JP4643444B2 - High-throughput synthesis system and synthesis apparatus for automatically performing the system - Google Patents

High-throughput synthesis system and synthesis apparatus for automatically performing the system Download PDF

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本出願は、参照によりここに援用されるところの、日本特許出願番号2003−122930,2003−281500からの優先権を請求する。  This application claims the priority from Japanese patent application numbers 2003-122930, 2003-281500, which is incorporated herein by reference.

本発明は、鋳型物質からの無細胞系合成システムに関する。さらに詳しくは、鋳型物質を原料にして物質を合成するに際して、合成反応の最大効率化のためのシステムに関する。また、該システムを自動で行うための合成装置に関する。  The present invention relates to a cell-free synthesis system from a template material. More specifically, the present invention relates to a system for maximizing the efficiency of a synthesis reaction when a material is synthesized using a template material as a raw material. The present invention also relates to a synthesis apparatus for automatically performing the system.

タンパク質やRNAなどの生体高分子を生体外で合成する手段として、それらの反応に必要な基質、イオン類、緩衝液、細胞抽出液、及び合成酵素を試験管内に調製し反応をおこなう、いわゆるバッチ方式が古くから利用されてきた。しかしこのバッチ反応法は、その反応原理に起因するものとして、反応の進行に伴う基質濃度の低下と、合成阻害作用を有する副生成物の濃度上昇などのため、合成反応が短時間のうちに停止し、その結果、目的の生成産物量が低いという大きな限界があった。旧ソ連のA.Spirinらは、限外ろ過膜、透析膜、又は樹脂に翻訳鋳型を固定化したカラムクロマトグラフィー法等を利用することによって、アミノ酸やATP、GTPなどのエネルギー源及び基質の連続的な供給と同時に連続的な目的生成物および副生成物の反応系からの除去を可能とさせる連続式無細胞タンパク質合成法を発表している(非特許文献1)。しかし、これらの半透膜や限外ろ過カラムを用いる連続法は、複雑な装置の組立が必要とされ、さらに処理が煩雑なことから充分な経験も必要とされた。そして、この方式は同時に反応システムの自動化においても大きな難点となっていた。
遠藤らは、これらの問題を解決する方法として、半透膜を用いることなく基質の供給と副産物の除去を連続的におこなうことが可能な、接触界面拡散法を発明している(特許文献1)。この方法により、特別な反応装置を用いることなく大量のタンパク質を合成することが可能となった。しかし、該方法は、分子の拡散原理にもとづいているために、必要量のタンパク質を合成するために長時間を要するという欠点があり、その解決がまたれていた。
さらに、試験管内におけるRNA合成法、とりわけ、無細胞タンパク質合成反応に必須な翻訳鋳型であるmRNAのハイスループット合成法においてもタンパク質の無細胞合成法に見られる問題点が課題として残されていた。遠藤等はRNAの合成法の研究として、透析膜を利用する連続合成法を開発し、この方式がバッチ法の性能を大幅にうわまわる極めて合成収量の高いRNA合成法であることを見出している(特許文献2)。しかし、この半透膜等を用いるRNA連続合成法は、複雑な装置の組立が必要であり、そして処理が煩雑なことから充分な作業経験も必要とされた。さらに、この方式は反応システムの自動化においても大きな難点となっていた。
ポストゲノム時代の今日のタンパク質やRNAなどの生体高分子のハイスループット合成法に要求される要件としては、以下が考えられる。1)短時間内に大量合成が可能であること、2)短時間内に多種類の分子が合成可能であること、及び3)単純原理にもとづき、反応装置の自動化に向けた要素技術となり得ること、などである。特に、1)及び2)の要件は、単に合成の低価格化の観点からのみならず、比較的不安定な物性を持つタンパク質の活性を保有した状態で調製するために極めて重要である。
WO02/24939 WO01/27260 Spirin,A.et al.(1993)Meth.in Enzymol.,217,123−142
As a means of synthesizing biopolymers such as proteins and RNA in vitro, so-called batches are prepared by reacting the substrates, ions, buffers, cell extracts, and synthetic enzymes necessary for these reactions in a test tube. The method has been used for a long time. However, this batch reaction method is based on the reaction principle, and the synthesis reaction can be performed in a short time due to the decrease in the substrate concentration accompanying the progress of the reaction and the increase in the concentration of by-products having a synthesis inhibitory action. As a result, there was a major limitation that the amount of the desired product was low. Former Soviet Union Spirin et al., Using an ultrafiltration membrane, a dialysis membrane, or a column chromatography method in which a translation template is immobilized on a resin, etc. enables simultaneous supply of energy sources such as amino acids, ATP, GTP, and substrates. A continuous cell-free protein synthesis method that enables continuous removal of target products and by-products from the reaction system has been published (Non-patent Document 1). However, the continuous method using these semipermeable membranes and ultrafiltration columns requires the assembly of a complicated device, and further complicated processing, which requires sufficient experience. At the same time, this method has been a major difficulty in the automation of the reaction system.
Endo et al. Have invented a contact interface diffusion method capable of continuously supplying a substrate and removing a byproduct without using a semipermeable membrane as a method for solving these problems (Patent Document 1). ). This method made it possible to synthesize a large amount of protein without using a special reaction apparatus. However, since this method is based on the principle of molecular diffusion, there is a disadvantage that it takes a long time to synthesize a necessary amount of protein, and the solution has been struggled.
Furthermore, the problems found in the cell-free synthesis method of proteins remain in the RNA synthesis method in vitro, especially in the high-throughput synthesis method of mRNA, which is a translation template essential for the cell-free protein synthesis reaction. Endo et al. Have developed a continuous synthesis method using a dialysis membrane as a study of RNA synthesis methods, and have found that this method is an RNA synthesis method with extremely high synthesis yield that greatly improves the performance of the batch method. (Patent Document 2). However, this continuous RNA synthesis method using a semipermeable membrane or the like requires assembly of a complicated apparatus and complicated processing, and sufficient work experience is also required. Furthermore, this method has been a major difficulty in the automation of reaction systems.
The requirements for high-throughput synthesis of biopolymers such as proteins and RNA in the post-genome era can be considered as follows. 1) Mass synthesis is possible within a short time, 2) Many types of molecules can be synthesized within a short time, and 3) It can be an elemental technology for automation of reactors based on simple principles. And so on. In particular, the requirements of 1) and 2) are extremely important not only from the viewpoint of reducing the cost of synthesis, but also for preparing a protein having relatively unstable physical properties.
