A high-throughput assay for enzyme screening is described. This multiplexed ready-to-use assay kit comprises of pre-chosen Chromogenic Polymer Hydrogel (CPH) substrates and complex Insoluble Chromogenic Biomass (ICB) substrates. Target enzymes are polysaccharide degrading endo-enzymes and proteases.
Carbohydrates active enzymes (CAZymes) have multiple roles in vivo and are widely used for industrial processing in the biofuel, textile, detergent, paper and food industries. A deeper understanding of CAZymes is important from both fundamental biology and industrial standpoints. Vast numbers of CAZymes exist in nature (especially in microorganisms) and hundreds of thousands have been cataloged and described in the carbohydrate active enzyme database (CAZy). However, the rate of discovery of putative enzymes has outstripped our ability to biochemically characterize their activities. One reason for this is that advances in genome and transcriptome sequencing, together with associated bioinformatics tools allow for rapid identification of candidate CAZymes, but technology for determining an enzyme’s biochemical characteristics has advanced more slowly. To address this technology gap, a novel high-throughput assay kit based on insoluble chromogenic substrates is described here. Two distinct substrate types were produced: Chromogenic Polymer Hydrogel (CPH) substrates (made from purified polysaccharides and proteins) and Insoluble Chromogenic Biomass (ICB) substrates (made from complex biomass materials). Both CPH and ICB substrates are provided in a 96-well high-throughput assay system. The CPH substrates can be made in four different colors, enabling them to be mixed together and thus increasing assay throughput. The protocol describes a 96-well plate assay and illustrates how this assay can be used for screening the activities of enzymes, enzyme cocktails, and broths.
Techniques for mining genomes and metagenomes have developed rapidly in recent years, and so have medium- and high-throughput strategies for cloning and expressing recombinant enzymes. Furthermore, bioinformatic resources and associated depositories, such as (CAZy)1,2 have expanded greatly. However, there are considerable challenges inherent in the exploitation of microbial enzyme diversity for industrial purposes and the empirical determination of enzyme activities has now become a serious bottleneck. For example, it is estimated that, using current methods, we can safely predict the activities of no more than 4% of the proteins within the CAZy database. Although numerous methods are available for monitoring enzyme activities they all have some limitations. Well-established techniques based on chromatography combined with mass spectrometry are available for assessing the oligomeric fragments of glycosyl hydrolase (GH) activities3,4. However, these approaches are labor intensive and generally low-throughput. Methods based on the measurement of reducing sugars such as the dinitrosalicylic acid5 and Nelson-Somogyi6 assays are widely used for assessing GH activities. However, these assays have limited throughput and can be prone to side-reactions. Individual chromogenic polysaccharide substrates, such as azurine cross-linked (AZCL) are widely used for determination of enzyme activities, but purchasing all of the substrates separately and manually distributing the substrate powders within the assay plate can be cumbersome and costly7.
We have developed a new generation of chromogenic polymer hydrogel (CPH) substrates based on chlorotriazine dyes that, when used in conjunction with a 96-well filter plate, form a high-throughput assay system. Additional Insoluble Chromogenic Biomass (ICB) substrates were developed which provide information about substrate availability within complex polymer mixtures, such as those that exist in lignocellulosic biomass. Each substrate can be produced in one of four colors, and different colored substrates can be combined in a single well. In this protocol is shown that this methodology can be applied to a wide variety of polysaccharides and proteins and the potential for screening GHs, lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) and proteases. Specific protocols are provided for the use of 96 well plates and representative results illustrate the high efficiency of the CPH and ICB substrate kits as tools for enzyme screening.
One significant advantage of the assay kits described, regardless of the substrate, is that the kits are ready to use within 15 minutes, after the activation step. This eliminates the need for time-consuming assembly of the assay from raw substrate materials as it is the case with some other methods7. The CPH and ICB substrates have excellent storage (at least one year at room temperature), pH and temperature stability 8 and require no specialized equipment or training. The CPH or ICB assays are based on 96-well filter plate within which the reaction with the enzyme is conducted. If the enzyme is active with a given substrate, soluble dyed oligomers are generated, producing a colored supernatant which can then be filtered into a regular clear-well 96-well plate using a vacuum manifold or a centrifuge 8.
