פוליפפטידים דמויי אלסטין הם biopolymers גירוי מגיב עם יישומים החל טיהור חלבון רקומביננטי לאספקת סמים. פרוטוקול זה מתאר את הטיהור ואפיון של פוליפפטידים כמו אלסטין והתכת פפטיד או חלבון שלהם מחיידקי Escherichia באמצעות שלב טמפרטורת פתרון מעבר ההתנהגות הקריטית נמוך יותר שלהם כאלטרנטיבה פשוטה לכרומטוגרפיה.
פוליפפטידים דמויי אלסטין הם biopolymers חוזר על עצמו כי תערוכת שלב טמפרטורת פתרון מעבר התנהגות קריטית נמוך יותר, קיים unimers מסיס כמתחת לטמפרטורת מעבר אופיינית וצבירה לתוך coacervates מיקרון בקנה המידה מעל לטמפרטורת המעבר שלהם. העיצוב של פוליפפטידים כמו אלסטין-ברמה הגנטית מאפשר שליטה מדויקת של הרצף שלהם ואורך, אשר מכתיב את תכונות התרמיות שלהם. פוליפפטידים דמויי אלסטין משמשים במגוון של יישומים, כולל biosensing, הנדסת רקמות, ואספקת סמים, שבו טמפרטורת המעבר ואדריכלות biopolymer של ELP יכולים להיות מכוונת ליישום הספציפי של עניין. יתר על כן, בשלב מעבר טמפרטורת פתרון הקריטי נמוך יותר ההתנהגות של פוליפפטידים כמו אלסטין-מאפשרת הטיהור שלהם על ידי תגובת התרמית שלהם, כך שcoacervation סלקטיבית שלהם וresolubilization מאפשר את הסרתם של שני מזהמים מסיסים ולא מסיסיםים הבא לידי הביטוי בEscherichia coli. גישה זו יכולה לשמש לטיהור פוליפפטידים כמו אלסטין-לבד או ככלי לטיהור להתכת פפטיד או חלבון שבו יכולים להיות מטוהרים פפטידים רקומביננטי או חלבונים גנטי צירפו תגי פוליפפטיד כמו אלסטין-בלי כרומטוגרפיה. פרוטוקול זה מתאר את הטיהור של פוליפפטידים כמו אלסטין והתכת פפטיד או חלבון שלהם ודן בשיטות אפיון בסיסיות על מנת להעריך את התנהגות התרמית של מוצרי פוליפפטיד כמו אלסטין טהורים.
פוליפפטידים דמויי אלסטין (ELPs) הם biopolymers המורכבת מVPGXG pentapeptide החוזר שבו X, שאריות האורחים, היא כל חומצת אמינו מלבד פרולין. טמפרטורת פתרון קריטית נמוך תערוכת ELPs (LCST) מעבר התנהגות שלב, כך שפתרון ELP הומוגנית יפריד לשני שלבים על חימום לLCST, הנקרא הטמפרטורה ההפוכה המעבר (t T) בספרות ELP 1 בדרך כלל. שני השלבים מורכבים של שלב מאוד לדלל ELP כדורית ושלב משקע עשיר ELP. המשקע העשיר ELP נוצר על לוח זמנים קצרים על צבירה של רשתות ELP לחלקיקים בגודל של מיקרון כי לאחר מכן להתגבש. התנהגות זו מתרחשת על פני טווח של כמה מעלות צלזיוס, והוא בדרך כלל הפיך, כפתרון הומוגני הוא התאושש לאחר ששב לטמפרטורה מתחת t T.