WO02 / 24939 WO01 / 27260 Spirin, A.M. et al. (1993) Meth. in Enzymol. , 217, 123-142

本発明の課題は、半透膜などの複雑な装置を利用する連続式合成法の原理とは完全に異なった、タンパク質やRNAなどの生体高分子のハイスループットな試験管内合成反応法のシステム技術及び該システムを用いた自動合成装置を提供することである。このことによって、遺伝子産物であるRNAやタンパク質などの構造・機能の解析のための網羅的調製や大量生産を簡便且つ効率的に行うことが可能になる。
本発明は、上記課題を解決するために、鋳型物質を原料にする合成系において、その高い反応速度の長時間維持を目的として種々検討を行った結果、以下の手段、その制御手段、又はその組み合わせを含む無細胞系システム及び該システムを用いた自動合成装置の完成により課題の解決を達成した。
即ち、本発明は以下のとおりである。
1.鋳型物質を原料にする合成系であって、以下の手段、その制御手段、又はその組合せを含むことを特徴とする無細胞系合成システム;
1)鋳型物質、基質、及び反応溶液を接触させて合成反応に導く。
2)合成速度の略低下前後、合成反応の略停止前後、又はそれらの途上に、反応溶液を希釈処理する。
3)希釈処理に続いて濃縮処理を行う。
4)濃縮された反応系によって合成反応をおこなう。
又は
1)鋳型物質、基質、及び反応溶液を接触させて合成反応に導く。
2)合成速度の略低下前後、合成反応の略停止前後、又はそれらの途上に、反応溶液を濃縮処理する。
3)濃縮処理に続いて希釈処理を行う。
4)希釈された反応系によって合成反応をおこなう。
2.濃縮処理で、副産物を反応系外に除去する前項1のシステム。
3.希釈処理で、基質、エネルギー源及び/又は鋳型物質の反応系内への補充が行われる前項1又は2のシステム。
4.1)〜4)の手段を複数回繰返すことを特徴とする前項1のシステム。
5.鋳型物質が、転写鋳型である前項1〜4の何れか一に記載のシステム。
6.鋳型物質が、翻訳鋳型である前項1〜4の何れか一に記載のシステム。
7.反応溶液が、細胞抽出物を含む前項6のシステム。
8.前項5のシステムで得られる転写産物産生系と前項6又は7のシステムで得られる翻訳産物産生系を組み合わせる無細胞系合成システム。
9.前項1〜8の何れか一に記載のシステムを利用する鋳型物質からの無細胞系合成方法に用いる試薬の少なくとも1を含む合成キット。
10.前項1〜8の何れか一に記載のシステムを利用する鋳型物質からの無細胞系合成方法。
11.前項1〜8の何れか一に記載のシステムを利用する鋳型物質からの無細胞系合成装置。
12.前項1〜8の何れか一に記載のシステムを自動で実施するための装置であって、タンパク質合成反応速度の高い合成反応初期相を利用した合成系を複数回実施するために以下の制御手段を少なくとも備える無細胞系合成装置;
(1)合成を開始する手段;
(2)反応液を濃縮する手段;
(3)反応液を希釈する手段;
(4)合成反応の再活性化手段;
(5)上記(2)〜(4)の手段を繰り返す手段;
又は
(1)合成を開始する手段;
(2)反応液を希釈する手段;
(3)反応液を濃縮する手段;
(4)合成反応の再活性化手段;
(5)上記(2)〜(4)の手段を繰り返す手段。
13.反応液を濃縮する手段が、限外ろ過膜を用いるものであって反応液を限外ろ過膜を通して反応系外に除去する際に、反応液中の限外ろ過膜を通過不能な物質が、反応系内に濃縮されるものである前項12に記載の合成装置。
14.反応液を濃縮する手段において、反応液の反応系外への除去に、遠心分離機及び/または吸引ポンプが用いられる前項13に記載の合成装置。
15.反応液を希釈する手段が、反応液に希釈溶液又は基質溶液を添加することである前項12に記載の合成装置。
16.無細胞タンパク質合成工程において、転写鋳型から翻訳鋳型にコードされるタンパク質を生成するまでの工程を自動で実施するために、以下の制御手段の1を少なくとも備える前項11〜15に記載の合成装置;
(1)反応容器内の温度を可変制御する手段;
(2)反応容器にサンプルまたは試薬を分注する手段;
(3)反応容器を搬送する手段;
(4)沈殿及び濃縮ろ過手段
17.前項1〜8の何れか一に記載のシステムを実施するためのプログラムであって、タンパク質合成反応速度の高い合成反応初期相を利用した合成系を複数回実施するために、以下の情報処理手段を含むプログラム。
(1)反応容器の容積と反応液濃度の情報を基に、単位時間当たりの合成量が減少傾向になる途上前の合成反応初期相範囲内の合成時間を設定する情報処理手段、
(2)(1)の合成反応初期相範囲内の合成時間に達すると、反応容器に希釈溶液を添加し、反応液を実質的に合成反応可能な濃度範囲外に設定する情報処理手段、
(3)(2)の後に、反応容器中の反応液を濃縮し、希釈液の添加によって増量された反応液の液量を元の液量に戻すように設定する情報処理手段、
(4)(3)の後に、合成反応を再開させるために反応至適温度に設定する情報処理手段、
(5)(1)〜(4)を複数回繰り返すための情報処理手段、
又は、
(1)反応容器の容積と反応液濃度の情報を基に、単位時間当たりの合成量が減少傾向になる途上前の合成反応初期相範囲内の合成時間を設定する情報処理手段、
(2)(1)の合成反応初期相範囲内の合成時間に達すると、反応容器中の反応液を濃縮し、反応液を実質的に合成反応可能な濃度範囲外に設定する情報処理手段、
(3)(2)の後に、反応容器に希釈溶液を添加し、濃縮によって減少された反応液の液量を元の液量に戻すように設定する情報処理手段、
(4)(3)の後に、合成反応を再開させるために反応至適温度に設定する情報処理手段、
(5)(1)〜(4)を複数回繰り返すための情報処理手段。
18.前項17に記載のプログラムが組みこまれた無細胞系合成装置であり、該プログラムの情報処理が該装置と協働して行われることにより、合成開始、反応液の希釈・濃縮、合成反応の再活性化手段が実行され、タンパク質合成反応速度の高い合成反応初期相を利用した合成系を複数回繰り返し実行できることを特徴とする無細胞系合成装置。
19.前項11〜16、18に記載の合成装置によって合成されたタンパク質。
The subject of the present invention is a system technology for a high-throughput in vitro synthesis reaction method of biopolymers such as proteins and RNA, which is completely different from the principle of the continuous synthesis method using a complex apparatus such as a semipermeable membrane. And an automatic synthesizer using the system. This makes it possible to easily and efficiently perform comprehensive preparation and mass production for analysis of structures and functions of gene products such as RNA and proteins.
