JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biochemistry

OaAEP1-תיווך אנזימטית והשתק של חלבון פלסטריזציה לספקטרוסקופיית מולקולות יחיד

Published: February 05, 2020
doi:
10.3791/60774
, , , , , ,
1State Key Laboratory of Coordination Chemistry, School of Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול המשלים מונומר חלבון על ידי אנזימים היוצרים פולימר פולימרי עם רצף מבוקר ומשתק אותו על פני השטח עבור לימודי מולקולה בודדת של כוח ספקטרוסקופיית.

Abstract

טכניקות כימיות וביו-קוניוגציה פותחו במהירות בשנים האחרונות ומאפשרות לבניית פולימרים של חלבונים. בכל אופן, תהליך של חלבון מבוקר. הוא תמיד אתגר בשלב זה פיתחנו מתודולוגיה אנזימטית לבניית שליטת החלבון צעד אחר צעד ברצף הנשלט באופן רציונלי. בשיטה זו, C-טרמינוס של מונומר חלבון הוא NGL עבור הקוניוגציה חלבון באמצעות OaAEP1 (Oldenlandia נדיה affinis asparaginyl endop) 1) בעוד N-טרמינוס היה tev בקליקל (וירוס איכול טבק) באתר מחשוף ועוד L (ENLYFQ/GL) להגנה זמנית N-terminal. כתוצאה מכך, OaAEP1 הייתה מסוגלת להוסיף רק מונומר חלבון אחד בכל פעם, ואז פרוטאז TEV ביקעה את ה-N-טרמינוס בין Q ו-G כדי לחשוף את NH2-בסדר-Leu. ואז היחידה מוכנה. לOaAEP1 הבאה פוליפרוטאין מהונדס נבדק על ידי מתחם חלבון בודד התפתחות באמצעות מיקרוסקופ כוח אטום מבוססי כוח מולקולה בודדת ספקטרוסקופיה (AFM-SMFS). לכן, מחקר זה מספק אסטרטגיה שימושית עבור הנדסת פוליפרוטאין ו השתק.

Introduction

לעומת פולימרים סינתטיים, טבעי מרובת תחומים חלבונים יש מבנה אחיד עם מספר מבוקרת היטב סוג של תת תחומים1. תכונה זו מובילה בדרך כלל לשיפור תפקוד ביולוגי ויציבות2,3. גישות רבות, כגון מבוססי cysteine קשר קשר דיסולפידי בונד וטכנולוגיית ה-DNA רקומביננטי, פותחו לבניית חלבון כזה פולימרין עם תחומים מרובים4,5,6,7. עם זאת, השיטה הקודמת תמיד גורמת לרצף אקראי ובלתי מבוקר, והאחרון מוביל לבעיות אחרות, כולל הקושי להבעת היתר של חלבונים רעילים בגודל גדול וטיהור של חלבון מורכב עם קופקטור ואנזימים עדינים אחרים.

כדי לענות על האתגר הזה, אנו מפתחים שיטה אנזימטית אשר מעלה באוב חלבון מונומר ביחד עבור פולימר/פוליפרוטאין בצורה מעניינת בעזרת ליגאז חלבון OaAEP1 בשילוב עם פרוטאז tev8,9. OaAEP1 הוא endopeptidase קפדנית ויעילה. שני חלבונים יכולים להיות מקושרים בעקשנות כמו הרצף Asn-לי-Leu (NGL) דרך שני termini על ידי OaAEP1 בתוך פחות מ 30 דקות אם הטרמינוס N-Leu משקעים (GL) והשני שבו C-טרמינוס הוא שאריות NGL10. עם זאת, השימוש OaAEP1 רק כדי לקשר מונומר חלבון מוביל לפולימר חלבון עם רצף בלתי מבוקרת כמו שיטת הזיווג המבוסס cysteine. לכן, אנו לעצב את N-הטרמינוס של יחידת החלבון עם האתר של TEV פרוטאז נשלף בתוספת שאריות לאוצין כמו ENLYFQ/G-L-לפוי. לפני המחשוף של TEV, ה-N-terminal לא ישתתף בOaAEP1. ואז שאריות GL ב-N-טרמינוס, אשר תואמים OaAEP1 ליטל נוסף, נחשף לאחר מחשוף TEV. לפיכך, השגנו שיטה ביוסינתזה אנזימטית רציפה של פוליפרוטאין עם רצף מבוקר יחסית.

