PCR Mutagenesis, Clonagem, Expressão, Protocolos rápidos de purificação de proteínas e Cristalização do Tipo Selvagem e Formas Mutantes de Synthase Triptofano

O complexo de xodó-sintéria triptofano (TS) (α₂β₂) é uma enzima alusicana, catalisando os dois últimos passos na biossíntese do aminoácido L-Triptofano em bactérias, plantas e fungos^1,2,3. A bactéria Salmonella enterica serovar typhimurium (St)causa uma grave infecção gastrointestinal em humanos e outros animais. Uma vez que os seres humanos e animais superiores não possuem TS (EC 4.2.1.20), a inibição de S. typhimurium α_{complexo 2}β₂ TS (α₂β₂StTS) tem sido explorado como um potencial alvo de drogas para o tratamento de criptosporidiose e tuberculose⁴, infecções genitais e oculares⁵, e para potencial utilização de herbicidas na agricultura⁶. O α-subunidade catalisa o decote aldolítico de indole-3-glicerol-fosfato (IGP) ao glicealdeído-3-fosfato (GAP) e indol, através da formação de um teima de ligação indolenina tautomer e, posteriormente, de ligação carbono-carbono para produzir GAP e indole^3,6. O sítio β-catallítico contém uma molécula de cofato piridoxal de 5′-fosfato (PLP) ligada a β-Lys87 através de uma base de Schiff, que funciona como um dissipador de elétrons no curso das reações na enzima β-subunidade^3,7. O β-local catalisa a substituição do hidroxyl de cadeia lateral L-Serine por indol para dar L-Triptofano e uma molécula de água em uma reação dependente de PLP. St. A TS serve como um modelo de longa data para a investigação de canalização de substratos e comunicação alotérica dentro de complexos multienzimáticos^2,3. A comunicação alotérica bidirecional entre as subunidades α e β de TS é necessária para sincronizar as etapas catalíticas e evitar a liberação de indol durante a síntese L-Triptophan³. Para estender esse esforço, preparamos vários mutantes (β-Gln114Ala, β-Lys167Thr e β-Ser377Ala) por mutação de ponto único para ser usado em novas explorações da relação entre estrutura enzimática, mecanismo e função no local catalítico da subunidade stTS β.

Uma pesquisa detalhada sobre o mecanismo catalítico de α₂β₂StTS foi iniciada pelo grupo de pesquisa de Edith W. Miles. Estudos iniciais com o complexo escherichia coli nativo α₂β₂ TS têm focado na purificação e caracterização da subunidade isolada α^8,9, isolada β-subunidade^10,11 e a reconstituição do complexo α₂β₂ TS das subunidades isoladas¹². A purificação foi realizada por precipitação de sulfato de amônio, diálise amostral, cromatografia DEAE-Sephadex, diálise e uma segunda rodada cromatográfica na coluna DEAE-Sephadex¹². Em outro protocolo, a purificação do mesmo complexo foi melhorada carregando o lysato celular esclarecido em uma coluna DEAE-Sephadex seguida de um passo cromatográfico em uma coluna Sepharose 4B, precipitação de sulfato de amônio e diálise¹³. Ambos os protocolos de purificação duram de 4 a 5 dias. Escherichia coli α₂β complexo₂ TS cristalizado, mas os cristais não eram adequados para difração de raios-X na época.

Em um novo estudo, formas recombinantes e selvagens de S. typhimurium α_{complexo de 2}β₂ TS foram purificadas e cristalizadas^14,15. O complexo de α₂β₂StTS foi superexpresso na cepa E. coli CB149 carregando o vetor de expressão pEBA-10. Foram relatados¹⁴a coleta e análise inicial de dados de cristalização e difração de raios-X do complexo de α₂β₂StTS . No entanto, agulhas longas e finas como α₂β₂Cristaisde St.TS prejudicaram estudos estruturais. Na tentativa de coletar melhores dados de difração de raios-X, outro protocolo de purificação foi descrito para purificar o tipo selvagem e as formas mutantes do α₂β₂Complexo StTS¹⁵. A purificação foi realizada com uma precipitação inicial usando esperteza e PEG 8.000 no lysato celular esclarecido e um grande precipitado volumoso foi removido por centrifugação. A fração supernante contendo altas quantidades de α₂β complexoStTS_foiarmazenada por 16-48 h a 4 °C até que os cristais amarelos precipitados. Cristais foram lavados e extensivamente dialisados contra diferentes tampões. O complexo proteico foi recriminado em tampão contendo sulfato de amônio e dialisado¹⁵. Embora, a cristalização proteica dependa de concentrações de proteínas e precipitantes em solução, é difícil monitorar, prever e reproduzir a purificação para outras formas mutantes de α₂β complexode StTS₂em solução. Este protocolo tem a vantagem de não utilizar nenhum método cromatográfico; no entanto, as desvantagens são o longo tempo de purificação necessário para cristalizar, dialisar e recristallizar, normalmente exigindo de 5 a 7 dias. Para obter cristais adequados para coleta de dados de raios-X, mais de 600 condições de cristalização foram avaliadas utilizando-se uma combinação e variação de concentração proteica, temperatura, precipitantes (PEG 4.000, 6.000 e 8.000), e aditivos (CaCl₂, MnCl₂, ZnCl₂, cadáver, putrescina, espermióides ou espermióides)¹⁵. Os cristais tinham uma melhor forma cristalina e cresceram mais rápido em condições que continham 12% de PEG 8.000 e 2 mM de espermatozoides. A cristalização foi mais favorável a 25 °C em vez de 4, 30 ou 42 °C e cresceu para dimensões máximas em 3 dias¹⁵. Vários α₂β₂estruturas de cristalstSforam relatadas na época (1996-1999)^{16,17,18,19,20,21} e muitas outras estruturas foram publicadas até o momento.

Aqui, o objetivo principal é apresentar protocolos alternativos para purificar a sinthase triptofano e otimizar a cristalização proteica. O presente trabalho apresenta melhorias significativas para purificar o tipo selvagem isolado α-subunidade (αStTS), unidade isolada β-subunidade (βStTS), reconstituída α_{complexo de 2}β₂St.TS das subunidades isoladas, e tipo selvagem e formas mutantes do complexo α₂β₂St.TS. As vantagens em relação aos protocolos passados são consideráveis, uma vez que o tempo de purificação foi reduzido significativamente e a cristalização e a crioproteção foram otimizadas. Formas mutantes de α₂β complexostS₂projetado neste trabalho cristalizaram perto da mesma condição usada para a forma tipo selvagem. No entanto, a otimização da cristalização fina foi necessária para obter grandes cristais únicos de qualidade suficiente para a determinação da estrutura em resolução quase atômica. Até o momento, existem 134 estruturas de cristal de sinthase triptofano depositadas no Banco de Dados de Proteínas (PDB), contabilizando 101, 31 e 2 estruturas de cristais, respectivamente, para bactérias, arqueias e eucariotes. Bem, 73 estruturas pertencem ao s. enterica serovar typhimurium e 5 estruturas cristalinas do complexo α₂β₂StTS têm limites de resolução superiores a 1,50 Angstroms. Não surpreende que 4 em 5 foram preparados em nosso grupo de pesquisa (PDB IDs:5CGQ em 1,18 Å, 4HT3 às 1,30 Å, 4HPJ em 1.45 Å, 6DZ4 em resolução 1.45 Å). As estruturas cristalinas refinadas da forma mutante de α₂β_complexode StTS são esperadas para fornecer novas percepções sobre o mecanismo e os papéis desempenhados por resíduos essenciais de aminoácidos envolvidos na síntese L-Triptofano.