In order to solve the above problems, the present invention has been conducted in various ways for the purpose of maintaining a high reaction rate for a long time in a synthesis system using a template substance as a raw material. The solution to the problem has been achieved by completing a cell-free system including a combination and an automatic synthesizer using the system.
That is, the present invention is as follows.
1. A cell-free synthesis system comprising a template material as a raw material and comprising the following means, control means, or a combination thereof:
1) A template substance, a substrate, and a reaction solution are brought into contact with each other to lead to a synthesis reaction.
2) The reaction solution is diluted before and after substantially decreasing the synthesis rate, approximately before and after the termination of the synthesis reaction, or in the middle thereof.
3) A concentration process is performed following the dilution process.
4) Perform the synthesis reaction using the concentrated reaction system.
Or 1) A template substance, a substrate, and a reaction solution are brought into contact with each other to lead to a synthesis reaction.
2) Concentrate the reaction solution before or after substantially lowering the synthesis rate, before or after substantially stopping the synthesis reaction, or on the way thereof.
3) A dilution process is performed following the concentration process.
4) Perform the synthesis reaction using the diluted reaction system.
2. The system according to item 1 above, wherein by-products are removed from the reaction system by concentration treatment.
3. 3. The system according to item 1 or 2, wherein the substrate, energy source and / or template material are replenished into the reaction system in the dilution process.
4.1) The system according to item 1 above, wherein the means of 4) is repeated a plurality of times.
5. 5. The system according to any one of items 1 to 4, wherein the template substance is a transfer template.
6). 5. The system according to any one of items 1 to 4, wherein the template substance is a translation template.
7). 7. The system according to item 6 above, wherein the reaction solution contains a cell extract.
8). A cell-free synthesis system that combines the transcription product production system obtained by the system of the previous item 5 and the translation product production system obtained by the system of the previous item 6 or 7.
9. A synthesis kit comprising at least one reagent used in a cell-free synthesis method from a template substance using the system according to any one of 1 to 8 above.
10. 9. A cell-free synthesis method from a template substance using the system according to any one of 1 to 8 above.
11. A cell-free synthesizer from a template substance using the system according to any one of 1 to 8 above.
12 9. An apparatus for automatically performing the system according to any one of 1 to 8 above, wherein the following control means is used to perform a synthesis system using a synthesis reaction initial phase having a high protein synthesis reaction rate a plurality of times. A cell-free synthesizer comprising:
(1) means for initiating synthesis;
(2) means for concentrating the reaction solution;
(3) means for diluting the reaction solution;
(4) means for reactivating the synthesis reaction;
(5) Means for repeating the above means (2) to (4);
Or (1) means for initiating synthesis;
(2) means for diluting the reaction solution;
(3) means for concentrating the reaction solution;
(4) means for reactivating the synthesis reaction;
(5) Means for repeating the means (2) to (4) above.
13. The means for concentrating the reaction solution uses an ultrafiltration membrane, and when the reaction solution is removed from the reaction system through the ultrafiltration membrane, a substance that cannot pass through the ultrafiltration membrane in the reaction solution, 13. The synthesizer according to item 12, which is concentrated in the reaction system.
14 14. The synthesizer according to item 13 above, wherein in the means for concentrating the reaction solution, a centrifuge and / or a suction pump is used to remove the reaction solution to the outside of the reaction system.
15. 13. The synthesizer according to item 12, wherein the means for diluting the reaction solution is to add a diluted solution or a substrate solution to the reaction solution.
16. In the cell-free protein synthesis step, in order to automatically perform the steps from the transcription template to the production of the protein encoded by the translation template, the synthesizer according to any one of the preceding items 11-15, comprising at least one of the following control means:
(1) means for variably controlling the temperature in the reaction vessel;
(2) Means for dispensing a sample or reagent into a reaction vessel;
(3) means for transporting the reaction vessel;
(4) Precipitation and concentration filtration means 17. A program for implementing the system according to any one of the preceding items 1 to 8, wherein the following information processing means is used to implement a synthesis system using a synthesis reaction initial phase having a high protein synthesis reaction rate multiple times: Including programs.
(1) Information processing means for setting a synthesis time within the initial phase range of the synthesis reaction just before the amount of synthesis per unit time tends to decrease based on information on the volume of the reaction vessel and the concentration of the reaction solution,
(2) Information processing means for adding a dilute solution to the reaction vessel when the synthesis time within the synthesis reaction initial phase range of (1) is reached, and setting the reaction solution outside a concentration range that can substantially undergo a synthesis reaction,
(3) Information processing means for concentrating the reaction liquid in the reaction vessel after (2) and setting the volume of the reaction liquid increased by addition of the diluent to return to the original liquid volume,
(4) After (3), an information processing means for setting the reaction optimal temperature in order to restart the synthesis reaction,
(5) Information processing means for repeating (1) to (4) a plurality of times,
Or
(1) Information processing means for setting a synthesis time within the initial phase range of the synthesis reaction just before the amount of synthesis per unit time tends to decrease based on information on the volume of the reaction vessel and the concentration of the reaction solution,
(2) Information processing means for concentrating the reaction solution in the reaction vessel when the synthesis time in the synthesis reaction initial phase range of (1) is reached, and setting the reaction solution outside the concentration range that can substantially undergo the synthesis reaction,
(3) After (2), an information processing means for adding a dilute solution to the reaction vessel and setting the volume of the reaction liquid reduced by the concentration back to the original liquid volume,
(4) After (3), an information processing means for setting the reaction optimal temperature in order to restart the synthesis reaction,
(5) Information processing means for repeating (1) to (4) a plurality of times.