כאן, שיטת הסינתזה הצעדיטית שלנו יכולה לשמש בהכנה לדגימת פוליפרוטאין, כולל מבוקרת רצף ובלתי מבוקרת, ומשתק חלבונים גם למחקרים חד-מולקולות, במיוחד למערכת המורכבת כגון מטאלופרוטאין.

יתר על כן, ניסויים AFM מבוססי מאפשר לנו לאשר את הבנייה פולימר חלבון בנייה ויציבות ברמה חד מולקולה. מולקולה בודדת ספקטרוסקופיית כוח, כולל afm, הטוויטר אופטי ו פינצטה מגנטי, הוא כלי כללי בננו-טכנולוגיה כדי לתמרן ביואוכאל מכנית ולמדוד את היציבות שלהם11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. מולקולה בודדת afm כבר בשימוש נרחב במחקר של חלבון (האו ם) קיפול21,22,23,24,25, מדידת כוח של קולטן-ligandאינטראקציה 26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35, בונד כימי אורגני20,36,37,38,39,40,41,42,43 ו-ligand בונד ב-מטאלופרוטאין44,45,46,47,48, 49,50 . כאן, מולקולה יחידה AFM משמש כדי לאמת את רצף פוליפרוטאין מסונתז מבוסס על האות חלבון התגלגלות המקביל.

Protocol

1. הפקת חלבון שיבוט ג’ין לרכוש גנים קידוד עבור חלבון העניין (פוי): אוביקוויסין, Rubredoxin (RD)51, מודול מחייב תאית (cbm), הפריצה לתחום X (xdoc) ו לכידות מ Ruמינוקוקוס flavefacience, וירוס איכול טבק (tev) פרוטאז, אלסטין כמו פוליפפטידים (elps). לבצע תגובת שרשרת פולימראז ולהשת?…

Representative Results

שאריות NGL הציג בין חלבונים סמוכים על ידי OaAEP1 הקשר לא ישפיע על יציבות החלבון מונומר בפולימר כמו כוח התפתחות (< Fu>), ואת אורך מתאר להגדיל (< ΔLc>) הוא דומה למחקר הקודם (איור 1). תוצאת הטיהור של החלבון rubredoxin מוצג באיור 2. כדי להוכיח את החלבון לאחר מחשוף TEV תו…

Discussion

תיארנו פרוטוקול לביוסינתזה אנזימטית והשתק של פוליפרוטאין ואימת את עיצוב הפוליפרוטאין באמצעות SMFS מבוסס AFM. מתודולוגיה זו מספקת גישה הרומן לבניית חלבון-פולימרים ברצף מעוצב, אשר משלים את השיטות הקודמות עבור הנדסת פוליפרוטאין ומשתק4,6,52,</…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע הטבע של סין (גרנט No. 21771103, 21977047), הקרן המדע הטבעי של מחוז ג’יאנגסו (גרנט לא. BK20160639) ו Shuangchuang התוכנית של מחוז ג’יאנגסו.

