specific for Avanti J-series; obtain equivalent size for centrifuge in use. |
4L Erlenmeyer Flask | Kimble Chase | 26500-4000 | |
Avanti J-26XP Centrifuge | Beckman-Coulter | 393127 | Or 1L-capable centrifuge equivalent. |
Forma 480 Orbital Shaker | Thermo Scientific | 480 | Or chest-size 6x4L shaker equivalent. |
JLA-8.1000 Rotor | Beckman-Coulter | 363688 | Or 1L-capable, 5000 x g rotor equivalent for centrifuge. |
Mini-Beadbeater-1 | BioSpec | 3110BX | |
Supplemental Material 1. Recipes for Items. Chloramphenicol, 34 mg/ml: Prepare 0.51 g chloramphenicol and add ethanol to 15 ml. Filter sterilize (0.22 μM), aliquot to 1 ml tubes, store at -20 °C for later use. 2xYT+P+Cm agar plate: Prepare 1.24 g 2xYT, 1.6 ml potassium phosphate dibasic solution @ 1 M, 0.88 ml potassium phosphate monobasic solution @ 1 M, 0.6 g agar, and water to 40 ml. Autoclave. Let cool to 50 °C and add 40 μl Cm. Aliquot 25 ml into a 100×15 mm petri dish, and let cool for an hour. 2xYT+P media: Prepare 124 g 2xYT, 160 ml potassium phosphate dibasic solution @1 M, 88 ml potassium phosphate monobasic solution @ 1 M, and water to 4 L. Aliquot out into 2×1.88 L and 0.24 L. Autoclave. Tris base, 2 M: Prepare 60.57 g Tris base and water to 250 ml. Sterilize, store at RT for later use. DTT, 1 M: Prepare 2.31 g DTT and water to 15 ml. Filter sterilize (0.22 μM), aliquot to 1 ml tubes, store at -20 °C for later use. S30A buffer: Prepare 10.88 g Mg-glutamate and 24.39 g K-glutamate, 50 ml Tris at 2M, acetic acid (to pH 7.7), and water to 2 L. Autoclave, store at 4 °C, add 4 ml 1 M DTT before use. S30B buffer: Prepare 10.88 g Mg-glutamate and 24.39 g K-glutamate, Tris at 2 M (to pH 8.2), and water to 2 L. Autoclave, store at 4 °C, add 2 ml 1 M DTT before use. HEPES: Prepare 1.91 g HEPES (MW 238.21), KOH (to pH 8), and water to 4 ml. tRNA: Prepare 30 mg of tRNA and water to 600 μl. CoA: Prepare 30 mg of CoA (MW 767.53) and water to 600 μl. NAD: Add 34.83 mg of NAD (MW 663.43), Tris at 2 M (to pH 7.5-8), and water to 300 μl. (Add 27 μl of Tris at 2 M to bring the solution to pH 7.5-8). cAMP: Add 42.80 mg of cAMP (MW 329.22), Tris at 2 M (to pH 8), and water to 200 μl. (Add 73 μl of Tris at 2 M to bring the solution to pH 8). Folinic Acid (33.9 mM): To 20 mg of solid folinic acid calcium salt (MW 511.5), add 1.15 ml water. Spermidine: Prepare 23.55 μl of spermidine (MW 145.25) and water to 150 μl. Prepare at room temperature after melting briefly at 37 °C. 3-PGA: Add 1.03 g of 3-PGA (MW 230.02), Tris at 2 M (to pH 7.5), and water to 3.2 ml. (Add 1.73 ml of Tris at 2 M to bring the solution to pH 7.5). Nucleotide Mix: Add 145 mg of ATP dipotassium salt dihydrate (MW 619.4), 133 mg of GTP disodium salt (MW 567.14), 79.4 mg of CTP disodium salt dihydrate (MW 563.16), 82.6 mg of UTP trisodium salt dihydrate (MW 586.12), KOH at 15% dilution (to pH 7.5), and water to 1.5 ml. (Add 353 μl of KOH at 15% dilution to bring the solution to pH 7.5). Supplemental Material 2. Bradford Assay.
See TXTL_e(template)_calibration_JoVE.xlsx. Supplemental Material 4. Cell-free expression run spreadsheet. See TXTL _JoVE.xlsx. |