18. A cell-free synthesizer in which the program according to the preceding item 17 is incorporated, and information processing of the program is performed in cooperation with the apparatus, so that synthesis is started, reaction solution is diluted and concentrated, A cell-free synthesizer characterized in that a reactivation means is executed and a synthesis system using a synthesis reaction initial phase having a high protein synthesis reaction rate can be repeatedly executed a plurality of times.
19. 19. A protein synthesized by the synthesizer according to the above items 11 to 16, 18.

図1:本発明の無細胞タンパク質合成方法とバッチ法による従来の無細胞タンパク質方法との実験結果の違いを示すグラフである。
図2:コムギ胚芽抽出液の濃度を変えた以外は実施例1と同様にして無細胞タンパク質合成を行った実験結果を示すグラフである。
図3A:コムギ胚芽抽出液の濃度を80OD、GFPmRNAの濃度を640μg/mlとし、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行う間隔を変化させた以外は実施例1と同様にして無細胞タンパク質合成を行った実験結果を示すグラフである。
図3B:希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行う間隔の違いによる合成されたGFPの量的差異を示すポリアクリルアミドゲル電気泳動結果である。
図4:ろ過膜を有する濃縮器と、送液ポンプとを組み合わせて本発明の無細胞タンパク質合成方法における副生成物の除去を実施し得るようにした構成の一例を模式的に示す図である。
図5:図4に示したろ過膜と送液ポンプとを副生成物の除去に用いる構成を用いて、本発明の無細胞タンパク質合成方法にてタンパク質合成を行った実験結果を示すグラフである。
図6:Aは、60ODのコムギ胚芽抽出液、450μg/mlのdihydrofolatereductase(DHFR)のmRNAを翻訳鋳型として用いた以外は実施例1と同様の翻訳反応液を用い、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を1時間間隔で2回繰り返した以外は実施例1と同様にして無細胞タンパク質合成を行った場合の実験結果を示す図である。
Bは、本発明の方法にてN末端にストレプトアビジンを融合したGFP融合タンパク質を合成し、GFP融合タンパク質を系外に単離する実験結果を示す電気泳動図である。
図7:本発明のRNA合成方法と、バッチ法による従来のインビトロでRNAを合成する方法との実験結果の違いを示す図である。
図8:エタノール沈殿により純化したmRNA、純化していないmRNAをそれぞれ翻訳鋳型として用いて、本発明の無細胞タンパク質合成方法を行った実験結果を示すグラフである。
図9:実験例7の転写反応後の転写反応液をそのまま用いて調製した翻訳反応液にて本発明の無細胞タンパク質合成方法を行った実験結果を示すグラフである。
図10:自動合成装置の概略図である。
図11:装置の実施例の結果を示すSDS−PAGEの図である。
FIG. 1 is a graph showing differences in experimental results between a cell-free protein synthesis method of the present invention and a conventional cell-free protein method using a batch method.
FIG. 2 is a graph showing the results of an experiment in which cell-free protein synthesis was performed in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the wheat germ extract was changed.
FIG. 3A: Cell-free protein synthesis was carried out in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the wheat germ extract was 80 OD, the concentration of GFP mRNA was 640 μg / ml, and the interval for performing the repeated repetition of dilution and concentration was changed. It is a graph which shows the experimental result performed.
FIG. 3B is a polyacrylamide gel electrophoresis result showing a quantitative difference of synthesized GFP due to a difference in intervals at which discontinuous repetition of dilution and concentration is performed.
FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of a configuration in which a by-product can be removed in the cell-free protein synthesis method of the present invention by combining a concentrator having a filtration membrane and a liquid feed pump. .
FIG. 5 is a graph showing the results of experiments in which protein synthesis was performed by the cell-free protein synthesis method of the present invention using the configuration using the filtration membrane and the liquid feed pump shown in FIG. .
FIG. 6A shows a discontinuous repetition of dilution and concentration using a translation reaction solution similar to that in Example 1 except that 60 OD wheat germ extract and 450 μg / ml dihydrofolate eductase (DHFR) mRNA were used as translation templates. It is a figure which shows the experimental result at the time of performing a cell-free protein synthesis | combination like Example 1 except having repeated operation twice at 1 hour intervals.
B is an electrophoretogram showing the experimental results of synthesizing a GFP fusion protein in which streptavidin is fused to the N-terminus by the method of the present invention and isolating the GFP fusion protein outside the system.
FIG. 7 is a diagram showing the difference in experimental results between the RNA synthesis method of the present invention and the conventional method for synthesizing RNA in vitro by the batch method.
FIG. 8 is a graph showing the experimental results of performing the cell-free protein synthesis method of the present invention using mRNA purified by ethanol precipitation and unpurified mRNA as translation templates.
FIG. 9 is a graph showing the results of an experiment in which the cell-free protein synthesis method of the present invention was performed using a translation reaction solution prepared using the transcription reaction solution after the transcription reaction of Experimental Example 7 as it was.
FIG. 10 is a schematic diagram of an automatic synthesizer.
FIG. 11 is a diagram of SDS-PAGE showing the results of an apparatus example.

