JP4265301B2 - Cell-free protein synthesizer and synthesis method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無細胞タンパク質合成装置に関し、より詳しくは、半透性膜を通過し得る成分の濾過効率が高く且つコンパクトな無細胞タンパク質合成装置に関する。また、本発明は、前記タンパク質合成装置を用いた無細胞タンパク質合成方法にも関する。本発明において、タンパク質にはポリペプチドも含まれる。
【0002】
【従来の技術】
タンパク質合成方法として、無細胞タンパク質合成系が知られている。無細胞タンパク質合成系では、生細胞を用いる場合のような細胞培養の必要がなく、利便性に優れる。また、生細胞を用いる場合には、生細胞が自己の細胞機能を維持するために外来タンパク質を排除する傾向が強いため、発現が困難なタンパク質も多いが、無細胞タンパク質合成系では、このような生体維持機構の制約を受けにくく、この観点からも優れている。
【0003】
しかしながら、無細胞タンパク質合成系では、反応時間が1〜2時間程度と短く、生細胞を用いた場合に比べ合成量が低いという欠点があった。このため、バッチ法による無細胞タンパク質合成系は、タンパク質の大量合成には用いることができなかった。
【0004】
スピリン(A.S.Spirin)らは、限外濾過装置に無細胞反応液を入れ、基質アミノ酸、ATP及びGTPを含む溶液をポンプを用いて反応液に連続的に供給し、同時に、基質の分解物や合成されたタンパク質を含む反応産物を反応液から除くことにより、十数時間にわたって無細胞タンパク質合成が持続し、従来の20倍を超えるタンパク質合成量を達成した(A.S.Spirin et al., Science, 242, 1162-1164 (1988) ,特公平7−110236号公報)。しかしながら、このフロー法によれば、装置が大掛かりとなり、また、アミノ酸の供給量も多くなり、コストの点で不利である。
【0005】
横山らは、タンパク質合成に必要な基質アミノ酸やATP、GTP等を含む基質溶液を入れた試験管中に、濃縮した大腸菌抽出液、基質アミノ酸、ATP及びGTP等を含む反応液を内部に入れた使い捨て透析装置 Dispo/Dialyzer(Spectrum) を収め、インキュベートして、連続無細胞タンパク質合成を行った。無細胞タンパク質合成が6時間以上持続し、1mlの反応液当たり3mg以上の目的タンパク質CATが得られた。反応開始6時間後に前記基質溶液を新しいものと交換すると、合成反応はさらに持続し、最終的に6mgの目的タンパク質が得られた(Kigawa,T. et al., FEBS Lett., 442, 15-19, 1999)。この透析法によれば、合成の間に、反応液中に、ATP及びGTPのエネルギー源のみならず、基質アミノ酸も追加供給される。また、目的タンパク質のCATは、比較的小分子のものである。
【0006】
また、タンパク質合成に必要な基質アミノ酸やATP、GTP等を含む基質溶液を収容した供給槽の上に、無細胞タンパク質合成反応液を収容した反応槽を半透膜を介して設けたいわゆる重層法も知られている。例えば、ラピッドトランスレーションシステムRTS500(ロシュ・タイアグノスティックス株式会社)、プロテイオス(PROTEIOS、東洋紡績株式会社製)が挙げられる。
【0007】
上記透析法や重層法では、ATP及びGTPのエネルギー源のみならず基質アミノ酸を半透膜を介して合成反応液に追加供給するので、反応時間が長くかかってしまう。生成した目的タンパク質を反応系に長く滞留させておくのは、タンパク質の活性劣化などのため好ましいことではない。
【0008】
また、限外濾過膜、半透膜等の濾過膜を用いた濾過において、濾過を実施している際に、被処理液である合成反応液の濃度分極、すなわち、合成反応液中の濾過膜を通過しない成分の濃度は濾過膜に近いほど高くなるという濃度分極が徐々に起こり濾過能力が次第に低下するという問題がある。
【0009】
【非特許文献1】
A.S.Spirin et al., Science, 242, 1162-1164 (1988)
【特許文献1】
特公平7−110236号公報
【非特許文献2】
Kigawa,T. et al., FEBS Lett., 442, 15-19, 1999
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、半透性膜を通過し得る成分の濾過効率が高く且つコンパクトな無細胞タンパク質合成装置を提供することにある。また、本発明の目的は、前記タンパク質合成装置を用いた無細胞タンパク質合成方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明には、以下の発明が含まれる。
(1) 無細胞タンパク質合成反応液を入れる第1の反応槽と、第1の反応槽と液体流通路を介して連通された前記合成反応液を入れる第2の反応槽と、第1の反応槽、液体流通路及び第2の反応槽のうちの少なくとも1つに備えられた半透性膜とを含む合成反応槽と、
第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた前記合成反応液を、液体流通路を介して相互に移動及び/又は揺動させる手段と
半透膜に接して設けられた、半透性膜を濾過により通過した濾過液を回収する手段と、回収する手段により回収された濾過液の排出口とを備えている無細胞タンパク質合成装置。
【0012】
この無細胞タンパク質合成装置によれば、合成反応槽は液体流通路を介して互いに連通させられた第1の反応槽及び第2の反応槽を含み、且つ、第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた合成反応液を、液体流通路を介して相互に移動及び/又は揺動させる手段を備えているので、合成反応液の第1及び第2の両反応槽間での移動や揺動によって、合成反応液の濃度分極が抑制される。そのため、半透性膜を通過し得る成分の濾過を高効率で行うことができる。
さらに、この合成装置によれば、半透性膜を通過した液を確実に回収することができる。
【0015】
) 液体流通路は、第1の反応槽の最深部から水平状に第2の反応槽の最深部にまで延びている略水平流通路である、(1)に記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0016】
この合成装置によれば、略水平流通路によって、第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた合成反応液を相互に移動及び/又は揺動させることができる。略水平流通路は、直線的に幅広状に形成されていてもよいし、略水平面に沿って蛇行して形成されていてもよい。
【0017】
) 第1の反応槽、略水平流通路及び第2の反応槽のうちの少なくとも1つの底面を画定するように半透性膜が配置されている、()に記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0018】
この合成装置によれば、第1の反応槽、略水平流通路及び第2の反応槽のうちの少なくとも1つの底面に配置された半透性膜によって、濾過が行われる。半透性膜は略水平流通路の底面のみに配置されていてもよい。この場合には、略水平流通路の面積が大きく、半透性膜の面積が大きい方が濾過の効率が高くなる。また、半透性膜は、第1の反応槽、略水平流通路及び第2の反応槽のすべての底面に配置されていてもよい。この場合には、半透性膜の面積がより大きくなり、濾過の効率がより高くなる。
【0019】
) 液体流通路は、第1の反応槽の最深部から略鉛直面に沿って蛇行しながら第2の反応槽の最深部にまで延びている蛇行流通路である、(1)に記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0020】
この合成装置によれば、蛇行流通路によって、第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた被処理液を相互に移動及び/又は揺動させることができる。
【0021】
) 蛇行流通路の垂直両側面のうちの少なくとも一方を画定するように半透性膜が配置されている、()に記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0022】
この合成装置によれば、蛇行流通路の垂直両側面のうちの少なくとも一方に配置された半透性膜によって、濾過が行われる。蛇行流通路の垂直側面の面積が大きく、半透性膜の面積が大きい方が濾過の効率が高くなる。半透性膜が蛇行流通路の垂直両側面に配置されていると、半透性膜の面積がより大きくなり、濾過の効率がさらに高くなる。
【0023】
) 半透性膜は交換可能に備えられている、(1)〜()のうちのいずれかに記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0024】
この合成装置によれば、所定の無細胞タンパク質合成操作の終了後に、半透性膜を新しいものに交換することができ、半透性膜の洗浄操作の必要がない。
【0025】
) 半透性膜は、透析膜、半透膜、限外濾過膜、限外濾過バリア、及び化学的又は生物的に目的物質を捕捉できる膜からなる群から選ばれる、(1)〜()のうちのいずれかに記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0026】
上記半透性膜はそれぞれ、孔の大きさが異なるので、目的タンパク質の種類に応じて選択するとよい。
【0027】
) 第1の反応槽及び/又は第2の反応槽は、前記合成反応液についての吸収、蛍光又は散乱光の光学的測定が可能なように、及び/又は前記合成反応液の液量が光学的に確認可能なように構成されている、(1)〜()のうちのいずれかに記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0028】
この合成装置において、合成反応液についての吸収、蛍光又は散乱光の光学的測定が可能であると、合成及び濾過操作中においてサンプル液を採取することなく直接的に合成反応液についての濾過の進行度合いや精製度合いを測定することができる。また、この合成装置において、合成反応液の液量が光学的に確認可能であると、合成及び濾過操作中において直接的に濾過の進行度合いや、第1及び第2の両反応槽間での移動や揺動の様子を観察することができる。
【0029】
本発明において、半透性膜を含めた合成反応槽は、半透性膜を含めてディスポーザブル(使い捨て)であることも好ましい。合成反応槽がディスポーザブルであると、半透性膜を含めた合成反応槽の洗浄が不要であり、無細胞タンパク質合成に好適である。
【0030】