ELPs מסונתזים בדרך כלל בEscherichia coli (E. coli) לכאן ולכאןמ 'גן מלאכותי שגבעול לפלסמיד ביטוי. פלסמיד זה הפך לאחר מכן לתוך E. שורת תאי coli שהוא אופטימלי לביטוי חלבון. יש לנו להשתמש באופן בלעדי במערכת וקטור T7-Lac חיית המחמד לביטוי של מגוון גדול של ELPs בE. coli, למרות מערכות ביטוי אחרות בשמרים 2-4, פטריות 5, וצמחים 6-8 יש גם מנוצלים על ידי חוקרים אחרים. מספר גישות קיימות כדי גנטי לבנות גנים ELP חוזר על עצמו, כולל קשירה רקורסיבית כיוונית (RDL) 9, קשירה כיוונית רקורסיבית על ידי שחזור פלסמיד (PRE-RDL) 10, וחפיפת הגברה העיגול מתגלגלת סיומת (OERCA) 11. היכולת להנדס ELPs ברמה הגנטית מעניקה את ההזדמנות להשתמש בטכניקות ה-DNA רקומביננטי ליצור ELPs עם מגוון רחב של ארכיטקטורות (למשל, מונובלוקים, diblocks, triblocks, וכו '), אשר יכול להיות מצורף נוספת עם פונקציונליפפטידים וחלבונים. שליטה ברמה הגנטית גם מבטיחה כי כל ELP בא לידי ביטוי באורך ובהרכב מוכתב על ידי תבנית פלסמיד הגנטית שלו מדויקים, המספק מוצרי biopolymer monodisperse בצורה מושלמת.
תכונות התרמיות של כל ELP תלויים בפרמטרים מהותיים לbiopolymer כגון משקלה המולקולרי (MW) ורצף, כמו גם גורמים חיצוניים ובכלל זה הריכוז שלה בפתרון ואת הנוכחות של cosolutes האחר, כגון מלחים. אורכו של ELP 12 והרכב שאריות אורחיה 1, 13, 14 שני פרמטרים מאונך בעיצוב ELP שניתן להשתמש בם כדי לשלוט על t T, שבו שאריות אורח הידרופובי ואורכי שרשרת ארוכים יותר יביאו לים לא T נמוך יותר, ואילו הידרופילי שאריות אורח ואורך שרשרת קצרה יותר לגרום s t T גבוהה יותר. ריכוז ELP הוא ביחס הפוך לt T, שבו הפתרונות של גרלא צריך T נמוך של 12 ריכוז ELP האוכל. הסוג והריכוז של מלחים משפיעים גם לא ELP T, שבו ההשפעה של מלחים מלווה את סדרת הופמייסטר 15. אניוני Kosmotropic (Cl – וגבוה יותר על סדרת הופמייסטר) להפחית את t ELP T וריכוז מלח הגדלת משפר את האפקט הזה. יכולים להיות מכוון פרמטרים פנימיים וחיצוניים אלה כדי להשיג התנהגות תרמית בטווח טמפרטורות יעד שנדרש ליישום ספציפי של ELP.
הגירוי מגיב להתנהגות של ELPs שימושית למגוון רחב של יישומים, כולל biosensing 16, 17, הנדסת רקמות 18, ואספקת סמים 19, 20. בנוסף, כאשר ELPs הם התמזגו לפפטידים או חלבונים ברמה הגנטית, ELP יכול לשמש כתג טיהור פשוט לספק שיטה אצווה זולה לטיהור של פפ רקומביננטיגאות ושפל או חלבונים שאינם דורש כרומטוגרפיה 21. שינוי של תהליך הטיהור מבטיח כי הפעילות של פפטיד או החלבון התמזגו ELP נשמר. התכה פפטיד או ELP החלבון יכולה להיות מטוהרת ליישומים בהם תג ELP שימושי 22, 23 או לחלופין, כאשר נדרש פפטיד או החלבון החופשי, אתר הכרת פרוטאז יכול להיות מוכנס בין פפטיד או החלבון וELP. ההסרה של תג ELP אז יכולה להיות מושגת על ידי עיכול עם פרוטאז בחינם או היתוך ELP פרוטאז, שבו האחרונים מספק הקלות נוספות של עיבוד כמו סיבוב של טיהור ELP סופי יכול להפריד את התג ופרוטאז היתוך ELP ELP מפפטיד או היעד חלבון בשלב אחד 24, 25. הפרוטוקול הבא מתאר את הליך הטיהור לELPs והתכת פפטיד או ELP החלבון באמצעות תכונות התרמיות שלהם ודן בטכניקות בסיסיות לאפיוןתגובת התרמית של מוצרי ELP.