符号の説明Explanation of symbols

1:ろ(濾)過濃縮器
2:送液ポンプ
3:反応槽
4:(RNA)基質溶液を収容した容器
5:送液切換バルブ
6:容器
T1:チューブT1
T2:チューブT2
T3:チューブT3
T4:チューブT4
T5:チューブT5
▲1▼:鋳型用プレート
▲2▼:試薬槽1(転写反応用溶液)
▲3▼:試薬槽2(翻訳反応用溶液)
▲4▼:試薬槽3(希釈溶液)
▲5▼:300μlチップ
▲6▼:20μlチップ
▲7▼:ロボットアーム
▲8▼:分注機1
▲9▼:分注機2
▲10▼:転写・ろ液受け用プレート
▲11▼:チップ廃棄口
▲12▼:恒温槽1
▲13▼:MTP(multi titer plate)ステージ
▲14▼:翻訳用プレート
▲15▼:昇降台
▲16▼:遠心機
▲17▼:廃液口
1: Filtration (filter) superconcentrator 2: Liquid feed pump 3: Reaction tank 4: Container containing (RNA) substrate solution 5: Liquid feed switching valve 6: Container T1: Tube T1
T2: Tube T2
T3: Tube T3
T4: Tube T4
T5: Tube T5
(1): Template plate (2): Reagent tank 1 (solution for transcription reaction)
(3): Reagent tank 2 (Translation reaction solution)
(4): Reagent tank 3 (diluted solution)
(5): 300 μl tip (6): 20 μl tip (7): Robot arm (8): Dispenser 1
(9) Dispenser 2
(10): Transfer / filtrate receiving plate (11): Chip disposal port (12): Thermostatic chamber 1
(13): MTP (multi titer plate) stage (14): Translation plate (15): Lift platform (16): Centrifuge (17): Waste port

本発明は、鋳型物質を原料にする一般的なバッチ式もしくは拡散連続バッチ式の、反応速度の高い合成反応初期相の特性を最大限に利用することを特徴とする合成法である。また該特性を最大に利用した合成法を自動可能化することを特徴とした合成装置である。
その手段は、合成速度の略低下前後又は合成反応の略停止前後、又はそれらの途上に、反応溶液の希釈処理又は濃縮処理を行う。この希釈処理又は濃縮処理で、鋳型物質を原料とする合成に必要とされる基質、エネルギー源、イオン類、緩衝液及び鋳型物質などの成分が補充又は濃縮される。
この希釈又は濃縮された反応溶液は、ついで、希釈された場合は濃縮処理、濃縮処理された場合は希釈処理をする。この処理で、反応溶液は元の反応至適濃度にもどされる。該濃縮処理で、反応溶液中成分が除去もしくは分離され、反応産物及び/又は反応副産物は、回収及び/又は除去がなされる。該濃縮又は希釈によって合成反応の各要素は再び至適濃度に調製される。そして、この希釈及び濃縮処理は、不連続に繰り返しおこなうことで、大量のタンパク質を合成可能とする。
本発明は、鋳型物質による合成反応を、希釈及び濃縮を不連続に繰り返し行う合成法を原理とするものである。
また、本発明の自動合成装置は、不連続に繰り返し行う合成法を自動化することを原理とするものである。
本発明において、鋳型物質を原料にする合成系の一は、mRNAを鋳型とするタンパク質の翻訳合成系、特に細胞内に備わるタンパク質翻訳装置であるリボソーム等を細胞から取り出し利用するタンパク質合成用細胞抽出液を使う無細胞タンパク質合成系である。その他の一は、RNAポリメラーゼを酵素として用いる転写鋳型による試験管内転写反応によるRNA合成系を意味する。
(無細胞タンパク質合成系)
無細胞タンパク質合成系のなかでも、コムギ胚芽抽出物を利用したものは、大腸菌抽出物を用いた無細胞タンパク質合成系に比べて特に核酸分解酵素活性が低く、さらに、翻訳活性が安定で且つ高い特性を持っている(Madin K.et al.,(2000)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 97,559−564)ため、プラスミドを鋳型とした転写・翻訳系で高効率のタンパク質合成が可能である(PCT/JP99/04088)。以下、本発明においては、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系及び該合成系において機能し得る転写鋳型の合成法を例として説明するが、本発明の基本原理は他の微生物や動物細胞由来の細胞抽出物を用いた無細胞タンパク質合成系及びそれに用いる転写鋳型の合成系にも応用できる。
(細胞抽出物)
細胞抽出物の市販品としては、大腸菌由来のE.coli S30 extract system(Promega)、RTS 500 Rapid translation System(Roche)、ウサギ網状赤血球由来のRabbit Reticulocyte Lysate System(Promega)、小麦胚芽由来のProteios(TM)(TOYOBO)等がある。このうち特に植物種子由来の胚芽抽出物を用いることが好ましく、小麦、大麦、稲、コーン、ほうれん草の種子等が例示され、小麦胚芽抽出液を用いる系が最適である。
(翻訳産物産出系)
ここで、翻訳産物産出系とは、細胞内に備わるタンパク質翻訳装置であるリボソーム等を含む成分を生物体から抽出し、この抽出液に翻訳鋳型、基質となる核酸、アミノ酸、エネルギー源、各種イオン、緩衝液、及びその他の有効因子を加えて試験管内で行う方法である。
(無細胞タンパク質合成系)
ここで、無細胞タンパク質合成系とは、細胞内に備わるタンパク質翻訳装置であるリボソーム等を含む成分を生物体から抽出し、この抽出液に転写、または翻訳鋳型、基質となる核酸、アミノ酸、エネルギー源、各種イオン、緩衝液、及びその他の有効因子を加えて試験管内で行う方法である。
(コムギ胚芽抽出液)
本発明の細胞抽出物含有液としては、このうちコムギ胚芽抽出液を用いたものが好適である。