) 前記合成反応液の移動及び/又は揺動手段は、第1の反応槽及び第2の反応槽のうちの少なくとも一方の内部を加圧する装置である、(1)〜()のうちのいずれかに記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0031】
この合成装置によれば、第1の反応槽及び第2の反応槽のうちの一方の内部を加圧することにより、前記一方の反応槽中の合成反応液を液体流通路を介して他方の反応槽中に押し入れることができ、加圧を止めて大気圧付近に戻すことにより、前記他方の反応槽中の合成反応液を液体流通路を介して前記一方の反応槽中に引き戻すことができ、同時に合成反応液は揺れ動く。このようにして、合成反応液の第1及び第2の両反応槽間での移動や揺動が行われる。また、加圧された状態で濾過を行うことにより、濾過の速度・効率が上がる。加圧度によって、移動や揺動が制御される。
【0032】
本発明において、加圧する装置としてプランジャ備えたシリンジポンプが用いられる。加圧すべき反応槽の上部をシールしてこの反応槽内の空間を密閉系として、シリンジポンプから前記反応槽の内部にエアーを送り込み加圧する。続いて、シリンジポンプのプランジャを往復させると、合成反応液の第1及び第2の両反応槽間での連続的な移動や揺動が行われる。
【0033】
10) 前記合成反応液の移動及び/又は揺動手段は、2つの加圧口を有し且つプランジャを備えたシリンジポンプと、前記一方の加圧口から第1反応槽に通じる第1パイプと、第1パイプを貫通させた第1反応槽の上部シール用キャップと、前記他方の加圧口から第2反応槽に通じる第2パイプと、第2パイプを貫通させた第2反応槽の上部シール用キャップと、第2パイプの途中に介在させられた三方バルブとから主として構成される、(1)〜()のうちのいずれかに記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0034】
11) 前記合成反応液の移動及び/又は揺動手段は、1つの加圧口を有し且つプランジャを備えたシリンジポンプと、前記加圧口から第1反応槽に通じるパイプと、前記パイプを貫通させた第1反応槽の上部シール用キャップと、第2反応槽の上部シール用キャップとから主として構成される、(1)〜()のうちのいずれかに記載の無細胞タンパク質合成装置。
【0035】
12) (1)〜(11)のうちのいずれかに記載の無細胞タンパク質合成装置を用いて、
無細胞タンパク質合成反応液を第1の反応槽及び第2の反応槽に入れ、タンパク質合成反応を行い、
第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた前記合成反応液を、液体流通路を介して相互に移動及び/又は揺動させながら、半透性膜を通過し得る成分を濾過により合成反応系から除去する、無細胞タンパク質合成方法。
【0036】
この無細胞タンパク質合成方法は、上記の無細胞タンパク質合成装置を用いた合成方法であり、合成反応液の第1及び第2の両反応槽間での移動や揺動によって、合成反応液の濃度分極が抑制される。そのため、半透性膜を通過し得る成分の濾過を高効率で行うことができる。
【0037】
13) 半透性膜を通過し得る成分の濾過を加圧状態で行う、(12)に記載の無細胞タンパク質合成方法。
【0038】
この合成方法によれば、加圧された状態で濾過を行うことにより、濾過の速度・効率が上がる。加圧度によって、移動や揺動が制御される。
【0039】
14) 半透性膜を通過し得る成分には、合成中に形成された減成生産物が含まれる、(12)又は(13)に記載の無細胞タンパク質合成方法。
【0040】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の無細胞タンパク質合成装置は、液体流通路を介して互いに連通させられた第1の反応槽及び第2の反応槽を含む合成反応槽と、第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた無細胞タンパク質合成反応液を、液体流通路を介して相互に移動及び/又は揺動させる手段とを備えている。
【0041】
まず、本発明の無細胞タンパク質合成装置における合成反応槽について説明する。図1は、合成反応槽の一例の斜視図である。図2は、図1の合成反応槽の垂直断面図である。図3は、濾過液回収底板の斜視図である。以下の説明において、左右とは、図2を基準として、その左を左、右を右といい、前後とは、図2の紙面表側を前、紙面裏側を後というものとする。
【0042】
図1及び図2を参照すると、合成反応槽10は、無細胞タンパク質合成反応液Lを入れる第1の反応槽11と、第1反応槽11と液体流通路13を介して連通された合成反応液Lを入れる第2の反応槽12と、半透性膜Mと、半透性膜Mを通過した濾過された液Fを回収する手段31とを備えている。
【0043】
第1反応槽11及び第2反応槽12は共に、光学的透明なプラスチックから形成された上部開口された断面四角形の筒状構造のものである。第1反応槽11の右側壁11a の最深部は前後方向の全領域にわたって開口11b させられている。第2反応槽12の左側壁12a の最深部は前後方向の全領域にわたって開口12b させられている。第1反応槽11の開口11b と、第2反応槽12の開口12b とを連通させるように直線状に水平流通路13が形成されている。水平流通路13の前後方向の幅は、水平流通路13の底面の面積をできるだけ大きくするべく、開口11b 及び開口12b の幅と同一とされている。水平流通路13の前後側壁及び頂壁は、第1反応槽11及び第2反応槽12と一体成形されたものである。
【0044】
第1反応槽11、第2反応槽12及び水平流通路13の全底面にわたって、半透性膜Mが配置されている。すなわち、第1反応槽11、第2反応槽12及び水平流通路13の各底面は半透性膜Mによって画定・形成されている。半透性膜Mは、濾過液Fの回収底板31の上に支持配置されており、交換可能である。
【0045】
回収底板31は、図3に示すように、平面視長方形であり、周縁部にフランジ32,33 (左右フランジ32, 前後フランジ33)が形成され、上面には前後方向に延びた多数の凸状34が互いに平行に且つ前後フランジ33,33 とは一定の間隔Cを保つように形成されている。さらに、底板31の中央部には濾過液Fの排出口35が形成され、前記間隔Cは、左右方向中央部に近づくに従って低くなるように形成された濾過液流路とされ、排出口35に濾過液Fが集まるようにされている。多数の凸状34によって、半透性膜Mが支持されている。
【0046】
図4には、半透性膜Mを通過した濾過液Fの回収手段の変形例が示されている。第1反応槽11、第2反応槽12、水平流通路13及び半透性膜Mについては、図1及び図2に示したものと同一である。濾過液Fの回収手段は、回収底板41と回収底板41上に載せられたスペーサー45とを含む。回収底板41は、平面視長方形であり、周縁部にフランジ42が形成された皿状のものであって、底板41の中央部には濾過液Fの排出口44が形成されている。また、底板41の左右両端部内側にはフランジ42に連続して、スペーサー45受け用の突起43が形成されている。スペーサー45は、図5に示すように、平面視長方形板であり、濾過液Fを通すための多数の孔46が形成されている。スペーサー45は、回収底板41の突起43上に支持され、スペーサー45と底板41上面との間には間隔が存在する。スペーサー45上に、半透性膜Mが支持されている。
【0047】
上記合成反応槽10では、水平流通路13の底面の面積が大きく、且つ、半透性膜Mが水平流通路13の底面のみならず、第1反応槽11の底面及び第2反応槽12の底面にも配置されているので、半透性膜Mの面積が非常に大きくなり、濾過の効率がより高くなる。半透性膜Mを通過した濾過液Fは、回収底板31,41 により回収され、排出口35,44 より排出される。上記合成反応槽10では、水平流通路13を有するので、装置構成がシンプルである利点がある。
【0048】
図6は、合成反応槽の他の一例の斜視図である。図7は、図6中のVII-VII 線に沿う垂直断面図である。以下の説明において、左右とは、図7を基準として、その左を左、右を右といい、前後とは、図7の紙面表側を前、紙面裏側を後というものとする。
【0049】
図6及び図7を参照すると、合成反応槽10は、無細胞タンパク質合成反応液Lを入れる第1の反応槽51と、第1反応槽51と液体流通路53を介して連通された合成反応液Lを入れる第2の反応槽52と、半透性膜Mと、半透性膜Mを通過した濾過された液Fを回収する手段とを備えている。
【0050】
第1反応槽51及び第2反応槽52は共に、光学的透明なプラスチックから形成された上部開口された断面四角形の筒状構造のものである。第1反応槽51の右側壁51a の最深部は、前側から前後方向の半分の領域にわたって開口51b させられている。第2反応槽52の左側壁52a の最深部は、前側から前後方向の半分の領域にわたって開口52b させられている。第1反応槽11の開口51b と、第2反応槽12の開口52b とを連通させ、且つ鉛直面に沿って流路仕切り板54によって蛇行させられた蛇行流通路53が形成されている。蛇行流通路53は、その側面の面積が大きくなるように、第1反応槽51及び第2反応槽52と同一の高さにまで形成されている。蛇行流通路53の底壁、前側壁、頂壁及び仕切り板54は、第1反応槽51及び第2反応槽52と一体成形されたものである。
【0051】
蛇行流通路53の後側の全側面にわたって、半透性膜Mが鉛直に配置されている。すなわち、蛇行流通路53の後側面は半透性膜Mによって画定・形成されている。半透性膜Mは、交換可能である。
【0052】
半透性膜Mの後ろ側には、半透性膜Mを通過した濾過液Fの回収室55が形成されている。回収室55の後側壁55a は、第1反応槽51及び第2反応槽52と一体成形されたものである。回収室55の底壁には、濾過液Fの排出口56が形成されている。
【0053】
上記合成反応槽10では、蛇行流通路53の側面の面積が大きく、すなわち半透性膜Mの面積が大きく、濾過の効率が高い。流通路53から半透性膜Mを通過した濾過液Fは、回収室55の排出口56より排出される。
【0054】
上記合成反応槽10では、蛇行流通路53の後側面にのみ半透性膜Mが配置されている。蛇行流通路53の前側面にも半透性膜Mが配置されると、半透性膜Mの面積は2倍となり、さらに濾過効率は高くなる。
【0055】
以上説明した合成反応槽の例ではいずれも、合成反応槽10は2つの反応槽、すなわち第1反応槽11,51 及び第2反応槽12,52 を有している。しかしながら、合成反応液の移動及び/又は揺動をさせるために、互いに液体流通路で連通された3つ以上の反応槽を設けることも可能であろう。
【0056】
