Este protocolo de cinco dias descreve todos os passos, equipamentos e software suplementar necessário para a criação e execução de um Escherichia coli endógena eficiente baseado TX-TL livre de células sistema de expressão a partir do zero. Com reagentes, o protocolo leva 8 horas ou menos para configurar uma reação, coletar e processar dados.
Sistemas ideais de expressão isentos de células, pode, teoricamente, emular um ambiente celular in vivo de uma forma controlada em plataforma vitro. Uma Isto é útil para a expressão de proteínas e circuitos genéticos de uma forma controlada, bem como para proporcionar um ambiente de prototipagem por biologia sintética. 2,3 Para alcançar o segundo objetivo, sistemas de expressão livre de células que preservam endógeno Escherichia coli mecanismos de transcrição-tradução é capaz de refletir com mais precisão in vivo dinâmica celular do que aqueles baseados em T7 RNA polimerase de transcrição. Nós descrevemos a preparação e execução de um E. endógena eficiente 4,5 base coli transcrição-tradução (TX-TL) livre de células sistema de expressão que pode produzir quantidades equivalentes de proteína como sistemas baseados em T7 em uma redução de custos de 98% para os sistemas comerciais similares. A preparação de tampões e extrato celular bruto são descrito, bem como a realização de umtrês tubo de reacção TX-TL. O protocolo inteiro leva cinco dias para preparar e rende material suficiente para até 3000 reações individuais em uma preparação. Depois de preparado, cada reação leva menos de 8 horas de configuração para a coleta de dados e análise. Mecanismos de regulação e transcrição exógeno ao E. coli, tais como repressores lac / tet e T7 ARN polimerase, pode ser completada. 6 propriedades endógenas, tais como ARNm e as taxas de degradação de ADN, pode também ser ajustado. 7 O sistema de expressão isento de células TX-TL tem sido demonstrado para os grandes montagem escala circuito, explorando fenômenos biológicos, e expressão de proteínas em ambos os promotores T7 e endógenos. 6,8 modelos matemáticos de acompanhamento estão disponíveis. 9,10 O sistema resultante tem aplicações exclusivas em biologia sintética como um ambiente de prototipagem, ou "TX- placa de ensaio TL biomolecular ".
Expressão tecnologia sem celular começou na década de 1950 como puramente translacional, avançando anos mais tarde para incluir mecanismos de transcrição-tradução juntamente com DNA bacteriófago T7. 11,12 Desde então, foram feitos inúmeros esforços para otimizar a criação de extrato celular bruto (ou E extrato. coli S30). 13,14 Essas otimizações incluem prolongar a síntese de proteína livre de células através da regeneração de ATP ou modificações de tensão e reduzindo o tempo de protocolo e custo. existem 15-17 sistemas alternativos de expressão livre de celulares que usam reconstituído componentes em vez de bruto extracto de células para a expressão. 5 Ambos extracto celular bruto e métodos de reconstituição foram desenvolvidos para uso comercial.
Com o advento da biologia sintética, existe um aumento da necessidade para uma plataforma bem caracterizado para testar e expressar módulos e circuitos biológicas modificadas. 18,19 Esta plataforma tem de serversátil, bem caracterizada, simples de manipular, e focada em componentes fornecidos pelo usuário. Apesar de ter sido desenvolvido meio século antes, os sistemas livres de células baseado em E. coli intrinsecamente compartilhar esses requisitos, pois eles são uma representação simplificada em vitro de processos celulares, sem a complexidade de crescimento e metabolismo. Além disso, todo o conhecimento fundamental de trabalho em vivo em E. coli aplica prontamente para E. sistemas livres de células de E. coli.
Embora os sistemas de expressão livre de células pode ter aplicações em biologia sintética, até à data o objetivo da maioria dos sistemas de expressão livre de células tem sido a maximização de proteína e rendimento de metabólito. Isto é conseguido através da utilização do bacteriófago T7 de transcrição de sequências conduzidos pelos promotores de T7. 20 Embora a expressão eficiente e robusta, estes sistemas servem um propósito altamente especializado. Métodos de regulação celular são limitadas, modelos de DNA-alvo deve serredesenhado para incluir promotores T7, e certas sequências, como complexos ribossomais não pode ser transcrito e montado. 21,22 existentes sistemas de expressão livre de células são incapazes de manter altos rendimentos preservando mecanismos reguladores endógenos, a versatilidade necessária para a biologia sintética.
