Summary

Espressione ricombinante Cellulase Cel5A da<em> Trichoderma reesei</em> In piante di tabacco

Published: June 13, 2014
doi:

Summary

Piante di tabacco sono stati usati per produrre una cellulasi fungine, TrCel5A, tramite un sistema di espressione transiente. L'espressione potrebbe essere monitorato utilizzando una proteina di fusione fluorescente, e l'attività della proteina è stata caratterizzata post-espressione.

Abstract

Enzimi degradanti Cellulosa, cellulasi, sono obiettivi sia di ricerca e di interessi industriali. La preponderanza di questi enzimi in-a-cultura difficili organismi, come funghi ife costruzione e batteri anaerobici, ha accelerato l'uso di tecnologie ricombinanti in questo campo. Metodi di espressione pianta sono un sistema desiderabile per la produzione su larga scala di enzimi e altre proteine ​​industrialmente utili. Qui, sono dimostrati metodi per l'espressione transitoria di un endoglucanasi fungina, Trichoderma reesei Cel5A, in Nicotiana tabacum. Espressione della proteina successo è mostrato, monitorato mediante fluorescenza utilizzando una proteina di fusione mCherry-enzima. Inoltre, una serie di test di base sono utilizzati per esaminare l'attività di transitoriamente espresso T. reesei Cel5A, compresi SDS-PAGE, Western blotting, zimografia, nonché fluorescenza e substrato saggi degradazione dye. Il sistema qui descritto può essere usato per produrre una cella attivaulase in un breve periodo di tempo, in modo da valutare il potenziale di ulteriore produzione in impianti attraverso sistemi di espressione costitutiva o inducibile.

Introduction

La degradazione della biomassa lignocellulosica e la sua conversione in combustibile liquido è stato immaginato come un metodo per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Un ostacolo importante nella realizzazione di sistemi di elaborazione biomassa economicamente realizzabili è nella degradazione enzimatica della cellulosa ed emicellulosa 1. Sistemi di espressione vegetali mostrano un grande potenziale per la produzione di enzimi su scala industriale. Sistemi agricoli ad impianti di raccolta economicamente e di volume sono già stabiliti, come lo sono stati per migliaia di anni. La produzione di cellulasi in piante è desiderabile a causa di fattori come la facilità di autohydrolysis 2, e la possibilità di massimizzare l'uso degli enzimi inferiori aumentando la digeribilità delle pareti cellulari vegetali 1. Infine, sistemi vegetali consentono il targeting di proteine ​​ricombinanti ad aree specifiche di cellule vegetali e sono in grado di modificare posttranslationally enzimi ove richiesto 3.

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Nicotiana tabacum (tabacco) è molto comunemente usato come organismo modello per studi di espressione di proteine ​​eterologhe in piante, a causa della sua crescita e biomassa rapidi caratteristiche di accumulo 4. Espressione transiente di proteine ​​ricombinanti è una tecnica che permette la produzione di proteine ​​in brevi periodi di tempo 5, pur mantenendo la flessibilità nella localizzazione e quindi modificazioni post-traduzionali delle proteine ​​selezionate, cioè cellulasi. Ciò consente la produzione di cellulasi (s) per analisi di base, ponendo contemporaneamente le basi per ulteriori strategie di espressione in piante. Utilizzando tale strategia espressione transitoria, un'endoglucanasi da glicosil idrolasi famiglia 5, Cel5A, derivato dal ospitante fungina Trichoderma reesei (Hypocrea jecorina) 6 è prodotta (di seguito denominato TrCel5A). TrCel5A è una proteina di kDa 42 che è nativo glicosilata ed è molto attivo in HYDroylzing catene di cellulosa 7.

La tecnica espressione transiente qui descritto è basato su un sistema relativamente comunemente usato, infiltrando la pianta lascia con Agrobacteria porta il gene di interesse in un vettore di espressione appropriato. Per consentire una rapida analisi di successo nell'espressione planta, TrCel5A può anche essere espresso come proteina di fusione con mCherry, una proteina fluorescente monomerica originariamente derivato da Discosoma sp. Proteine ​​DsRed 8, con l'aggiunta di sei residui di istidina (His-tag) fusi a il C-terminale (TrCel5A-mCherry). L'espressione della proteina di fusione eterologa, TrCel5A-mCherry, può quindi essere monitorato all'interno della pianta che cresce utilizzando luce verde per esaminare mCherry dispersione. Se lo si desidera, sezioni sottili di materiale vegetale può essere esaminato sotto luce verde al microscopio per stabilire la localizzazione specifica della proteina. Per questo lavoro, segnale e transit peptidi sono stati incorporati nel costrutto, di localizzare la proteina eterologa esportazione verso il reticolo endoplasmatico 9.