次に、以上説明した合成反応槽に、合成反応液を移動及び/又は揺動させる手段を備えた本発明の無細胞タンパク質合成装置について説明する。図8は、本発明の無細胞タンパク質合成装置の概略構成を示す図である。図8においては、水平流通路13を有する図1〜5に例示の合成反応槽が便宜的に描かれている。しかしながら、蛇行流通路53を有する図6〜7に例示の合成反応槽を用いても全く同様に無細胞タンパク質合成装置を構成することができる。
【0057】
図8を参照すると、無細胞タンパク質合成装置は、第1反応槽11、第2反応槽12、液体流通路13、半透性膜M及び濾過液の排出口35を備える合成反応槽10と、合成反応液Lの移動及び/又は揺動手段60とを備えている。
【0058】
移動及び/又は揺動手段60は、2つの加圧口61A,61B を有し且つプランジャ62を備えたシリンジポンプ61と、一方の加圧口61A から第1反応槽11に通じる第1パイプ64と、第1パイプ64を貫通させた第1反応槽11の上部シール用キャップ65と、他方の加圧口61B から第2反応槽12に通じる第2パイプ66と、第2パイプ66を貫通させた第2反応槽12の上部シール用キャップ67と、第2パイプ66の途中に介在させられた三方バルブ68とから主として構成される。第1パイプ64には圧力センサ69が備えられている。シール用キャップ65及びシール用キャップ67は、上下移動可能であり、上下移動は自動的に制御されている。
【0059】
この合成装置を用いた合成及び濾過操作について説明する。初期において、三方バルブ68は第2反応槽12側が閉じられている。第1反応槽11及び第2反応槽12に無細胞タンパク質合成反応液Lを入れる。続いて、シール用キャップ65及びシール用キャップ67を下降させ、第1反応槽11及び第2反応槽12の上部をシールする。シリンジポンプ61のプランジャ62を左ヘ作動させ、加圧口61A から第1パイプ64を介して第1反応槽11内の圧力を上昇させる。この段階で、合成反応液Lに圧力がかかり合成反応液Lの一部は第1反応槽11側から第2反応槽12側へ移動する。その後、三方バルブ68の大気側を閉じ、第1反応槽11内が加圧された状態で、シリンジポンプ61のプランジャ62を左右に往復させる。これにより、合成反応液Lは加圧された状態で、第1反応槽11と第2反応槽12との間を連続的に移動又は揺れ動きながら、半透性膜Mによって濾過が行われ、排出口35から半透性膜を通過した成分を含む濾過液が得られると共に合成反応液Lは濃縮される。第1反応槽11と第2反応槽12との間での移動や揺動によって、合成反応液の濃度分極が抑制され、しかも加圧された状態で濾過するので、高効率での濾過が達成される。加圧度やプランジャ62の往復速度によって、移動や揺動が制御される。
【0060】
図9には、移動及び/又は揺動手段の変形例が示されている。図9を参照すると、無細胞タンパク質合成装置は、第1反応槽11、第2反応槽12、液体流通路13、半透性膜M及び濾過液の排出口35を備える合成反応槽10と、合成反応液Lの移動及び/又は揺動手段70とを備えている。
【0061】
移動及び/又は揺動手段70は、1つの加圧口71A を有し且つプランジャ72を備えたシリンジポンプ71と、加圧口71A から第1反応槽11に通じるパイプ73と、パイプ73を貫通させた第1反応槽11の上部シール用キャップ74と、第2反応槽12の上部シール用キャップ75とから主として構成される。パイプ73には圧力センサ76が備えられている。シール用キャップ74は、上下移動可能であり、上下移動は自動的に制御されている。
【0062】
この合成装置を用いた合成及び濾過操作について説明する。第1反応槽11及び第2反応槽12に無細胞タンパク質合成反応液Lを入れ、続いて、シール用キャップ74及びシール用キャップ75を下降させ、第1反応槽11及び第2反応槽12の上部をシールする。または、まず、シール用キャップ75を下降させ第2反応槽12の上部をシールし、その後、第1反応槽11に無細胞タンパク質合成反応液Lを入れ、シール用キャップ74を下降させ第1反応槽11の上部をシールしてもよい。第2反応槽12内は完全に密閉される。
【0063】
シリンジポンプ71のプランジャ72を下方に作動させ、加圧口71A からパイプ73を介して第1反応槽11内の圧力を上昇させる。この段階で、合成反応液Lに圧力がかかり合成反応液Lの一部は第1反応槽11側から第2反応槽12側へ移動する。第1反応槽11内が加圧された状態で、シリンジポンプ71のプランジャ72を上下に往復させる。プランジャ72が下方に作動する際に、第1反応槽11内の空気が圧縮され、合成反応液Lの一部が第1反応槽11側から第2反応槽12側へ移動し、また、密閉された第2反応槽12内の空気が圧縮される。プランジャ72が上方に戻る際に、密閉された第2反応槽12内の圧縮された空気の反動により、合成反応液Lの一部が第2反応槽12側から第1反応槽11側へ移動する。このようにして、プランジャ72の上下往復によって、処理液Lは加圧された状態で、第1反応槽11と第2反応槽12との間を連続的に移動又は揺れ動きながら、半透性膜Mによって濾過が行われ、排出口35から半透性膜を通過した成分を含む濾過液が得られると共に合成反応液Lは濃縮される。第1反応槽11と第2反応槽12との間での移動や揺動によって、合成反応液の濃度分極が抑制され、しかも加圧された状態で濾過するので、高効率での濾過が達成される。加圧度やプランジャ72の往復速度によって、移動や揺動が制御される。
【0064】
本発明の無細胞タンパク質合成系には、大腸菌、胚芽、家兎網状赤血球等の既知の無細胞タンパク質合成系を用いることができる。小麦、大麦、いね、コーン、ほうれん草等の胚芽、大腸菌を好ましく用いることができる。これらは公知の方法によって、無細胞タンパク質合成用細胞抽出物として調製される。
【0065】
本発明において、無細胞タンパク質合成反応液は、リボゾーム、mRNA、基質のアミノ酸、ATP及びGTPを含んでいる。この無細胞タンパク質合成反応液を、上記第1の反応槽及び第2の反応槽に入れることにより、合成反応を開始させる。無細胞タンパク質合成反応液の各成分の合成反応槽への添加については、限定されることなく種々の形態が可能である。
【0066】
半透性膜を通過し得る成分には、合成中に形成された減成生産物、すなわちADP、AMP、GDP、GMP、リン酸塩、ピロリン酸塩等が含まれる。これらの成分はタンパク質合成の阻害物質であり、無細胞合成系を維持する間に合成反応液から半透性膜を介して除去する。また、半透性膜を通過し得る成分には、合成された比較的小さな目的タンパク質が含まれることもある。
【0067】
本発明の無細胞タンパク質合成装置を用いて、加圧された状態で合成反応液を移動及び/又は揺動させることにより、半透性膜を通過し得る成分の除去操作は、高い濾過速度で行うことができる。
【0068】
【発明の効果】
本発明によれば、半透性膜を通過し得る成分の濾過効率が高く且つコンパクトな無細胞タンパク質合成装置が提供される。また、本発明によれば、前記タンパク質合成装置を用いて短時間での高いタンパク質合成量が得られ、且つコンパクトで簡便な無細胞タンパク質合成方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の無細胞タンパク質合成装置における合成反応槽の一例の斜視図である。
【図2】 図1の合成反応槽の垂直断面図である。
【図3】 濾過液回収底板の斜視図である。
【図4】 濾過液の回収手段の変形例を示す、合成反応槽の垂直断面図である。
【図5】 スペーサーの斜視図である。
【図6】 本発明の無細胞タンパク質合成装置における合成反応槽の他の一例の斜視図である。
【図7】 図6中のVII-VII 線に沿う垂直断面図である。
【図8】 本発明の無細胞タンパク質合成装置の概略構成の一例を示す図である。
【図9】 本発明の無細胞タンパク質合成装置の概略構成の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
10:合成反応槽
11:第1の反応槽
13:液体流通路
12:第2の反応槽
L:合成反応液
M:半透性膜
35:濾過液の排出口
60:合成反応液Lの移動及び/又は揺動手段
61:シリンジポンプ
62:プランジャ
64:第1パイプ
65:シール用キャップ
66:第2パイプ
67:シール用キャップ
68:三方バルブ
69:圧力センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cell-free protein synthesizer, and more particularly to a cell-free protein synthesizer that has a high filtration efficiency of a component that can pass through a semipermeable membrane and is compact. The present invention also relates to a cell-free protein synthesis method using the protein synthesizer. In the present invention, the protein includes a polypeptide.
[0002]
[Prior art]
As a protein synthesis method, a cell-free protein synthesis system is known. The cell-free protein synthesis system does not require cell culture as in the case of using living cells, and is excellent in convenience. In addition, when living cells are used, there are many proteins that are difficult to express because living cells tend to exclude foreign proteins in order to maintain their own cell functions. It is difficult to be subject to the restrictions of a living body maintenance mechanism, and is excellent from this viewpoint.
[0003]