Materials

iron (III) chloride hexahydrate Energy chemical 99%
Zinc chloride Alfa Aesar 100.00%
calcium chloride hydrate Alfa Aesar 99.9965% crystalline aggregate
L-Ascorbic Acid Sigma Life Science Bio Xtra, ≥99.0%, crystalline
(3-Aminopropyl) triethoxysilane Sigma-Aldrich ≥99%
sulfosuccinimidyl 4-(N-maleimidomethyl) cyclohexane-1-carboxylate Thermo Scientific 90%
Glycerol Macklin 99%
5,5'-dithiobis(2-nitrobenzoic acid) Alfa Aesar
Genes Genscript
Equipment
Nanowizard 4 AFM JPK Germany
MLCT cantilever Bruker Corp
Mono Q 5/50 GL GE Healthcare
AKTA FPLC system GE Healthcare
Glass coverslip Sail Brand
Nanodrop 2000 Thermo Scientific
Avanti JXN-30 Centrifuge Beckman Coulter
Gel Image System Tanon
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rief, M., Gautel, M., Oesterhelt, F., Fernandez, J. M., Gaub, H. E. Reversible unfolding of individual titin immunoglobulin domains by AFM. Science. 276 (5315), 1109-1112 (1997).
  2. Yang, Y. J., Holmberg, A. L., Olsen, B. D. Artificially Engineered Protein Polymers. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 8 (1), 549-575 (2017).
  3. Yang, J., et al. Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (36), 8509-8517 (2018).
  4. Dietz, H., et al. Cysteine engineering of polyproteins for single-molecule force spectroscopy. Nature Protocols. 1 (1), 80-84 (2006).
  5. Carrion-Vazquez, M., et al. Mechanical and chemical unfolding of a single protein: A comparison. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (7), 3694-3699 (1999).
  6. Hoffmann, T., et al. Rapid and Robust Polyprotein Production Facilitates Single-Molecule Mechanical Characterization of beta-Barrel Assembly Machinery Polypeptide Transport Associated Domains. ACS Nano. 9 (9), 8811-8821 (2015).
  7. Hoffmann, T., Dougan, L. Single molecule force spectroscopy using polyproteins. Chemical Society Reviews. 41 (14), 4781-4796 (2012).
  8. Deng, Y., et al. Enzymatic biosynthesis and immobilization of polyprotein verified at the single-molecule level. Nature Communications. 10 (1), 2775 (2019).
  9. Yuan, G., et al. Single-Molecule Force Spectroscopy Reveals that Iron-Ligand Bonds Modulate Proteins in Different Modes. The Journal of Physical Chemistry Letters. 10 (18), 5428-5433 (2019).
  10. Yang, R., et al. Engineering a Catalytically Efficient Recombinant Protein Ligase. Journal of the American Chemical Society. 139 (15), 5351-5358 (2017).
  11. Woodside, M. T., Block, S. M. Reconstructing Folding Energy Landscapes by Single-Molecule Force Spectroscopy. Annual Review of Biophysics. 43, 19-39 (2014).
  12. Sen Mojumdar, S., et al. Partially native intermediates mediate misfolding of SOD1 in single-molecule folding trajectories. Nature Communications. 8 (1), 1881 (2017).
  13. Singh, D., Ha, T. Understanding the Molecular Mechanisms of the CRISPR Toolbox Using Single Molecule Approaches. ACS Chemical Biology. 13 (3), 516-526 (2018).
  14. You, H., Le, S., Chen, H., Qin, L., Yan, J. Single-molecule Manipulation of G-quadruplexes by Magnetic Tweezers. Journal of Visualized Experiments. (127), e56328 (2017).
  15. Suren, T., et al. Single-molecule force spectroscopy reveals folding steps associated with hormone binding and activation of the glucocorticoid receptor. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (46), 11688-11693 (2018).
  16. Tapia-Rojo, R., Eckels, E. C., Fernández, J. M. Ephemeral states in protein folding under force captured with a magnetic tweezers design. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (16), 7873-7878 (2019).
  17. Chen, H., et al. Dynamics of Equilibrium Folding and Unfolding Transitions of Titin Immunoglobulin Domain under Constant Forces. Journal of the American Chemical Society. 137 (10), 3540-3546 (2015).
  18. Fu, L., Wang, H., Li, H. Harvesting Mechanical Work From Folding-Based Protein Engines: From Single-Molecule Mechanochemical Cycles to Macroscopic Devices. Chinese Chemical Society. 1 (1), 138-147 (2019).
  19. Scholl, Z. N., Li, Q., Josephs, E., Apostolidou, D., Marszalek, P. E. Force Spectroscopy of Single Protein Molecules Using an Atomic Force Microscope. Journal of Visualized Experiments. (144), e55989 (2019).
