Escherichia coli-cel-Free eiwitsynthese gebaseerd: protocollen voor een robuuste, flexibele en toegankelijk platformtechnologie

Cel-vrij proteïne synthese (GVB) heeft ontpopt als een technologie die heeft een aantal nieuwe mogelijkheden voor de productie van eiwitten, functionele genomica, Metabole engineering en meer in de laatste 50 jaar^1,2ontgrendeld. In vergelijking met standaard in vivo eiwit expressie platformen, GVB biedt drie belangrijke voordelen: 1) de cel-vrije aard van het platform mogelijk maakt de productie van eiwitten dat zou potentieel giftige of vreemd aan de cel^{3,4 ,5,6}; 2) inactivatie van genomic DNA en de invoering van een sjabloon DNA codering van de gene(s) van belang kanaal alle systemische energie binnen de reactie op de productie van de expressie gebrachte eiwitten van belang; en 3) het open karakter van het platform kan de gebruiker wijzigen en controleren van de omstandigheden en de samenstelling in real-time^7,8. Deze directe toegang tot de reactie ondersteunt de vergroting van biologische systemen met uitgebreide oplossingen en redox voorwaarden voor de productie van nieuwe eiwitten en de afstemming van metabole processen^{2,9, 10}. directe toegang maakt het ook mogelijk de gebruiker aan het combineren van de GVB-reactie met activiteit testen in een één-pot-systeem voor een snellere design-build-test cycli¹¹. De capaciteit om te voeren van de GVB-reactie in klein volume druppels of op papier gebaseerde apparaten verder ondersteunt high-throughput ontdekking inspanningen en snelle prototyping^{12,13,14,15 ,16}. Als gevolg van deze voordelen en de plug en play-aard van het systeem, GVB uniek heeft een scala aan biotechnologische toepassingen zoals de productie van eiwitten die moeilijk te solubly snel in vivo^{17, 18,19,20}, opsporing van ziekte^21,22,23, op vraag biomanufacturing^{18,24 ,25,26,27}, en onderwijs^28,29, die allemaal Toon de flexibiliteit en bruikbaarheid van de cel-vrije platform.

GVB systemen kunnen worden gegenereerd uit een verscheidenheid van ruwe lysates van beide cellijnen prokaryote en eukaryote. Dit zorgt voor diverse opties in het systeem van keuze, die elk voor- en nadelen, afhankelijk van de toepassing van belang zijn. GVB systemen ook variëren sterk in voorbereidingstijd, kosten en productiviteit. De meeste vaak gebruikt cel extracten worden geproduceerd van tarwekiemen, konijn Retikulocyt, insect cellen en Escherichia coli cellen, met de laatste is de meest kosteneffectieve tot nu toe terwijl de productie van de hoogste volumetrische opbrengst van eiwit³⁰ . Terwijl andere systemen GVB kunnen nuttig zijn voor hun aangeboren posttranslationele wijziging-machinery, opkomende toepassingen met behulp van de E. coli-gebaseerde machines zijn in staat de kloof te overbruggen door het genereren van site-specifically gefosforyleerd en geglycosyleerde eiwitten op vraag^{31,32,33,34,35}.

GVB reacties kunnen worden uitgevoerd in een batch, continu-uitwisseling cel-vrij (CECF) of continue-stroom cel-vrij (CFCF) formaten. De batch-indeling is een gesloten systeem waarvan reactie levensduur beperkt als gevolg van de afnemende hoeveelheid reactanten en de accumulatie van remmende bijproduct van de reactie is. CECF en CFCF methoden verhogen de levensduur van de reactie, en daardoor leiden tot verhoogde volumetrische eiwit rendementen ten opzichte van de batch-reactie. Dit wordt bereikt doordat de bijproducten van de eiwitsynthese te worden verwijderd uit het reactievat, terwijl nieuwe reactanten worden geleverd in de loop van de reactie². In het geval van CFCF, kan de proteïne van belang ook worden verwijderd uit de zaal reactie, terwijl in de CECF, de proteïne van belang blijft in de zaal van de reactie van een semi-permeabel membraan^36,37samengesteld. Deze methoden zijn vooral waardevol zijn bij het overwinnen van arme volumetrische opbrengst van moeilijk-aan-express proteïnen van belang^{38,39,40,41,42, 43}. De uitdagingen bij de uitvoering van de CECF en CFCF benaderingen zijn dat 1) terwijl ze leiden een efficiënter gebruik van de bio-machine verantwoordelijk voor transcriptie en vertaling tot, zij vereisen met name grotere hoeveelheden van reagentia die een toename van de totale kosten en 2) ze vereisen meer complexe reactie opstellingen en gespecialiseerde apparatuur ten opzichte van de batch formaat⁴⁴. Met het oog op toegankelijkheid voor nieuwe gebruikers, beschreven de protocollen hierin focus op het formaat van de partij bij reactie volumes van 15 µL met specifieke aanbevelingen voor het verhogen van het volume van de reactie op de schaal van de milliliter.