However, the cell-free protein synthesis system has the disadvantage that the reaction time is as short as about 1 to 2 hours, and the amount of synthesis is lower than that when live cells are used. For this reason, the cell-free protein synthesis system based on the batch method could not be used for mass protein synthesis.
[0004]
Aspirin et al. Put a cell-free reaction solution in an ultrafiltration device and continuously supply a solution containing substrate amino acids, ATP and GTP to the reaction solution using a pump. By removing the reaction product containing the synthesized protein from the reaction solution, cell-free protein synthesis was sustained for over 10 hours, and the amount of protein synthesis exceeded 20 times that of the conventional method (ASSpirin et al., Science, 242). 1162-1164 (1988), Japanese Patent Publication No. 7-110236). However, according to this flow method, the apparatus becomes large and the supply amount of amino acids increases, which is disadvantageous in terms of cost.
[0005]
Yokoyama et al. Put a concentrated E. coli extract, a reaction solution containing substrate amino acids, ATP, GTP, etc. inside a test tube containing a substrate solution containing substrate amino acids necessary for protein synthesis, ATP, GTP, etc. Disposable dialyzer Dispo / Dialyzer (Spectrum) was placed and incubated for continuous cell-free protein synthesis. Cell-free protein synthesis continued for 6 hours or more, and 3 mg or more of the target protein CAT was obtained per 1 ml of the reaction solution. When the substrate solution was replaced with a new one 6 hours after the start of the reaction, the synthesis reaction further continued, and finally 6 mg of the target protein was obtained (Kigawa, T. et al., FEBS Lett., 442, 15- 19, 1999). According to this dialysis method, not only ATP and GTP energy sources but also substrate amino acids are additionally supplied to the reaction solution during the synthesis. The target protein CAT is a relatively small molecule.
[0006]
Also, a so-called multi-layer method in which a reaction vessel containing a cell-free protein synthesis reaction solution is provided via a semipermeable membrane on a supply vessel containing a substrate solution containing substrate amino acids necessary for protein synthesis, ATP, GTP, etc. Is also known. For example, rapid translation system RTS500 (Roche Tyano Sticks Co., Ltd.) and Proteios (PROTEIOS, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) can be mentioned.
[0007]
In the dialysis method and the multi-layer method, since not only ATP and GTP energy sources but also substrate amino acids are additionally supplied to the synthesis reaction solution through the semipermeable membrane, the reaction time is long. It is not preferable to retain the produced target protein for a long time in the reaction system because of degradation of protein activity and the like.
[0008]
In addition, in filtration using a filtration membrane such as an ultrafiltration membrane or a semipermeable membrane, the concentration polarization of the synthesis reaction solution that is the liquid to be treated, that is, the filtration membrane in the synthesis reaction solution, when filtration is performed. There is a problem that the concentration polarization of the component that does not pass through the filter gradually increases as the concentration is closer to the filtration membrane, and the filtration ability gradually decreases.
[0009]
[Non-Patent Document 1]
A.S.Spirin et al., Science, 242, 1162-1164 (1988)
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No.7-110236
[Non-Patent Document 2]
Kigawa, T. et al., FEBS Lett., 442, 15-19, 1999
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a compact cell-free protein synthesizer with high filtration efficiency of components that can pass through a semipermeable membrane. Another object of the present invention is to provide a cell-free protein synthesis method using the protein synthesizer.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes the following inventions.
(1) a first reaction tank containing a cell-free protein synthesis reaction liquid, a second reaction tank containing the synthesis reaction liquid communicated with the first reaction tank via a liquid flow path, and a first reaction A synthetic reaction tank comprising a semipermeable membrane provided in at least one of the tank, the liquid flow path and the second reaction tank;
  Means for moving and / or swinging the synthesis reaction liquid placed in the first reaction tank and the second reaction tank through the liquid flow path;,
A means for recovering the filtrate that has passed through the semipermeable membrane by filtration, and a discharge port for the filtrate recovered by the means for recovering, provided in contact with the semipermeable membrane;A cell-free protein synthesizer.