  20. Zhang, S., et al. Towards Unveiling the Exact Molecular Structure of Amorphous Red Phosphorus by Single-Molecule Studies. Angewandte Chemie International Edition. 58 (6), 1659-1663 (2019).
  21. Yu, H., Siewny, M. G., Edwards, D. T., Sanders, A. W., Perkins, T. T. Hidden dynamics in the unfolding of individual bacteriorhodopsin proteins. Science. 355 (6328), 945-950 (2017).
  22. Thoma, J., Sapra, K. T., Müller, D. J. Single-Molecule Force Spectroscopy of Transmembrane β-Barrel Proteins. Annual Review of Analytical Chemistry. 11 (1), 375-395 (2018).
  23. Chen, Y., Radford, S. E., Brockwell, D. J. Force-induced remodelling of proteins and their complexes. Current Opinion in Structural Biology. 30, 89-99 (2015).
  24. Takahashi, H., Rico, F., Chipot, C., Scheuring, S. alpha-Helix Unwinding as Force Buffer in Spectrins. ACS Nano. 12 (3), 2719-2727 (2018).
  25. Borgia, A., Williams, P. M., Clarke, J. Single-molecule studies of protein folding. Annu. Rev. Biochem. 77, 101-125 (2008).
  26. Florin, E., Moy, V., Gaub, H. Adhesion forces between individual ligand-receptor pairs. Science. 264 (5157), 415-417 (1994).
  27. Zakeri, B., et al. Peptide tag forming a rapid covalent bond to a protein, through engineering a bacterial adhesin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (12), 690-697 (2012).
  28. Ott, W., Jobst, M. A., Schoeler, C., Gaub, H. E., Nash, M. A. Single-molecule force spectroscopy on polyproteins and receptor-ligand complexes: The current toolbox. Journal of Structural Biology. 197 (1), 3-12 (2017).
  29. Stahl, S. W., et al. Single-molecule dissection of the high-affinity cohesin-dockerin complex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (50), 20431-20436 (2012).
  30. Oh, Y. J., et al. Ultra-Sensitive and Label-Free Probing of Binding Affinity Using Recognition Imaging. Nano Letters. 19 (1), 612-617 (2019).
  31. Vera Andrés, M., Carrion-Vazquez, M. Direct Identification of Protein-Protein Interactions by Single-Molecule Force Spectroscopy. Angewandte Chemie International Edition. 55 (45), 13970-13973 (2016).
  32. Yu, H., Heenan, P. R., Edwards, D. T., Uyetake, L., Perkins, T. T. Quantifying the Initial Unfolding of Bacteriorhodopsin Reveals Retinal Stabilization. Angewandte Chemie International Edition. 58 (6), 1710-1713 (2019).
  33. Jobst, M. A., Schoeler, C., Malinowska, K., Nash, M. A. Investigating Receptor-ligand Systems of the Cellulosome with AFM-based Single-molecule Force Spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (82), e50950 (2013).
  34. Stetter, F. W. S., Kienle, S., Krysiak, S., Hugel, T. Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (96), e52456 (2015).
  35. Nadler, H., et al. Deciphering the Mechanical Properties of Type III Secretion System EspA Protein by Single Molecule Force Spectroscopy. Langmuir. , (2018).
  36. Giganti, D., Yan, K., Badilla, C. L., Fernandez, J. M., Alegre-Cebollada, J. Disulfide isomerization reactions in titin immunoglobulin domains enable a mode of protein elasticity. Nature Communications. 9 (1), 185 (2018).
  37. Huang, W., et al. Maleimide-thiol adducts stabilized through stretching. Nature Chemistry. 11 (4), 310-319 (2019).
  38. Li, Y. R., et al. Single-Molecule Mechanics of Catechol-Iron Coordination Bonds. ACS Biomaterials Science, Engineering. 3 (6), 979-989 (2017).
  39. Popa, I., et al. Nanomechanics of HaloTag Tethers. Journal of the American Chemical Society. 135 (34), 12762-12771 (2013).
  40. Xue, Y., Li, X., Li, H., Zhang, W. Quantifying thiol-gold interactions towards the efficient strength control. Nature Communications. 5, 4348 (2014).
  41. Wiita, A. P., Ainavarapu, S. R. K., Huang, H. H., Fernandez, J. M. Force-dependent chemical kinetics of disulfide bond reduction observed with single-molecule techniques. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (19), 7222-7227 (2006).
  42. Pill, M. F., East, A. L. L., Marx, D., Beyer, M. K., Clausen-Schaumann, H. Mechanical Activation Drastically Accelerates Amide Bond Hydrolysis, Matching Enzyme Activity. Angewandte Chemie International Edition. 58 (29), 9787-9790 (2019).
  43. Conti, M., Falini, G., Samori, B. How strong is the coordination bond between a histidine tag and Ni-nitrilotriacetate? An experiment of mechanochemistry on single molecules. Angew. Chem. Int. Ed. 39 (1), 215-218 (2000).