The substrates are dyed with chlorotriazine dyes which absorb in the visible spectrum (VIS) range and individual colors (red, blue, yellow and green) can be resolved using linear regression if different CPH substrates of different colors are mixed in a single well, and the enzyme acts on more than one substrate. The resulting plate with the supernatants can be measured using a standard microtiter-plate reader capable of measuring absorbance in the VIS range. Mixing different substrates with different colors in one well increases the throughput of the assay system, to a total of 384 experiments in a 96-well plate (4 different substrates of different colors per well).
CPH substrates provide a valuable tool for assessing the specific activity of an enzyme while ICB substrates are used to evaluate the capacity of an enzyme to digest a component within the context of complex substrate mixtures that enzymes usually encounter within biomass. Although ICB substrates do not provide information about individual enzyme specificities, they are nonetheless useful tools for assessing the commercial performance of enzymes, cocktails or broths.
Biz klorotriazin boyalar dayanmaktadır çok renkli CPH ve ICB yüzeylerde yeni nesil (Tablo 1 substratların tam listesi) kullanırken özel olarak tasarlanmış ticari tahlil kiti düzenlenmiş. Substratlann enzim sindirimi deney çözeltisi içinde tespit edilebilir ve bir plaka okuyucu 9 kullanılarak belirlenebilir küçük çözünür, boyanmış ürünleri elde edilir. Bu deney, endo -Oyunculuk enzimlerin değerlendirilmesi ve analiz duyarlılığı için tasarlanmış diğer yöntemler ekzo -Oyunculuk enzimler 11,12 için uygun iken Azurine çapraz bağlanmış (AZCL) kullanılarak bir 10 alt tabakalar benzerdir. CPH olarak ICB substratlar ekzo muhtemelen -enzymes tarafından da parçalanabilir olduğu gibi, bu deney kiti güçlüğü boyası ve çapraz bağlayıcı moleküller 8 kaynaklanan sterik engelleme ile endo -enzim aktivitesinin saptanması yer alır.
Tahlil bir 96-wel gerçekleştirilirl biçimi ve bireysel tepkiler kuyularda gerçekleşecek. Reaksiyon tekrarlanabilir verileri almak için plaka karıştırılmalıdır. Elde edilen süpernatanlar, her bir gözün absorbansı absorbans spektrometresi kullanılarak belirlenebilir ürün plakasına filtrelenmiştir. Temel ilkeler ve tahlilin düzeni deney alt-tabakalar ile bir deney plakasına (96 oyuklu filtre plakası) oluşur. Şekil 1 'de gösterilmektedir, ve enzimler ile inkübasyondan sonra, yüzer berrak oyuklu bir plakaya içinden süzülür ve absorbansları enzim özgüllük ve aktivite yarı kantitatif ölçümü sağlayan okunur. CPH substratlar kullanarak bu tarama deneyi, aynı zamanda çözünen reaksiyon ürünleri gece boyunca inkübasyondan sonra renkli bir hale oluşturarak bir agar plaka biçiminde kullanılabileceğini Bu gösterilmiştir. 8
gösterildiği gibi tahlil kitleri saflaştırılmış enzimler ve potansiyel yan aktivitelerini taranması için kullanılabilirŞekil 2,. Yan faaliyetlerinin tek bir enzim ve rasgele özgüllük değil, aynı zamanda analiz örneği, farklı enzimlerin bir karışımı ve bunların sinerjik etkisi incelenmesi gereken bir gerçeği ortaya çıkabilir. Bu önceki çalışmalarda gösterilmiştir Ek olarak, mantar 8 hem de endojen bitki enzimi ve bakteriler (yayınlanmamış veriler) gelen enzim kokteyl, bağırsak Mikrobiyota 13 ve kültür sıvılarında enzim kaynağı olarak kullanılabilir.