[0012]
  According to this cell-free protein synthesizer, the synthesis reaction tank includes the first reaction tank and the second reaction tank communicated with each other via the liquid flow path, and the first reaction tank and the second reaction tank. Since the means for moving and / or swinging the synthesis reaction liquid placed in the reaction tank through the liquid flow path is provided, the movement of the synthesis reaction liquid between the first and second reaction tanks is provided. And the concentration polarization of the synthesis reaction solution is suppressed by the oscillation. Therefore, filtration of components that can pass through the semipermeable membrane can be performed with high efficiency.
  Furthermore, according to this synthesis apparatus, the liquid that has passed through the semipermeable membrane can be reliably recovered.
[0015]
(2The liquid flow path is a substantially horizontal flow path that extends horizontally from the deepest part of the first reaction tank to the deepest part of the second reaction tank.)The cell-free protein synthesizer as described.
[0016]
According to this synthesizer, the synthetic reaction liquid put in the first reaction tank and the second reaction tank can be moved and / or oscillated with each other by the substantially horizontal flow passage. The substantially horizontal flow path may be formed linearly in a wide shape, or may be formed by meandering along a substantially horizontal plane.
[0017]
(3The semipermeable membrane is disposed so as to define a bottom surface of at least one of the first reaction tank, the substantially horizontal flow path, and the second reaction tank.2) Cell-free protein synthesizer.
[0018]
According to this synthesizer, filtration is performed by the semipermeable membrane disposed on the bottom surface of at least one of the first reaction tank, the substantially horizontal flow path, and the second reaction tank. The semipermeable membrane may be disposed only on the bottom surface of the substantially horizontal flow passage. In this case, the greater the area of the substantially horizontal flow passage and the larger the area of the semipermeable membrane, the higher the filtration efficiency. Moreover, the semipermeable membrane may be disposed on all bottom surfaces of the first reaction tank, the substantially horizontal flow path, and the second reaction tank. In this case, the area of the semipermeable membrane becomes larger and the filtration efficiency becomes higher.
[0019]
(4The liquid flow path is a meandering flow path that extends from the deepest part of the first reaction tank to the deepest part of the second reaction tank while meandering along a substantially vertical plane.)The cell-free protein synthesizer as described.
[0020]
According to this synthesizer, the liquids to be treated placed in the first reaction tank and the second reaction tank can be moved and / or oscillated with each other by the meandering flow passage.
[0021]
(5A semipermeable membrane is arranged to define at least one of the vertical sides of the serpentine flow passage;4) Cell-free protein synthesizer.
[0022]
According to this synthesizer, the filtration is performed by the semipermeable membrane disposed on at least one of the two vertical side surfaces of the meandering flow passage. The larger the area of the vertical side surface of the meandering passage and the larger the area of the semipermeable membrane, the higher the filtration efficiency. When the semipermeable membrane is disposed on both vertical sides of the meandering flow passage, the area of the semipermeable membrane is increased, and the efficiency of filtration is further increased.
[0023]
(6The semipermeable membrane is provided so as to be exchangeable, (1) to (5The cell-free protein synthesizer according to any one of the above.
[0024]
According to this synthesizer, the semipermeable membrane can be replaced with a new one after the completion of a predetermined cell-free protein synthesis operation, and there is no need for a washing operation of the semipermeable membrane.
[0025]
(7The semipermeable membrane is selected from the group consisting of a dialysis membrane, a semipermeable membrane, an ultrafiltration membrane, an ultrafiltration barrier, and a membrane that can capture a target substance chemically or biologically, (1) to (6The cell-free protein synthesizer according to any one of the above.
[0026]
Since the semipermeable membranes have different pore sizes, they may be selected according to the type of target protein.
[0027]
(8) The first reaction tank and / or the second reaction tank is capable of optically measuring absorption, fluorescence or scattered light of the synthetic reaction liquid, and / or the amount of the synthetic reaction liquid is optical. (1)-(7The cell-free protein synthesizer according to any one of the above.
[0028]
In this synthesizer, if the absorption, fluorescence, or scattered light of the synthesis reaction solution can be measured optically, the filtration of the synthesis reaction solution proceeds directly without collecting the sample solution during the synthesis and filtration operation. The degree and degree of purification can be measured. Further, in this synthesis apparatus, if the amount of the synthesis reaction solution can be optically confirmed, the degree of progress of filtration directly during the synthesis and filtration operation, and between the first and second reaction vessels, The state of movement and swinging can be observed.
[0029]
In the present invention, the synthetic reaction tank including the semipermeable membrane is also preferably disposable (disposable) including the semipermeable membrane. If the synthesis reaction tank is disposable, it is not necessary to wash the synthesis reaction tank including the semipermeable membrane, which is suitable for cell-free protein synthesis.
[0030]
(9The moving and / or swinging means of the synthetic reaction solution is a device that pressurizes the inside of at least one of the first reaction tank and the second reaction tank.8The cell-free protein synthesizer according to any one of the above.
[0031]
According to this synthesis apparatus, by pressurizing the inside of one of the first reaction tank and the second reaction tank, the synthesis reaction solution in the one reaction tank is reacted with the other reaction via the liquid flow path. It can be pushed into the tank, and the synthesis reaction liquid in the other reaction tank can be pulled back into the one reaction tank through the liquid flow path by stopping the pressurization and returning it to near atmospheric pressure. At the same time, the synthesis reaction solution shakes. In this way, the synthesis reaction solution is moved and swung between the first and second reaction vessels. Moreover, the filtration speed / efficiency is increased by performing filtration in a pressurized state. Movement and swinging are controlled by the degree of pressurization.
[0032]
In the present invention, a syringe pump provided with a plunger is used as a device for pressurization. The upper part of the reaction tank to be pressurized is sealed, and the space in the reaction tank is used as a sealed system, and air is sent from the syringe pump into the reaction tank and pressurized. Subsequently, when the plunger of the syringe pump is reciprocated, the synthetic reaction solution is continuously moved and swung between the first and second reaction vessels.
[0033]
(10The moving and / or oscillating means of the synthetic reaction solution has a syringe pump having two pressure ports and a plunger, a first pipe communicating from the one pressure port to the first reaction tank, An upper seal cap of the first reaction tank that penetrates the first pipe, a second pipe that leads from the other pressure port to the second reaction tank, and an upper seal of the second reaction tank that penetrates the second pipe (1) to (1) mainly composed of a cap for use and a three-way valve interposed in the middle of the second pipe9The cell-free protein synthesizer according to any one of the above.
[0034]
(11The moving and / or swinging means of the synthetic reaction solution has a syringe pump having a single pressurizing port and a plunger, a pipe leading from the pressurizing port to the first reaction tank, and penetrating the pipe. The upper seal cap of the first reaction tank and the upper seal cap of the second reaction tank are mainly composed of (1) to (9The cell-free protein synthesizer according to any one of the above.
[0035]
(12(1) to (11) Using the cell-free protein synthesizer according to any one of
Put the cell-free protein synthesis reaction solution in the first reaction tank and the second reaction tank, perform the protein synthesis reaction,
A component that can pass through the semipermeable membrane is filtered by moving the synthesis reaction liquid placed in the first reaction tank and the second reaction tank to each other and / or swinging through the liquid flow path. A cell-free protein synthesis method for removing from a synthesis reaction system.
[0036]
This cell-free protein synthesis method is a synthesis method using the above-described cell-free protein synthesizer, and the concentration of the synthesis reaction solution is determined by movement or swinging of the synthesis reaction solution between the first and second reaction vessels. Polarization is suppressed. Therefore, filtration of components that can pass through the semipermeable membrane can be performed with high efficiency.
[0037]
(13) Filtration of components that can pass through the semipermeable membrane in a pressurized state, (12) Cell-free protein synthesis method.