コムギ胚芽抽出液の調製法としては、コムギ胚芽の単離方法として、例えばJohnston,F.B.et al.,Nature,179,160−161(1957)に記載の方法等が用いられ、また単離した胚芽からの細胞抽出物含有液の抽出方法としては、例えば、Erickson,A.H.et al.,(1996)Meth.In Enzymol.,96,38−50等に記載の方法を用いることができる。その他、特願2002−23139、特願2002−231340の方法が例示される。
本発明で好適に利用される胚芽抽出物は、原料であるコムギ自身が含有する又は保持するタンパク質合成機能を抑制する物質(トリチン、チオニン、リボヌクレアーゼ等の、mRNA、tRNA、翻訳タンパク質因子やリボソーム等に作用してその機能を抑制する物質)がほぼ完全に取り除かれている。すなわち、これらの阻害物質が局在する胚乳がほぼ完全に取り除かれ純化されている。胚乳の除去の程度は、コムギ胚芽抽出物中に夾雑するトリチンの活性、すなわちリボソームを脱アデニン化する活性をモニターリングすることにより評価できる。リボソームが実質的にアデニン化されていなければ、胚芽抽出物中に夾雑する胚乳由来成分がない、すなわち胚乳がほぼ完全に取り除かれ純化されていると判断される。リボソームが実質的に脱アデニン化されない程度とは、リボソームの脱アデニン化率が7%未満、好ましくは1%以下になっていることをいう。
上記胚芽抽出物は、細胞抽出物含有液由来および必要に応じて別途添加されるタンパク質を含有する。その含有量は、特に限定されないが、凍結乾燥状態での保存安定性、使い易さ等の点から、凍結乾燥前の組成物おいて、当該組成物全体の好ましくは1〜10重量%、より好ましくは2.5〜5重量%であり、また、凍結乾燥後の凍結乾燥組成物において、当該凍結乾燥組成物全体の好ましくは10〜90重量%、より好ましくは25〜70重量%である。なお、ここでいうタンパク質含有量は、吸光度(260,280,320nm)を測定することにより算出される。
(微生物の除去)
細胞抽出物含有液には、微生物、特に糸状菌(カビ)などの胞子が混入していることがあり、これら微生物を除去しておくことが好ましい。特に長期(1日以上)の無細胞タンパク質合成反応中に微生物の繁殖が見られることがあるので、これを阻止することは重要である。微生物の除去手段は特に限定されないが、ろ過滅菌フィルターを用いるのが好ましい。フィルターのポアサイズとしては、混入する可能性のある微生物が除去可能なサイズであれば特に限定されないが、通常0.1〜1マイクロメーター、好ましくは0.2〜0.5マイクロメーターが適当である。
さらに、細胞抽出物含有液の調製工程の何れかの段階において低分子合成阻害物質の除去工程、および/または還元剤濃度の低減工程を加えることにより特定の効果を有する無細胞タンパク質合成を行うための細胞抽出物含有液とすることができる。
(細胞抽出物含有液から低分子合成阻害物質の除去方法)
細胞抽出物含有液は、タンパク質合成阻害活性を有する低分子の合成阻害物質(以下、これを「低分子合成阻害物質」と称することがある)を含んでおり、これらを取り除くことにより、タンパク質合成活性の高い細胞抽出物含有液を取得することができる。具体的には、細胞抽出物含有液の構成成分から、低分子合成阻害物質を分子量の違いにより分画除去する。低分子合成阻害物質は、細胞抽出物含有液中に含まれるタンパク質合成に必要な因子のうち最も小さいもの以下の分子量を有する分子として分画することができる。具体的には、分子量50,000〜14,000以下、好ましくは14,000以下のものとして分画、除去し得る。
低分子合成阻害物質の細胞抽出物含有液からの除去方法としては、それ自体既知の通常用いられる方法が用いられるが、具体的には、透析膜を介した透析による方法、ゲルろ過法、あるいは限外ろ過法等が挙げられる。このうち、透析による方法が、透析内液に対しての物質の供給のし易さ等の点において好ましい。
透析による低分子合成阻害物質の除去操作に用いる透析膜としては、50,000〜12,000の除去分子量を有するものが挙げられる、具体的には除去分子量12,000〜14,000の再生セルロース膜(Viskase Sales,Chicago製)や、除去分子量50,000のスペクトラ/ポア6(SPECTRUM LABOTRATORIES INC.,CA,USA製)等が好ましく用いられる。このような透析膜中に適当な量の細胞抽出物含有液等を入れ常法を用いて透析を行う。透析を行う時間は、30分〜24時間程度が好ましい。
(細胞抽出物含有液の安定化)
低分子合成阻害物質の除去を行う際、細胞抽出物含有液に不溶性成分が生成される場合には、この生成を阻害する(以下、これを「細胞抽出物含有液の安定化」と称することがある)ことにより、最終的に得られる細胞抽出物含有液あるいは翻訳反応用溶液のタンパク質合成活性を高めることができる。細胞抽出物含有液あるいは翻訳反応用溶液の安定化の具体的な方法としては、上述した低分子合成阻害物質の除去を行う際に、細胞抽出物含有液あるいは翻訳反応用溶液を、少なくとも高エネルギーリン酸化合物、例えばATPまたはGTP等(以下、これを「安定化成分」と称することがある)を含む溶液として行う方法が挙げられる。高エネルギーリン酸化合物としては、ATPが好ましく用いられる。また、好ましくは、ATPとGTP、さらに好ましくはATP、GTP、及び20種類のアミノ酸を含む溶液中で行う。
これらの成分は、予め安定化成分を添加し、インキュベートした後、これを低分子阻害物質の除去工程に供してもよいし、低分子合成阻害物質の除去に透析法を用いる場合には、透析外液にも安定化成分を添加して透析を行って低分子合成阻害物質の除去を行うこともできる。透析外液にも安定化成分を添加しておけば、透析中に安定化成分が分解されても常に新しい安定化成分が供給されるのでより好ましい。このことは、ゲルろ過法や限外ろ過法を用いる場合にも適用でき、それぞれの担体を安定化成分を含むろ過用緩衝液により平衡化した後に、安定化成分を含む細胞抽出物含有液あるいは翻訳反応用溶液を供し、さらに上記緩衝液を添加しながらろ過を行うことにより同様の効果を得ることができる。
安定化成分の添加量、及び安定化処理時間としては、細胞抽出物含有液の種類や調製方法により適宜選択することができる。これらの選択の方法としては、試験的に量及び種類をふった安定化成分を細胞抽出物含有液に添加し、適当な時間の後に低分子阻害物質の除去工程を行い、取得された処理後細胞抽出物含有液を遠心分離等の方法で可溶化成分と不溶化成分に分離し、そのうちの不溶性成分が少ないものを選択する方法が挙げられる。さらには、取得された処理後細胞抽出物含有液を用いて無細胞タンパク質合成を行い、タンパク質合成活性の高いものを選択する方法も好ましい。また、上述の選択方法において、細胞抽出物含有液と透析法を用いる場合、適当な安定化成分を透析外液にも添加し、これらを用いて透析を適当時間行った後、得られた細胞抽出物含有液中の不溶性成分量や、得られた細胞抽出物含有液のタンパク質合成活性等により選択する方法も挙げられる。