Nós desenvolvemos uma E. endógeno sistema de expressão de E. coli isento de células que mantém a eficiência da expressão proteica demonstrado pelos sistemas anteriores, mas adiciona versatilidade adicional, permitindo a expressão e regulação baseada em ambos (T7 ou outros mecanismos) endógeno e exógeno. O protocolo aqui descrito é baseado no Kigawa et al. (2004) e Liu et al. (2005), mas não tem modificações significativas. Ele utiliza-Mg e K-glutamato sobre Mg e K-acetato para o aumento da eficiência, remove 2-mercaptoetanol, e lisa células usando um talão-batedor. 17,23,24 Bead-surra é escolhido em detrimento de homogeneização,métodos baseados em pressão, ou de ultra-sons, devido ao seu menor custo e rendimentos comparáveis aos sistemas concorrentes. 23 ácido 3-phosphoglyceric (3-PGA) é utilizado como fonte de energia, uma vez que foi encontrada para dar rendimentos de proteína de qualidade superior quando comparada com o fosfato de creatina e fosfoenolpiruvato. 4,25 nosso sistema pode produzir-se de 0,75 mg / ml de proteína repórter usando um promotor à base de sigma70 com operadores lambda-fago ou um promotor de T7-driven, semelhante aos rendimentos de outros sistemas comerciais. 4,6 Cinco dias são necessárias para produzir todos os reagentes necessários (Figura 1). Além disso, proporciona uma redução de custos de 98% em comparação com os sistemas livres de células comerciais comparáveis - os custos de material são de US $ 0,11 por 10 mL de reação, que aumenta para $ 0,26 com mão de obra incluída (Figura 2).
TX-TL sistema de expressão livre de células baseado A Escherichia coli endógeno descrito aqui é uma reação fácil de executar três tubo que pode levar menos de oito horas de configurar a coleta de dados. O processo de criação de todos os reagentes exige cinco dias de tempo total (com exigências de trabalho significativas em apenas um dia), mas produz extrato bruto de 3.000 reações e buffer de tomada de reagentes para 10.000 reações (Figura 1). Além disso, o extrato bruto e buffer de tomada de reagentes são estáveis por pelo menos 1 ano a -80 ° C, o que permite usos múltiplos de uma preparação. 4 Por US $ 0,11 por 10 reação mL (0,26 dólar incluindo trabalho), os custos são 98% menores do que comparáveis sistemas comerciais (Figura 2).
Há algumas limitações não resolvidos, no entanto, para o sistema. A eficiência final de cada preparação de extracto celular bruto pode variar de acordo com a proficiência utilizador e das condições ambientais, apesar de tTípica variação de rendimento situa-se entre 5-10% (Figura 4b). Como um resultado disso, a variabilidade de lote para lote, em ambos expressão de ponto final e na dinâmica de expressão devem ser esperados. Essas variações provavelmente permanecerá até que o extrato é totalmente caracterizado ou até a criação de extrato é totalmente automatizado. Se o sistema de expressão isento de células é utilizado para conduzir as experiências quantitativas sensíveis, é aconselhável para executar todas as experiências com o mesmo lote de extracto celular bruto. O rendimento a partir de um único lote extracto celular em bruto, de cerca de 3000 reacções, deve ser suficiente para cursos experimentais típicos. Embora nós suspeitamos variação pode ser removido por ampliação e automatizar o procedimento, tais tentativas envolveria um investimento substancial de recursos.