[0038]
According to this synthesis method, the filtration speed and efficiency are increased by performing filtration in a pressurized state. Movement and swinging are controlled by the degree of pressurization.
[0039]
(14) Components that can pass through the semipermeable membrane include degradation products formed during synthesis, (12Or (13) Cell-free protein synthesis method.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The cell-free protein synthesizer of the present invention includes a synthesis reaction tank including a first reaction tank and a second reaction tank that are communicated with each other via a liquid flow path, and a first reaction tank and a second reaction tank. And a means for moving and / or rocking the cell-free protein synthesis reaction liquid placed in the liquid crystal via the liquid flow path.
[0041]
First, the synthesis reaction tank in the cell-free protein synthesizer of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view of an example of a synthesis reaction tank. FIG. 2 is a vertical sectional view of the synthesis reaction tank of FIG. FIG. 3 is a perspective view of the filtrate collecting bottom plate. In the following description, the left and right refer to FIG. 2 as a reference, the left is referred to as left and the right is referred to as right, and the front and rear refers to the front side of the page of FIG.
[0042]
Referring to FIGS. 1 and 2, the synthesis reaction tank 10 includes a first reaction tank 11 into which a cell-free protein synthesis reaction liquid L is placed, and a synthesis reaction communicated with the first reaction tank 11 via the liquid flow path 13. A second reaction tank 12 for containing the liquid L, a semipermeable membrane M, and means 31 for recovering the filtered liquid F that has passed through the semipermeable membrane M are provided.
[0043]
Both the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12 are of a cylindrical structure having a rectangular cross section with an upper opening formed of an optically transparent plastic. The deepest portion of the right side wall 11a of the first reaction tank 11 has an opening 11b over the entire region in the front-rear direction. The deepest part of the left side wall 12a of the second reaction tank 12 has an opening 12b over the entire region in the front-rear direction. A horizontal flow passage 13 is formed in a straight line so that the opening 11b of the first reaction tank 11 and the opening 12b of the second reaction tank 12 communicate with each other. The width in the front-rear direction of the horizontal flow passage 13 is the same as the width of the opening 11b and the opening 12b so that the area of the bottom surface of the horizontal flow passage 13 is as large as possible. The front and rear side walls and the top wall of the horizontal flow passage 13 are formed integrally with the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12.
[0044]
A semipermeable membrane M is disposed over the entire bottom surface of the first reaction tank 11, the second reaction tank 12 and the horizontal flow passage 13. That is, the bottom surfaces of the first reaction tank 11, the second reaction tank 12, and the horizontal flow passage 13 are defined and formed by the semipermeable membrane M. The semipermeable membrane M is supported and disposed on the recovery bottom plate 31 of the filtrate F and can be exchanged.
[0045]
As shown in FIG. 3, the recovery bottom plate 31 has a rectangular shape in plan view, flanges 32 and 33 (left and right flanges 32 and front and rear flanges 33) are formed on the peripheral edge, and a number of convex shapes extending in the front and rear direction on the upper surface. 34 are formed in parallel to each other and maintain a constant distance C from the front and rear flanges 33,33. Further, a discharge port 35 for the filtrate F is formed in the center portion of the bottom plate 31, and the interval C is a filtrate flow channel formed so as to become lower toward the center portion in the left-right direction. The filtrate F is collected. The semipermeable membrane M is supported by a large number of convex shapes 34.
[0046]
FIG. 4 shows a modification of the means for collecting the filtrate F that has passed through the semipermeable membrane M. About the 1st reaction tank 11, the 2nd reaction tank 12, the horizontal flow path 13, and the semipermeable membrane M, it is the same as what was shown in FIG.1 and FIG.2. The collecting means for the filtrate F includes a collecting bottom plate 41 and a spacer 45 placed on the collecting bottom plate 41. The recovery bottom plate 41 has a rectangular shape in plan view, and has a dish shape with a flange 42 formed at the peripheral edge. A discharge port 44 for the filtrate F is formed at the center of the bottom plate 41. Further, projections 43 for receiving the spacer 45 are formed on the inner sides of the left and right ends of the bottom plate 41 so as to continue to the flange 42. As shown in FIG. 5, the spacer 45 is a rectangular plate in plan view, and a large number of holes 46 through which the filtrate F passes are formed. The spacer 45 is supported on the protrusion 43 of the recovery bottom plate 41, and there is a space between the spacer 45 and the upper surface of the bottom plate 41. A semipermeable membrane M is supported on the spacer 45.
[0047]
In the synthesis reaction tank 10, the area of the bottom surface of the horizontal flow passage 13 is large, and the semipermeable membrane M is not only the bottom surface of the horizontal flow passage 13 but also the bottom surface of the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12. Since it is also arranged on the bottom surface, the area of the semipermeable membrane M becomes very large, and the efficiency of filtration becomes higher. The filtrate F that has passed through the semipermeable membrane M is recovered by the recovery bottom plates 31 and 41 and discharged from the discharge ports 35 and 44. Since the synthesis reaction tank 10 has the horizontal flow passage 13, there is an advantage that the apparatus configuration is simple.
[0048]
FIG. 6 is a perspective view of another example of the synthesis reaction tank. FIG. 7 is a vertical sectional view taken along line VII-VII in FIG. In the following description, the left and right refer to the left as left and the right as the right on the basis of FIG. 7, and the front and rear refer to the front side of the plane of FIG. 7 and the back side of the plane of FIG.
[0049]
6 and 7, the synthesis reaction tank 10 includes a first reaction tank 51 into which the cell-free protein synthesis reaction liquid L is placed, and a synthesis reaction communicated with the first reaction tank 51 via the liquid flow path 53. A second reaction tank 52 for containing the liquid L, a semipermeable membrane M, and means for recovering the filtered liquid F that has passed through the semipermeable membrane M are provided.
[0050]
Both the first reaction tank 51 and the second reaction tank 52 are of a cylindrical structure having a rectangular section with an upper opening formed of an optically transparent plastic. The deepest portion of the right side wall 51a of the first reaction tank 51 has an opening 51b extending from the front side to a half region in the front-rear direction. The deepest part of the left side wall 52a of the second reaction tank 52 is opened 52b from the front side to a half region in the front-rear direction. A meandering flow passage 53 is formed which communicates the opening 51b of the first reaction tank 11 and the opening 52b of the second reaction tank 12 and is meandered by the flow path partition plate 54 along the vertical plane. The meandering flow path 53 is formed to have the same height as the first reaction tank 51 and the second reaction tank 52 so that the area of the side surface thereof is increased. The bottom wall, the front wall, the top wall, and the partition plate 54 of the meandering flow passage 53 are formed integrally with the first reaction tank 51 and the second reaction tank 52.
[0051]
The semipermeable membrane M is vertically arranged over the entire rear side surface of the meandering flow passage 53. That is, the rear side surface of the meandering flow passage 53 is defined and formed by the semipermeable membrane M. The semipermeable membrane M is exchangeable.
[0052]
On the back side of the semipermeable membrane M, a collection chamber 55 for the filtrate F that has passed through the semipermeable membrane M is formed. The rear side wall 55a of the recovery chamber 55 is formed integrally with the first reaction tank 51 and the second reaction tank 52. An outlet 56 for the filtrate F is formed in the bottom wall of the recovery chamber 55.
[0053]
In the synthesis reaction tank 10, the area of the side surface of the meandering flow passage 53 is large, that is, the area of the semipermeable membrane M is large, and the filtration efficiency is high. The filtrate F that has passed through the semipermeable membrane M from the flow passage 53 is discharged from the discharge port 56 of the recovery chamber 55.
[0054]
In the synthesis reaction tank 10, the semipermeable membrane M is disposed only on the rear side surface of the meandering flow passage 53. When the semipermeable membrane M is also disposed on the front side surface of the meandering flow passage 53, the area of the semipermeable membrane M is doubled and the filtration efficiency is further increased.
[0055]
In any of the examples of the synthesis reaction tank described above, the synthesis reaction tank 10 has two reaction tanks, that is, a first reaction tank 11, 51 and a second reaction tank 12, 52. However, in order to move and / or swing the synthesis reaction solution, it may be possible to provide three or more reaction vessels communicated with each other through a liquid flow path.