  44. Beedle, A. E. M., Lezamiz, A., Stirnemann, G., Garcia-Manyes, S. The mechanochemistry of copper reports on the directionality of unfolding in model cupredoxin proteins. Nature Communications. 6, 7894 (2015).
  45. Li, H., Zheng, P. Single molecule force spectroscopy: a new tool for bioinorganic chemistry. Current Opinion in Chemical Biology. 43, 58-67 (2018).
  46. Zheng, P., Takayama, S. i. J., Mauk, A. G., Li, H. Hydrogen bond strength modulates the mechanical strength of ferric-thiolate bonds in rubredoxin. Journal of the American Chemical Society. 134 (9), 4124-4131 (2012).
  47. Lei, H., et al. Reversible Unfolding and Folding of the Metalloprotein Ferredoxin Revealed by Single-Molecule Atomic Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 139 (4), 1538-1544 (2017).
  48. Yuan, G., et al. Multistep Protein Unfolding Scenarios from the Rupture of a Complex Metal Cluster Cd3S9. Scientific Reports. 9 (1), 10518 (2019).
  49. Zheng, P., Arantes, G. M., Field, M. J., Li, H. Force-induced chemical reactions on the metal centre in a single metalloprotein molecule. Nature Communications. 6, 7569 (2015).
  50. Arantes, G. M., Bhattacharjee, A., Field, M. J. Homolytic cleavage of Fe-S bonds in rubredoxin under mechanical stress. Angewandte Chemie International Edition. 52 (31), 8144-8146 (2013).
  51. Blake, P. R., et al. Determinants of protein hyperthermostability: purification and amino acid sequence of rubredoxin from the hyperthermophilic archaebacterium Pyrococcus furiosus and secondary structure of the zinc adduct by NMR. Biochemistry. 30 (45), 10885-10895 (1991).
  52. Ott, W., Durner, E., Mediated Gaub, H. E. Enzyme-Mediated, Site-Specific Protein Coupling Strategies for Surface-Based Binding Assays. Angewandte Chemie International Edition. 57 (39), 12666-12669 (2018).
  53. Garg, S., Singaraju, G. S., Yengkhom, S., Rakshit, S. Tailored Polyproteins Using Sequential Staple and Cut. Bioconjugate Chemistry. 29 (5), 1714-1719 (2018).
  54. Veggiani, G., et al. Programmable Polyproteams Built Using Twin Peptide Superglues. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (5), 1202-1207 (2016).
  55. Pelegri-O’Day, E. M., Maynard, H. D. Controlled Radical Polymerization as an Enabling Approach for the Next Generation of Protein-Polymer Conjugates. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 1777-1785 (2016).
  56. Zheng, P., Cao, Y., Li, H. Facile method of constructing polyproteins for single-molecule force spectroscopy studies. Langmuir. 27 (10), 5713-5718 (2011).
  57. Zimmermann, J. L., Nicolaus, T., Neuert, G., Blank, K. Thiol-based, site-specific and covalent immobilization of biomolecules for single-molecule experiments. Nature Protocols. 5 (6), 975-985 (2010).
  58. Becke, T. D., et al. Covalent Immobilization of Proteins for the Single Molecule Force Spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (138), e58167 (2018).
  59. Liu, H. P., Ta, D. T., Nash, M. A. Mechanical polyprotein assembly using sfp and sortase-mediated domain oligomerization for single-molecule studies. Small Methods. 2 (6), (2018).
  60. Zhang, Y., Park, K. Y., Suazo, K. F., Distefano, M. D. Recent progress in enzymatic protein labelling techniques and their applications. Chemical Society Reviews. 47 (24), 9106-9136 (2018).
  61. Luo, Q., Hou, C., Bai, Y., Wang, R., Liu, J. Protein Assembly: Versatile Approaches to Construct Highly Ordered Nanostructures. Chemical Reviews. 116 (22), 13571-13632 (2016).
  62. Valle-Orero, J., Rivas-Pardo, J. A., Popa, I. Multidomain proteins under force. Nanotechnology. 28 (17), 174003 (2017).

Tags

OaAEP1Enzymatic SynthesisPolymerized ProteinSingle-molecule Force SpectroscopyProtein OligomerPolymerization DegreeProtein-based MaterialCysteinePotassium ChromateSulfuric AcidAPTESSulfo-SMCCGL-ELP-50 Cys-proteinCantilever Surface

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Deng, Y., Zheng, B., Liu, Y., Shi, S., Nie, J., Wu, T., Zheng, P. OaAEP1-Mediated Enzymatic Synthesis and Immobilization of Polymerized Protein for Single-Molecule Force Spectroscopy. J. Vis. Exp. (156), e60774, doi:10.3791/60774 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image