Além disso, embora os níveis de expressão de ponto final são razoavelmente fácil de determinar, mais trabalho precisa ser feito de compreensão dinâmica intrínseca ao sistema livre de células. Sabe-se que tanto competitio recurson e limitação de recursos pode afetar a dinâmica de expressão. Por exemplo, Sigma endógena limitada 70 pode resultar em um regime de saturação com o aumento da produção de um molde de ADN de perfil de expressão análogo ao de depleção de nucleótidos ou de aminoácidos. 9,27 Contudo, dinâmica não tem que ser totalmente entendido a utilizar o sistema. Para aumentos puros de produtividade, otimização pode ser feito por métodos de aprendizado de máquina. 28 questões de concorrência de recursos e limitação pode ser dirigida por modelos matemáticos verificado utilizando dados experimentais.
O protocolo aqui apresentado é otimizado para uma cepa BL21-Rosetta2, mas é generalizável a outros E. coli. Modificações em BL21-Rosetta2, tais como a remoção do gene que codifica a protease lon e a adição de genes que codificam para tRNAs raros, para permitir que a produção de proteína máxima. Tentamos o protocolo com duas outras cepas de extrato – BL21 só e uma BL21 trxA nocaute-and encontrou 50% menos produção de proteína. Nossa hipótese é que os rendimentos da mesma forma diminuir quando se utiliza outras cepas. Outras mudanças nos parâmetros, como alternar meio de crescimento 2xYT para LB e outros caldos ricos, resultaram em produção de proteína diminuiu.
Sistemas de expressão livre de celulares que utilizam tanto endógenos e exógenos maquinaria de transcrição-tradução e mecanismos de regulação têm larga aplicação em proteínas e expressão de metabólitos e da biologia sintética. 3,29 Em vez de se limitar aos circuitos regulados-T7, pode-se imaginar a produzir biomoléculas complexas em um ambiente controlável pelo usuário usando uma mistura de E. nativa promotores de E. coli e os mecanismos de transcrição e regulação exogenamente fornecidos. Sem limitações de divisão celular e o metabolismo, a variabilidade em circuitos sintéticos, tais como o repressilator ou em vias metabólicas de engenharia, tais como aqueles que produzem artemisinina pode ser reduzida ou melhor compreendida. 30,31 Nós have usado essas vantagens para implementar interruptores genéticos, bem como para entender sigma fator seqüestro 9,32 Essa tecnologia também pode formar a espinha dorsal do "mínimo" ou células "artificiais" -. pequeno, bem caracterizados e unidades encarnados auto-suficientes de extrato. 33,34
Em última análise, nós antecipamos usos imediatos deste sistema de expressão livre de células endógenas como um ambiente de prototipagem para a biologia sintética. Apelidado de "TX-TL biomolecular placa de ensaio", o sistema de expressão isento de células fornece um ambiente controlado, onde circuitos sintéticos destinasse para a expressão in vivo pode ser submetido a ciclos de prototipagem – ciclos de ensaio com o plasmídeo básico, linear, ou ADN sintetizado quimicamente, seguido por análise e modificação rápida. Rounds prototipagem pode ser auxiliada por modelos matemáticos preditivos sendo desenvolvidos atualmente. Ao remover a clonagem e manipulação vivo para circuitos não-finais, prevemos engenhariatempos de ciclo nharia de ser reduzida para 1-3 dias em vez de padrão das correntes semanas.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos Jongmin Kim, Dan Siegal-Gaskins, Anu Thubagere, e Enoque Yeung de assistência racionalização do protocolo, e Clare Chen e Barclay Lee para a assistência nos estágios iniciais do projeto. Este material é baseado no trabalho apoiado em parte pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA / MTO) programa Viver Fundições, número do contrato HR0011-12-C-0065 (DARPA / CMO.ZZS é também apoiado por um cientista médico UCLA / Caltech Programa de Formação de comunhão e por um DoD, Força Aérea Escritório de Pesquisa Científica, Ciência de Defesa Nacional e de Pós-Graduação de Engenharia (NDSEG) Fellowship, 32 CFR 168. As opiniões e conclusões contidas neste documento são de responsabilidade dos autores e não deve ser interpretada como representando oficialmente as políticas, de forma expressa ou implícita, da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa ou do Governo dos EUA.
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. |