このようにして選択された細胞抽出物含有液の安定化条件の例として、具体的には、透析法により低分子合成阻害物質の除去工程を行う場合においては、そのコムギ胚芽抽出物含有液、及び透析外液中に,ATPとしては100μM〜0.5mM、GTPは25μM〜1mM、20種類のアミノ酸としてはそれぞれ25μM〜5mM添加して30分〜1時間以上の透析を行う方法等が挙げられる。透析を行う場合の温度は、細胞抽出物含有液のタンパク質合成活性が失われず、かつ透析が可能な温度であれば如何なるものであってもよい。具体的には、最低温度としては、溶液が凍結しない温度で、通常−10℃、好ましくは−5℃、最高温度としては透析に用いられる溶液に悪影響を与えない温度の限界である40℃、好ましくは38℃である。
また、低分子合成阻害物質の除去を細胞抽出物含有液として調製した後に行えば、上記安定化成分を細胞抽出物含有液にさらに添加する必要はない。
(mRNAの調製)
鋳型物質としてのmRNAは、目的タンパク質をコードするものであれば、その調製法を制限されるものではなく、自体公知の如何なる方法も用いることができる。無論、本発明の手段によって鋳型物質としてのDNAから調製されたもの、さらには、これを一連の系の中で連続的に使用することが特に好ましい。
(翻訳反応用溶液の調製)
mRNAからタンパク質の合成は、リボゾームを含むタンパク質合成用細胞抽出液に、基質となるアミノ酸(20種の必須アミノ酸又は目的に応じたアナログもしくは変異体アミノ酸を用いる)、エネルギー源(ATP及び/又はGTP)、必要に応じて各種イオン(カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン等)、緩衝液(HEPES−KOH、Tris−酢酸等)、ATP再生系(ホスホエノールピルベートとピルビン酸キナーゼの組合せ、クレアチンリン酸とクレアチンキナーゼの組合せ等)、核酸分解酵素阻害剤(リボヌクレアーゼインヒビター、ヌクレアーゼインヒビター等)、tRNA、還元剤(ジチオスレイトール等)、ポリエチレングリコール、3’,5’−cAMP、葉酸、抗菌剤(アジ化ナトリウム、アンピシリン等)等の翻訳反応に好適な成分を含有する溶液(翻訳反応溶液)を無細胞タンパク質合成手段に適した濃度に添加し、これに翻訳鋳型のmRNAを添加して、翻訳反応用液を調製する。この翻訳反応用溶液を翻訳反応に適した温度に調製して、翻訳反応をおこない、目的とするタンパク質を合成する。
(転写反応)
転写鋳型は、本発明者が既に報告する汎用性ある鋳型分子の構築法(WO01/27260、02/18586)に準じて調製すればよく、例えばプラスミドベクターpEUに所望の構造遺伝子を導入し、SP6RNAポリメラーゼ処理で転写を行う方法等が好適に例示されるが、無論mRNAの調製法はこれに限定されない。転写鋳型を、転写鋳型中のプロモーターに適合するRNAポリメラーゼやRNA合成用の基質(4種類のリボヌクレオシド三リン酸)等の転写反応に必要な成分を含む溶液(転写反応溶液ともいう)と混合し、これを約20〜約60℃、好ましくは約30〜約42℃で、約30分〜約16時間、より好ましくは約2〜5時間インキュベートして転写反応をおこなう。
(合成反応)
本発明の無細胞系合成システムにおいては、以下の手段、手段の制御、又はこれらの組合せを含むシステムが遂行される。
必須の手段の1は、鋳型物質、基質、及び反応溶液を接触させて合成反応系に導くことである。前記記載の鋳型物質、基質、及び反応溶液(転写反応溶液又は翻訳反応用溶液)を至適濃度及び至適温度に調製し、最適な合成反応を行う。合成反応は、通常、約10分〜2時間、より好ましくは20分〜1時間行う。この時間は、各系に応じて変更可能であり、実験的繰り返しにより最適時間は調製可能である。本発明の、不連続繰り返し合成法にあっては、特にこのワンクールの処理時間は比較的短持間であることが好ましい。
(希釈又は濃縮)
必須の手段の2は、上記反応時間として、合成速度の略低下前後又は合成反応の略停止前後、又はそれらの途上に、反応系に対して希釈又は濃縮することである。合成速度の略低下前後とは、経時的にmRNA又はタンパク質の時間当たり合成量が、最大量から減少傾向がみえるタイミングを意味し、一般には点ではなく線として理解される。また、合成反応の略停止前後とは、合成量が実質的に検出できない程度に落ちたレベルをいうが、この場合も一般には点ではなく線として理解される。それらの途上とは、合成速度が低下をはじめ、合成反応が停止するまでの間をいう。なお、より好ましい合成効率を得るためには、合成速度の略低下前後に反応系に対して希釈又は濃縮処理をおこなうことである。この時間としては、最適には10分〜1時間である。
反応系に対する希釈又は濃縮は以下のように行われる。
希釈は、反応系に約1〜20倍、好ましくは約2〜10倍容量の水溶液を添加して行う。水溶液には、鋳型物質、基質、反応溶液を所望により含有させる。特に好適には、鋳型物質、基質、エネルギー源等を含む溶液が用いられる。各成分の添加濃度は、次の処理の濃縮後に合成至適濃度に調製されるべく選択される。この希釈によって、反応系は著しくその合成能力は低下された状態となる。この状態をもって、本発明は不連続と呼ぶ。
濃縮は、反応液を反応系外に除去する際に、反応液中の通過不能な物質(例えば、合成タンパク質、リボソーム等)が反応系内に濃縮されうる、自体公知のあらゆる濃縮手段を利用可能である。好適には、限外ろ過膜を使ったろ過処理、遠心分離機による処理、ゲルろ過処理、吸引ポンプ、液相もしくは気相に圧力差を発生させる方法等が例示される。この処理にあっては、膜の通過口径を調節することで、遠心分離操作、或は分子篩によって、反応産物、反応副産物を分離・除去する。膜の分子量カットサイズ、遠心速度、ゲルろ過条件は、自体公知の処理目的産物の物性によって最適調製可能である。本発明では、好適には10,000〜100,000Daの分子量カットの膜が好適に利用される。
この濃縮処理で、反応溶液は、元の容量の1/5〜2/3容量にまで濃縮され、その結果、各合成因子の合成至適濃度が大きくずれることとなる。この濃縮によって、反応系は著しくその合成能力は低下された状態となる。この状態をもって、本発明は不連続と呼ぶ。
(合成反応の再活性化)