Per analizzare l'attività di cellulasi vegetali espresse, compreso TrCel5A, una serie di prove di attività cellulasi può essere eseguito. Dopo l'estrazione del totale delle proteine ​​vegetali solubili, TrCel5A può essere parzialmente purificato utilizzando una tecnica di incubazione termica. Dimensione proteina viene stabilita tramite SDS-PAGE seguita da Western blotting. Zimografia può essere utilizzato per analizzare l'attività contro substrati, ad esempio cellulosa che è stato carbossi-metilato (rendendo carbossimetil cellulosa: CMC) per solubilità 10. Attività cellulasi e glucosidasi può essere monitorato utilizzando il fluoroforo 4-metilumbelliferil (4-MU) associata a β-D-cellobioside (combinato: 4-MUC). Un altro metodo per valutare l'attività di endoglucanasi prevede l'analisi spettrometrica di CMC che è stata associata con un azo-dye (Remazolbrilliant Blu R) 11. Inoltre, l'attività della proteina di entrambi endoglucanasi e una gamma di cellulasi può essere monitorato mediante l'uso di un test di analisi zucchero, come l'idrazide p-idrossi benzoico (PAHBAH) saggio 12. Queste tecniche possono essere utilizzate per chiarire e quantificare l'attività della cellulasi espressa di interesse.

Protocol

1. Crescita di Wild Type N. tabacum Piante Per crescere N. tabacum L. cv. Piante Petit Havana SR1 sul suolo, luogo semi del tabacco su pentole adeguate riempiti con normale terriccio per la germinazione. Dopo 2 settimane, il trasferimento piantine ai singoli vasi. Incubare le piante in una serra con costante di 22 ° C (periodo buio) o 25 ° C (periodo di luce) e 70% di umidità relativa dell'aria. Fornire illuminazione in un 16/8 ore di luce / buio ciclo (ad esempio Philips IP6…

Representative Results

TrCel5A e TrCel5A-mCherry sono stati espressi con successo in piante di tabacco usando il sistema di espressione transiente (Figure 1A e 1B). L'esame del modello di espressione della proteina di fusione TrCel5A-mCherry rivelato foglie sane (Figura 1C), che ha mostrato un'ampia espressione proteica sotto luce verde (Figura 1D). Estrazione delle proteine ​​solubili totali è stata eseguita su piante di tabacco che …

Discussion

Espressione ricombinante di cellulasi è un campo di grande interesse, a causa del desiderio di più efficienti sistemi di produzione di biocarburanti 1. Le piante offrono molte possibilità per la produzione di cellulasi successo, con caratteristiche come le tecniche di raccolta economica e metodi autohydrolysis essendo proprietà molto desiderabili per la produzione di biocarburanti su larga scala. Inoltre, l'uso di diverse localizzazioni per la produzione di proteine ​​consentire, se necessario, mo…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dal BMBF Forschungsinitiative "BioEnergie 2021 – Forschung für die Nutzung von Biomasse" e il Cluster di eccellenza "Combustibili su misura da biomassa", che è finanziato attraverso l'iniziativa di eccellenza da parte dei governi federali e statali tedesche per promuovere la scienza e di ricerca presso università tedesche.

Materials

4-methylumbelliferyl β-D-cellobioside SIGMA-ALDRICH M6018
Acetic acid ROTH 3738
Acetosyringon (concentrated) ROTH 6003
Antibiotic – kanamycin ROTH T832
Antibiotic – rifampicin ROTH 4163
Antibiotic – carbenicillin ROTH 6344
Antibody – rabbit anti His(6) pAb ROCKLAND 600-401-382
Antibody – goat anti rabbit AP, FC pAb DIANOVA 111-055-008
Azo-carboxymethyl cellulose MEGAZYME S-ACMC
β-cyclodextrin SIGMA-ALDRICH C4805
Calcium chloride dihydrate SIGMA-ALDRICH C5080
Carboxymethyl cellulose ROTH 3333.1
Cellulase from Trichoderma reesei ATCC 26921 SIGMA-ALDRICH C2730
Congo red SIGMA-ALDRICH 75768
Coomasie brilliant blue G 250 ROTH 9598.2
D(+)-glucose ROTH 8337
Ethanol ROTH K928
Filter paper – Rotilabo blotting paper ROTH CL67
NBT/BCIP SIGMA-ALDRICH 72091
MES buffer ROTH 4256
Methanol ROTH 8388
Sodium citrate ROTH 3580
Sodium dodecylsulfate SERVA 20765
Sodium hydroxide ROTH 6771
Soil, Einheitserde classic  PATZER GMBH
Spectrometer – Infinite M200 TECAN
Sucrose SIGMA-ALDRICH S-5390
4-Hydroxy benzhydrazide  SIGMA-ALDRICH H9882
Phosphate buffered saline ROTH 1058
UV light source – BLAK RAY UVP
Vibratome – VT1000S Leica

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Garvey, M., Klinger, J., Klose, H., Fischer, R., Commandeur, U. Expression of Recombinant Cellulase Cel5A from Trichoderma reesei in Tobacco Plants. J. Vis. Exp. (88), e51711, doi:10.3791/51711 (2014).

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