ELPs מציע אמצעי זול ונטולת כרומטוגרפיה של טיהור על ידי ניצול של גירוי תגובה שלב ההתנהגות שלהם. גישה זו מנצלת את LCST ההתנהגות של ELPs והתכת פפטיד או חלבון ELP לחסל שני מזהמים מסיסים ובלתי מסיסים לאחר הביטוי של ELPs מקודד גנטי בE. coli. קלות זו של טיהור יכולה לשמש לייצור ELPs עבור מגוון רחב של יישומים, או יכולה להיות מנוצלת לטיהור של פפטידים או חלבונים רקומביננטיים שבELP יכול לשמש תג טיהור שניתן להסיר עם עיבוד פוסט טיהור.
טיהור ELP כרוכה שלבים ראשוניים לlyse E. coli ולהסיר שאריות של תאי גנומי ובלתי מסיסים מlysate התרבות הגולמי (איור 1), ואחריו הסרת מזהמים מסיסים ובלתי מסיסים שיורית על ידי ITC (איור 2). צנטריפוגה לאחר מפעילה את מעבר ELP ידי addition של חום או מלח מפריד ELP ממזהמים מסיסים בsupernatant, בצעד המכונה חם ספין. לאחר resolubilizing ELP, הפתרון הוא centrifuged שוב בטמפרטורה מתחת t T כדי להסיר את גלולה המזהם מסיסה, בצעד המכונה ספין קר. לסירוגין ספינים חמים וקרים משפר את טוהר פתרון ELP עם כל מחזור, במחיר קטן להניב. תשואות טיהור להשתנות תלוי לא ELP T, האורך, ופפטידים או חלבונים התמזגו. בדרך כלל, פרוטוקול זה תשואות של ELP מטוהר 100 מ"ג לליטר E. תרבות coli, לעומת זאת תשואות יכולות להגיע עד 500 מ"ג / ל ' טוהר הסופי של מוצר ELP אושר על ידי-SDS (איור 3). מגה וואט של ELP המטוהרים צריכים להתאים עם MW התיאורטי המקודד על ידי גן ELP מקרוב. עם זאת, כמה ELPs להעביר ב- SDS עם MW לכאורה גבוה יותר עד 20% מ MW הצפוי 9, 27. ניתוח מדויק יותר של ELPיכול להיות מושגת על ידי MW MALDI-TOF-MS, אשר יכול גם לספק מידע נוסף על טוהר של מוצר ELP יחד עם טכניקות אנליטיות המאונכות כגון כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים גבוהים (HPLC).
לאחר טיהור, לא ELP T נמדד על ידי turbidimetry מתוכנתת טמפרטורה. טכניקה זו מנטרת את OD של פתרון ELP בעוד הטמפרטורה היא גדלה. T T הוא ריכוז תלוי ולכן רצוי לאפיין סדרת ריכוז רלוונטית ליישום המיועד של ELP. לELP homopolymers פרופיל העכירות מציג גידול חד חד שמתאים למעבר ELP מאגרגטים למיקרון בקנה מידת unimer (איור 4 א). T T מוגדר כטמפרטורה המתאימה לנקודת הפיתול בפרופיל העכירות, בדיוק כפי שנקבעה המקסימום של הנגזרת הראשונה של OD ביחס לטמפרטורה. ההפיכות שלשלב מעבר ELP אושר על ידי ירידה בOD לבסיס ככל שהטמפרטורה יורדת מתחת לt T (איור 4). פרופיל העכירות עם גדלה או קטן של רמפות טמפרטורה יהיה שונה בגודל וקינטיקה עקב שיקוע של coacervates ELP וhysteresis המשתנה של resolubilization ELP. התכה פפטיד או ELP החלבון דומה להפגין התנהגות LCST בדרך זו, בי פפטיד או החלבון התמזגו ELP משפיע t T. לחלבון ELP התכה המעבר הוא הפיך מתחת לטמפרטורת ההתכה של החלבון. בעוד turbidimetry מתוכנתת טמפרטורה היא שיטה מצוינת לאפיון התרמי הראשוני של מוצרי ELP, טכניקות חלופיות, כגון פער הסריקה calorimetry (DSC), יכול לשמש גם כדי למדוד את לא ELP T.