De hier vermelde methoden niet-deskundigen met basic Labor vaardigheden (zoals studenten) inschakelen voor de uitvoering van de celgroei, uitpakken van de voorbereiding en batch formaat reactie setup voor een e-coli-gebaseerde systeem van het GVB. Deze aanpak is rendabel commercieel beschikbare kits t.o.v. zonder in te boeten op het gemak van kit gebaseerde reactie setup. Deze aanpak maakt bovendien toepassingen in het laboratorium en in het veld. Bij de beslissing om de implementatie van GVB, moeten nieuwe gebruikers grondig evalueren de werkzaamheid van conventionele eiwit expressiesystemen voor opstarten investeringen, zoals GVB niet kan superieur in ieder geval. De hier beschreven methoden voor het GVB zodat de gebruiker direct om een verscheidenheid van toepassingen, met inbegrip van functionele genomica, high-throughput testen, de productie van eiwitten die hardnekkige voor in vivo expressie, evenals veld zijn toepassingen met inbegrip van biosensoren en educatieve kits voor synthetische biologie. Extra toepassingen zoals Metabole engineering, afstemming van eiwit expressie voorwaarden, opsporing van de ziekte, en schaal-up met behulp van CECF of CFCF methoden zijn nog steeds mogelijk, maar wellicht ervaring met het GVB-platform voor de verdere wijziging van de reactie voorwaarden. Onze methoden combineren groei in de verrijkte media en verbijsterd kolven, met relatief snelle en reproduceerbare methoden van lysis van de cel via ultrasoonapparaat, gevolgd door een vereenvoudigde GVB reactie setup dat gebruik maakt van geoptimaliseerde premixen⁴⁵. Terwijl de cellulaire groei methoden hebben enigszins worden gestandaardiseerd op dit gebied, lopen methoden voor lysis van de cel sterk uiteen. Naast ultrasoonapparaat omvatten gemeenschappelijke lysis methodes gebruik van een Franse pers, een homogenizer, kraal drijvers, of lysozym en andere verstoring van de biochemische en fysische methoden^{46,47,48, 49}. met behulp van onze methoden ongeveer 2 mL van ruwe cel extract worden verkregen per 1 liter van cellen. Deze hoeveelheid cel extract kan steunen vier honderd 15 µL GVB reacties, elke producerende ~ 900 µg/mL verslaggever sfGFP eiwit uit de sjabloon plasmide pJL1-sfGFP. Deze methode kost $0.021/µg sfGFP geproduceerd ($.019/µL van reactie), exclusief de kosten van arbeid en uitrusting (aanvullende figuur 1). Vanaf de nul, deze methode toegepast kunnen worden in 4 dagen door een enkele persoon en herhaal GVB reacties kunnen worden voltooid binnen uur (Figuur 1). Bovendien kan het protocol worden opgeschaald in volume voor grotere partijen reagens voorbereiding aan de behoeften van de gebruiker. Nog belangrijker is, kan het protocol gepresenteerd hier toegepast worden door laboratorium opgeleid niet-deskundigen zoals Voorgraadse studente, zoals zij alleen basic Labor vaardigheden vereist. De hieronder beschreven procedures, en de begeleidende video zijn specifiek ontwikkeld ter verbetering van de toegankelijkheid van de E. coli GVB platform voor breed gebruik.