[0056]
Next, the cell-free protein synthesizer of the present invention provided with means for moving and / or shaking the synthesis reaction solution in the synthesis reaction tank described above will be described. FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the cell-free protein synthesizer of the present invention. In FIG. 8, the synthesis reaction tank illustrated in FIGS. 1 to 5 having the horizontal flow passage 13 is drawn for convenience. However, even if the synthesis reaction tank illustrated in FIGS. 6 to 7 having the meandering flow passage 53 is used, a cell-free protein synthesizer can be constructed in exactly the same manner.
[0057]
Referring to FIG. 8, the cell-free protein synthesizer includes a first reaction tank 11, a second reaction tank 12, a liquid flow path 13, a semipermeable membrane M, and a filtrate outlet 35, The moving and / or swinging means 60 of the synthesis reaction liquid L is provided.
[0058]
The moving and / or swinging means 60 includes a syringe pump 61 having two pressurizing ports 61A and 61B and having a plunger 62, and a first pipe 64 communicating from the one pressurizing port 61A to the first reaction tank 11. And an upper sealing cap 65 of the first reaction tank 11 through which the first pipe 64 penetrates, a second pipe 66 leading from the other pressurization port 61B to the second reaction tank 12, and a second pipe 66 to penetrate. The upper seal cap 67 of the second reaction tank 12 and a three-way valve 68 interposed in the middle of the second pipe 66 are mainly configured. The first pipe 64 is provided with a pressure sensor 69. The sealing cap 65 and the sealing cap 67 are movable up and down, and the vertical movement is automatically controlled.
[0059]
A synthesis and filtration operation using this synthesizer will be described. Initially, the three-way valve 68 is closed on the second reaction tank 12 side. The cell-free protein synthesis reaction solution L is placed in the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12. Subsequently, the sealing cap 65 and the sealing cap 67 are lowered, and the upper portions of the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12 are sealed. The plunger 62 of the syringe pump 61 is actuated to the left, and the pressure in the first reaction tank 11 is increased through the first pipe 64 from the pressure port 61A. At this stage, pressure is applied to the synthesis reaction liquid L, and a part of the synthesis reaction liquid L moves from the first reaction tank 11 side to the second reaction tank 12 side. Thereafter, the atmosphere side of the three-way valve 68 is closed, and the plunger 62 of the syringe pump 61 is reciprocated left and right in a state where the inside of the first reaction tank 11 is pressurized. As a result, the synthesis reaction liquid L is filtered by the semipermeable membrane M while continuously moving or shaking between the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12 in a pressurized state. A filtrate containing components that have passed through the semipermeable membrane is obtained from the outlet 35 and the synthesis reaction liquid L is concentrated. By moving and swinging between the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12, concentration polarization of the synthesis reaction liquid is suppressed, and filtration is performed in a pressurized state, thereby achieving high-efficiency filtration. Is done. Movement and swinging are controlled by the degree of pressurization and the reciprocating speed of the plunger 62.
[0060]
FIG. 9 shows a modification of the moving and / or swinging means. Referring to FIG. 9, the cell-free protein synthesizer comprises a first reaction tank 11, a second reaction tank 12, a liquid flow path 13, a semipermeable membrane M, and a filtrate outlet 35, The moving and / or swinging means 70 for the synthesis reaction liquid L is provided.
[0061]
The moving and / or swinging means 70 has one pressurizing port 71A and a syringe pump 71 provided with a plunger 72, a pipe 73 communicating from the pressurizing port 71A to the first reaction tank 11, and the pipe 73 passing therethrough. The upper seal cap 74 of the first reaction tank 11 and the upper seal cap 75 of the second reaction tank 12 are mainly configured. The pipe 73 is provided with a pressure sensor 76. The seal cap 74 can move up and down, and the up and down movement is automatically controlled.
[0062]
A synthesis and filtration operation using this synthesizer will be described. The cell-free protein synthesis reaction liquid L is put into the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12, and then the sealing cap 74 and the sealing cap 75 are lowered, so that the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12 Seal the top. Alternatively, first, the sealing cap 75 is lowered to seal the upper portion of the second reaction tank 12, and then the cell-free protein synthesis reaction solution L is put into the first reaction tank 11, and the sealing cap 74 is lowered to perform the first reaction. The upper part of the tank 11 may be sealed. The inside of the second reaction tank 12 is completely sealed.
[0063]
The plunger 72 of the syringe pump 71 is actuated downward to increase the pressure in the first reaction tank 11 from the pressurizing port 71A through the pipe 73. At this stage, pressure is applied to the synthesis reaction liquid L, and a part of the synthesis reaction liquid L moves from the first reaction tank 11 side to the second reaction tank 12 side. In a state where the inside of the first reaction tank 11 is pressurized, the plunger 72 of the syringe pump 71 is reciprocated up and down. When the plunger 72 operates downward, the air in the first reaction tank 11 is compressed, a part of the synthesis reaction liquid L moves from the first reaction tank 11 side to the second reaction tank 12 side, and is sealed. The air in the second reaction tank 12 is compressed. When the plunger 72 returns upward, a part of the synthetic reaction liquid L moves from the second reaction tank 12 side to the first reaction tank 11 side due to the reaction of the compressed air in the sealed second reaction tank 12. To do. In this way, the semi-permeable membrane moves continuously or swings between the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12 in a state where the processing liquid L is pressurized by the reciprocation of the plunger 72 up and down. Filtration is performed by M, and a filtrate containing components that have passed through the semipermeable membrane is obtained from the discharge port 35, and the synthesis reaction liquid L is concentrated. By moving and swinging between the first reaction tank 11 and the second reaction tank 12, concentration polarization of the synthesis reaction liquid is suppressed, and filtration is performed in a pressurized state, thereby achieving high-efficiency filtration. Is done. Movement and swinging are controlled by the degree of pressurization and the reciprocating speed of the plunger 72.
[0064]
For the cell-free protein synthesis system of the present invention, known cell-free protein synthesis systems such as Escherichia coli, embryo, rabbit reticulocyte can be used. Germs such as wheat, barley, rice, corn, spinach, and E. coli can be preferably used. These are prepared by known methods as cell extracts for cell-free protein synthesis.
[0065]
In the present invention, the cell-free protein synthesis reaction solution contains ribosomes, mRNA, substrate amino acids, ATP and GTP. The cell-free protein synthesis reaction solution is placed in the first reaction tank and the second reaction tank to start the synthesis reaction. The addition of each component of the cell-free protein synthesis reaction solution to the synthesis reaction tank is not limited, and various forms are possible.
[0066]
Components that can pass through the semipermeable membrane include degraded products formed during synthesis, ie, ADP, AMP, GDP, GMP, phosphate, pyrophosphate, and the like. These components are inhibitors of protein synthesis and are removed from the synthesis reaction solution through a semipermeable membrane while maintaining a cell-free synthesis system. In addition, the component that can pass through the semipermeable membrane may include a synthesized relatively small target protein.
[0067]
Using the cell-free protein synthesizer of the present invention, the removal operation of the component that can pass through the semipermeable membrane can be performed at a high filtration rate by moving and / or shaking the synthesis reaction solution under pressure. It can be carried out.
[0068]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the filtration efficiency of the component which can pass a semipermeable membrane is high, and a compact cell-free protein synthesizer is provided. In addition, according to the present invention, there is provided a cell-free protein synthesis method that is capable of obtaining a high protein synthesis amount in a short time using the protein synthesizer and that is compact and simple.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an example of a synthesis reaction tank in a cell-free protein synthesizer of the present invention.
FIG. 2 is a vertical sectional view of the synthesis reaction tank of FIG.
FIG. 3 is a perspective view of a filtrate collecting bottom plate.
FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of a synthesis reaction tank showing a modification of the filtrate recovery means.
FIG. 5 is a perspective view of a spacer.
FIG. 6 is a perspective view of another example of the synthesis reaction tank in the cell-free protein synthesizer of the present invention.
7 is a vertical sectional view taken along line VII-VII in FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a cell-free protein synthesizer of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing another example of the schematic configuration of the cell-free protein synthesizer of the present invention.