ELPs עם התנהגויות תרמית תערוכת ארכיטקטורות מורכבות יותר מורכבות יותר שיכול גם להיות מאופיינת בטמפרטורת prograturbidimetry mmed. קופולימרים diblock ELP, למשל, מציגים פרופיל עכירות אופייני המתאים להרכבה העצמית מופעל על הטמפרטורה שלהם למיצלות הכדורית בטמפרטורת micellization הקריטית שלהם. לקופולימרים diblock ELP כגון OD מגדיל 0.1-0.5 יחידות מעל בסיס המציינות את המעבר מunimers למיצלות, לאחר שעלייה חדה בOD (עד 2.0 יחידות מעל הבסיס) בטמפרטורה גבוהה יותר מצביעה על היווצרות של מיקרון בקנה מידה בדרך כלל ראשון אגרגטים (איור 5 א). מידע נוסף על מבני ELP עצמיים התאסף-מופעל על טמפרטורה שהושג עם DLS, טכניקה המודדת את H R של מכלולי ELP בתמיסה. שינויים בR H מסכימים עם שינויים בOD נמדדו עם turbidimetry (איור 5) באופן הדוק. unimers ELP בדרך כלל מפגין H R <10 ננומטר בעוד מכלולי nanoparticle תערוכת H R ~ 20-100 ננומטר ואגרגטים תערוכה H R </suב >> 500 ננומטר. מידע נוסף על חלקיקי ELP עצמי התאספו, כגון מספר צבירה ומורפולוגיה, ניתן להשיג על ידי פיזור אור סטטיים או במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים קריוגני 17, 23, 29.
בשל tunability של תכונות תרמיות ELP, מגוון של T T מתקבל על ידי עיצובי ELP שונים. חשוב לזכור כי לא T הגלום תשפיע על אופטימיזציה של פרוטוקול הטיהור עבור כל ELP, שבו ים לא T נמוך מאוד או גבוה ידרוש רוב השינוי לפרוטוקול הסטנדרטי הזה. ELPs עם מעבר לטמפרטורות גבוהות במיוחד עלולה להיות בלתי מתאים לטיהור עם גישה זו. אם העיצוב של ELPs רומן והתכת פפטיד או ELP החלבון עלול לפגוע בתגובת התרמית של ELP, תג היסטידין פשוט יכול להיכלל לטיהור חלופית על ידי זיקת כרומטוגרפיה מתכת משותקת. בנוסף,מאפיינים של רצף ELP עשויים לדרוש שינוי של פרוטוקול זה אם שאריות האורח טעונה. מניפולציה של ה-pH החיץ יכולה לשמש כאמצעי לשנות את תשלום הכולל של ELP במאמץ לחסל את האינטראקציות אלקטרוסטטיות עם מזהמים 17. יתר על כן, פרוטוקול זה מתאים לנסיבות המיוחדות של התכה ELP עם פפטידים וחלבונים כאשר אמצעים מתאימים ננקטו כדי להבטיח את תהליך הטיהור לא להפריע לפעילות של מחצית התמזגו. הערות לאורך כל הפרוטוקול על שינויים כאמור לשרת לכוון את הטיהור של ELPs שעלול להציג אתגרים אלה ביחס לt T, פריצה, או חששות היתוך.
טיהור ELPs באמצעות LCST התנהגותם מציגה גישה פשוטה ונטולת כרומטוגרפיה לטהר את רוב ELPs והתכת פפטיד או ELP החלבון מתבטא בE. coli. הפרוטוקול סיכם כאן מתיר o טיהורו ELPs ביום אחד תוך שימוש בציוד המשותף למרבית מעבדות הביולוגיה. הקלות של טיהור ELPs והשילובים שלהם, אנו מקווים, לעודד גיוון ההולך וגדל של עיצובי ELP עבור יישומים חדשים במדע חומרים, ביוטכנולוגיה, ורפואה.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי Research Triangle MRSEC של NSF (DMR-1,121,107).
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. |