ICB substratların biyokütle arıza endüstriyel işlemlerde karşılaşılan hücre duvarı bileşenlerin kompleks karışımlarını arayabilir. Bu yüzeyler polisakkarit durumunu değerlendirmek ve etkin daha verimli bozulma çıkışı için bozulma kokteyller nasıl optimize hakkında bilgi sağlamak üzere tasarlanmıştır. Şekil l'de gösterilen gibi 3 CPH ve usulü üzerinden yüzeyler yan enzim tarama tarafında kullanılabilir – Enzim özgünlüğü ile ilgili bilgi zenginliği ortayaTercih edilen bir alt-tabaka (CPH) daha yakından doğa (ICB) bulunan bir makromoleküler düzeneği taklit tercih edilen alt-tabaka yanı sıra diğer bileşenleri içeren, daha doğal bir kompleksi içinde hem de D aktivitesi. Birden fazla renk kullanımı deneyinde yüksek verimlilik ve multiplexity arttırır çok substratlara karşı farklı enzim aktiviteleri eş zamanlı saptanması için izin verir. Farklı boyaların Spectra basit doğrusal regresyon ile ve çok substrat etkinliği tek başına görsel muayene ile görülebilir çoğu durumda çözülebilir. Bu tür bir deney ve sonuçlarının ardından bir örnek, Şekil 4'te gösterilmiştir.
Bu tahlil araç ve uygulama çok yönlülüğü çok iyi bilinmeyen faaliyetleri ile enzimler ve kültür sıvılarında ilk seviye taraması için uygundur. Bu testte en önemli yönleri, yüksek verimli yapısı, isteğe göre uyarlanabilirlik, kullanıcı ve esneklik kolaylığı vardır. akılda, w ileE araçları bu yeni seti büyük ölçüde iyileştirmek ve endüstriyel enzim tarama işlemleri yanı sıra akademik uygulamaları hızlandırmak inanıyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Biz mükemmel teknik yardım için filme onun laboratuarlara erişim sağlanan Prof. J. Paul Knox (Leeds University, İngiltere), ve Susan E. Marcus teşekkür etmek istiyorum. JS WallTraC projesi (Avrupa Komisyonu Yedinci Çerçeve Programı (hibe anlaşması yok kabul. 263916) ve 21. yüzyıl için proje Biyokütle (Yenilik vakıf Danimarka, dava no .: 103408) SKK SET4Future projesi (Danimarka Stratejik Araştırma Kurumu) teşekkür ediyor, Stratejik Araştırmalar, Teknoloji ve Yenilik (Hibe Davası no .: 0603-00522B) Danimarka Konseyi Danimarka Konseyi tarafından kurulan Bio-Değer Stratejik ve Kompleks Polisakkarit Sistemleri (Hibe Case enzimatik Parçalanma Anlamak için Biyoloji odaklı yaklaşım yok .:. finansman için 107.279) Bu yazıda, sadece yazarların görüşlerini yansıtmaktadır Avrupa Birliği burada ihtiva bilgilerin herhangi bir şekilde kullanılmasından sorumlu değildir..
assay kit plates | Glycospot | customized assay kit plates | |
activation solution | Glycospot | for activating CPH substrates | |
350 ml receiver plate spacer block for vacuum manifold | Pall Corporation | 5015 | spacer block |
96-well MultiScreen HV filter plate, 0.45 µm, clear, non-sterile | Millipore | MSHVN4510 | assay plate |
96-Well Microplates, Polypropylene | Greiner Bio-One | 651201 | collection plate after washing the substrates |
Nunc™ MicroWell™ 96-Well Microplates | Thermo Scientific | 269620 | product plate |
Diaphragm pump MZ 2 NT | Vacuubrand | 732000 | vacuum pump used with the vacuum manifold |
Infors HT Ecotron | Infors HT | 4950132 (Buch & Holm) | horizontal shaker |
SpectraMax M5 | Molecular Devices | 10067-750 (VWR) | 96-well plate absorbance reader |
Vacuum manifold | Pall Corporation | 5017 | vacuum manifold |
endo-cellulase (EGII) (Trichoderma longibrachiatum) | Megazyme | E-CELTR | cellulase [cel] |
endo-β-1,4-mannanase (Cellvibrio japonicus) | Megazyme | E-BMACJ | mannanase [man] |
endo-β-1,3-glucanase (Trichoderma spp.) | Megazyme | E-LAMSE | β-glucanase [glu] |
endo-b-1,4-D-galactanase (Aspergillus niger) | Megazyme | E-EGALN | galactanase [gal] |
endo-β-1,4-xylanase M4 (Aspergillus niger) | Megazyme | E-XYAN4 | xylanase [xyl] |
endo-xyloglucanase (GH5) (Paenibacillus sp.) | Megazyme | E-XEGP | xyloglucanase [xg] |
α-amylase (Bacillus licheniformis) | Megazyme | E-BLAAM | amylase [amy] |