[Explanation of symbols]
10: Synthesis reactor
11: First reactor
13: Liquid flow path
12: Second reactor
L: Synthesis reaction solution
M: Semipermeable membrane
35: Filtrate outlet
60: Means for moving and / or swinging the synthesis reaction liquid L
61: Syringe pump
62: Plunger
64: First pipe
65: Sealing cap
66: Second pipe
67: Sealing cap
68: Three-way valve
69: Pressure sensor

Claims (14)

無細胞タンパク質合成反応液を入れる第1の反応槽と、第1の反応槽と液体流通路を介して連通された前記合成反応液を入れる第2の反応槽と、第1の反応槽、液体流通路及び第2の反応槽のうちの少なくとも1つに備えられた半透性膜とを含む合成反応槽と、
第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた前記合成反応液を、液体流通路を介して相互に移動及び/又は揺動させる手段と
半透膜に接して設けられた、半透性膜を濾過により通過した濾過液を回収する手段と、回収する手段により回収された濾過液の排出口とを備えている無細胞タンパク質合成装置。
A first reaction tank containing a cell-free protein synthesis reaction liquid; a second reaction tank containing the synthesis reaction liquid communicated with the first reaction tank via a liquid flow path; a first reaction tank; a liquid A synthetic reaction vessel comprising a semipermeable membrane provided in at least one of the flow path and the second reaction vessel;
Means for moving and / or swinging the synthesis reaction liquid placed in the first reaction tank and the second reaction tank through the liquid flow path ;
A cell-free protein synthesizer provided with a means for collecting a filtrate that has passed through a semipermeable membrane by filtration, and a discharge port for the filtrate collected by the means for collecting, provided in contact with the semipermeable membrane .
液体流通路は、第1の反応槽の最深部から水平状に第2の反応槽の最深部にまで延びている略水平流通路である、請求項1に記載の無細胞タンパク質合成装置。The cell-free protein synthesizer according to claim 1, wherein the liquid flow path is a substantially horizontal flow path extending horizontally from the deepest part of the first reaction tank to the deepest part of the second reaction tank. 第1の反応槽、略水平流通路及び第2の反応槽のうちの少なくとも1つの底面を画定するように半透性膜が配置されている、請求項に記載の無細胞タンパク質合成装置。The cell-free protein synthesizer according to claim 2 , wherein the semipermeable membrane is disposed so as to define a bottom surface of at least one of the first reaction tank, the substantially horizontal flow path, and the second reaction tank. 液体流通路は、第1の反応槽の最深部から略鉛直面に沿って蛇行しながら第2の反応槽の最深部にまで延びている蛇行流通路である、請求項1に記載の無細胞タンパク質合成装置。The fluid channel is a serpentine flow passage extends to the deepest portion of the second reaction vessel while meandering along a substantially vertical plane from the deepest portion of the first reaction vessel, acellular according to claim 1 Protein synthesizer. 蛇行流通路の垂直両側面のうちの少なくとも一方を画定するように半透性膜が配置されている、請求項に記載の無細胞タンパク質合成装置。The cell-free protein synthesizer according to claim 4 , wherein the semipermeable membrane is disposed so as to define at least one of the vertical both sides of the meandering flow passage. 半透性膜は交換可能に備えられている、請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の無細胞タンパク質合成装置。The cell-free protein synthesizer according to any one of claims 1 to 5 , wherein the semipermeable membrane is exchangeably provided. 半透性膜は、透析膜、半透膜、限外濾過膜、限外濾過バリア、及び化学的又は生物的に目的物質を捕捉できる膜からなる群から選ばれる、請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の無細胞タンパク質合成装置。Semipermeable membrane, a dialysis membrane, a semipermeable membrane, an ultrafiltration membrane is selected from the group consisting of ultrafiltration barrier, and chemically or biologically film can be captured target substance, of claims 1-6 The cell-free protein synthesizer according to any one of the above. 第1の反応槽及び/又は第2の反応槽は、前記合成反応液についての吸収、蛍光又は散乱光の光学的測定が可能なように、及び/又は前記合成反応液の液量が光学的に確認可能なように構成されている、請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の無細胞タンパク質合成装置。The first reaction tank and / or the second reaction tank is capable of optically measuring absorption, fluorescence, or scattered light of the synthetic reaction liquid, and / or the amount of the synthetic reaction liquid is optical. The cell-free protein synthesizer according to any one of claims 1 to 7 , wherein the cell-free protein synthesizer is configured to be able to be confirmed. 前記合成反応液の移動及び/又は揺動手段は、第1の反応槽及び第2の反応槽のうちの少なくとも一方の内部を加圧する装置である、請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の無細胞タンパク質合成装置。It said moving and / or moving means of the synthesis reaction solution is at least one of the interior pressurizing apparatus of the first reaction vessel and second reaction vessel, any of claims 1-8 1 The cell-free protein synthesizer according to Item. 前記合成反応液の移動及び/又は揺動手段は、2つの加圧口を有し且つプランジャを備えたシリンジポンプと、前記一方の加圧口から第1反応槽に通じる第1パイプと、第1パイプを貫通させた第1反応槽の上部シール用キャップと、前記他方の加圧口から第2反応槽に通じる第2パイプと、第2パイプを貫通させた第2反応槽の上部シール用キャップと、第2パイプの途中に介在させられた三方バルブとから主として構成される、請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の無細胞タンパク質合成装置。The means for moving and / or swinging the synthetic reaction solution includes a syringe pump having two pressure ports and a plunger, a first pipe communicating from the one pressure port to the first reaction tank, A cap for sealing the upper part of the first reaction tank through which one pipe is passed, a second pipe leading from the other pressure port to the second reaction tank, and an upper seal of the second reaction tank through which the second pipe is passed. The cell-free protein synthesizer according to any one of claims 1 to 9 , mainly composed of a cap and a three-way valve interposed in the middle of the second pipe. 前記合成反応液の移動及び/又は揺動手段は、1つの加圧口を有し且つプランジャを備えたシリンジポンプと、前記加圧口から第1反応槽に通じるパイプと、前記パイプを貫通させた第1反応槽の上部シール用キャップと、第2反応槽の上部シール用キャップとから主として構成される、請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の無細胞タンパク質合成装置。The means for moving and / or swinging the synthetic reaction solution includes a syringe pump having one pressurizing port and a plunger, a pipe leading from the pressurizing port to the first reaction tank, and penetrating the pipe. The cell-free protein synthesizer according to any one of claims 1 to 9 , mainly composed of an upper sealing cap for the first reaction tank and an upper sealing cap for the second reaction tank. 請求項1〜11のうちのいずれか1項に記載の無細胞タンパク質合成装置を用いて、
無細胞タンパク質合成反応液を第1の反応槽及び第2の反応槽に入れ、タンパク質合成反応を行い、
第1の反応槽及び第2の反応槽に入れられた前記合成反応液を、液体流通路を介して相互に移動及び/又は揺動させながら、半透性膜を通過し得る成分を濾過により合成反応系から除去する、無細胞タンパク質合成方法。
Using the cell-free protein synthesizer according to any one of claims 1 to 11 ,
Put the cell-free protein synthesis reaction solution in the first reaction tank and the second reaction tank, perform the protein synthesis reaction,
A component that can pass through the semipermeable membrane is filtered by moving the synthesis reaction liquid placed in the first reaction tank and the second reaction tank to each other and / or swinging through the liquid flow path. A cell-free protein synthesis method for removing from a synthesis reaction system.
半透性膜を通過し得る成分の濾過を加圧状態で行う、請求項12に記載の無細胞タンパク質合成方法。The cell-free protein synthesis method according to claim 12 , wherein filtration of components that can pass through the semipermeable membrane is performed under pressure. 半透性膜を通過し得る成分には、合成中に形成された減成生産物が含まれる、請求項12又は13に記載の無細胞タンパク質合成方法。The cell-free protein synthesis method according to claim 12 or 13 , wherein the component capable of passing through the semipermeable membrane includes a degraded product formed during synthesis.
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