必須の手段の3は、合成反応の再活性化である。前段階で希釈処理されたものは濃縮され、濃縮処理されたものは希釈処理が施される。
前者の場合、希釈処理に続いて、濃縮処理を行う。ここで濃縮とは、希釈によって増量された反応系の液量を、元の液量に戻すことを意味する。濃縮手段は、特に限定されるものではなく、自体公知のあらゆる濃縮手段を利用可能である。好適には、限外ろ過膜を使ったろ過処理、遠心分離機による処理、ゲルろ過処理、液相もしくは気相に圧力差を発生させる方法等が例示される。この処理にあっては、膜の通過口径を調節することで、遠心分離操作、或は分子篩によって、反応産物、反応副産物を分離・除去する。膜の分子量カットサイズ、遠心速度、ゲルろ過条件は、自体公知の処理目的産物の物性によって最適調製可能である。本発明では、好適には10,000〜100,000Daの分子量カットの膜が好適に利用される。
後者の場合、濃縮処理に続いて、希釈処理を行う。ここで希釈とは、濃縮によって減量された反応系の液量を、元の液量に戻すことを意味する。希釈溶液には、鋳型物質、基質、反応溶液を所望により含有させる。特に好適には、鋳型物質、基質、エネルギー源等を含む溶液が用いられる。各成分の添加濃度は、希釈後に合成至適濃度に調製されるべく選択される。
かくして、反応系の至適濃度に復活した反応系は、再び温度を反応至適温度に調製され、反応系が再活性化される。至適温度は、15〜25℃である。
なお、反応産物及び/又は反応副産物の分離・回収・除去等のためには、処理対象物との親和性に基づく処理も好適に実施可能である。親和性に基づくとは、親和性物質を固定化しておき、これと目的物質を接触させて結合させ、その後目的物質を溶離・回収する方法が例示される。親和性物質とは、例えば回収物質がタンパク質であれば、タンパク質に対する抗体、受容体に対するリガンド、転写因子に対する核酸等が例示される。なお、目的産物を適当なタグ・マーカーで修飾し(例えば、ストレプトアビジン、ヒスチジンタグ、GST、マルトース結合タンパク質等)、この修飾物質と特異的に結合しうる物質(例えば、ビオチン、2価金属イオン、グルタチオン、マルトース等)を使って精製することも可能である。
本発明では、希釈及び濃縮の処理を不連続に複数回繰返すことが可能であり、この繰り返しによって、無細胞合成系の再生を複数回達成する。この再生により、タンパク質の大量合成が達成されるのである。
本発明では、希釈及び濃縮の処理を、一連の工程として制御手段と組み合わせて遂行可能である。この制御のためには、駆動源(モータ、空圧・油圧機器、その他の動作制御可能なアクチュエータ等)及びコンピュータ制御による制御回路、シーケンス制御回路等により、動作のオン・オフ、動作の程度、動作スピード、動作間隔が調節される。また、信号転送用ドライバー、動作確認用センサー、動作制御用スイッチ、タイマー等は適宜所望により装備可能である。
本発明は上記説明のように、希釈と濃縮を不連続に複数回繰返すことによって、無細胞合成系の再生を達成するものであるが、より具体的にその効果を説明すると以下となる。
(希釈濃縮バッチ式無細胞タンパク質合成法)
本合成法では、合成反応容器は、従来使用されてきた限外ろ過膜や透析膜を装着した濃縮を可能とする容器をバッチ反応容器として合成反応を開始することが可能である。無細胞タンパク質合成手段を使い至適条件下タンパク質の合成反応後、例えば合成反応停止の前後に、反応系を再活性化するために、基質やエネルギー源となるアミノ酸、ATP,GTPの他緩衝液やイオン類などタンパク質合成に必要とされる成分(Madin K.et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA(2000),97,559−556に記載した透析外液のことで以下基質溶液と略す)及び鋳型物質のmRNAを含む溶液を、反応液の1から20倍容量に一度に添加し、希釈する(希釈処理)。その後、反応容器を例えば遠心機にかけ遠心することによってろ過膜をとおして容器内の増加した溶液を排出させてもとの反応液容量に戻す(濃縮処理)。この濃縮処理は、遠心力によらず液相もしくは気相に圧力差を発生させることによっても可能である。この希釈及び濃縮処理によって、新鮮な基質溶液を反応系に供給すると同時に、合成反応で生じた翻訳反応を阻害する副生成物質を排除することができる。このように例えば合成反応の停止前後におこなう基質等を含む溶液による反応液の希釈と濃縮を不連続に繰り返すことによって、反応系の再活性化が達成され、長時間にわたってタンパク質の合成が可能となる。この方法はSpirinらの開発した半透膜を使い連続的に基質、エネルギー源の補給と代謝産物の廃棄をおこなう、いわゆる連続法とはその原理を異にし、その合成の効果は、数十から数千倍に達する(本発明の方法では、半透膜をつかった方法で約30時間かけて得られる生産量を約2〜3時間で得られる)もので質において大きな差異をもつ。なお、本原理を用いるタンパク質合成手段において、使用するろ過膜の分画分子量サイズを選択することによって、副生成物の排除と同時に合成タンパク質を選択的に反応系から分画単離することを可能となる。すなわち、本原理を利用することによって、タンパク質の合成と合成産物の精製が同時に可能となる。なお、同様の効果は、濃縮を行った後に希釈を行う順序を変えた場合にも達成可能である。
(希釈濃縮バッチ試験管内RNA合成法:転写産物産出系)
ファージRNA合成酵素を用いる一般的なRNA合成反応液組成、反応方法および合成RNAの分析方法は、WO01/27260及びWO02/18586に記載した方法に準じた。本発明合成法では従来の限外ろ過膜や透析膜を装着した濃縮を可能とする容器をバッチ反応容器として合成反応を開始することが可能である。使用する限外ろ過膜の分画分子量はRNAが通過しないサイズを選ぶ。合成反応停止の前後に、基質となる4種類のリボヌクレオチド三リン酸、イオン類や緩衝液などのRNA合成に必要とされる成分を含む溶液(WO01/27260及びWO02/18586に記載した方法に準じて調製した透析外液のことで以下RNA基質溶液と略す)を、反応液の1から20倍容量を添加し希釈する。反応容器を遠心機にかけ遠心することによってろ過膜をとおして容器内の増加した溶液を排出させ、もとの反応液容量に濃縮する。この過程の処理は遠心力によらず液相もしくは気相に圧力差を発生させることによっても可能である。これら処理によって、新鮮な基質溶液を反応系に供給すると同時に、バッチRNA合成反応で生じたモノヌクレオチドとピロリン酸を系から排除することによって、化学平衡の原理によって事実上停止していたRNA合成反応を、平衡をずらすことによって再開せしめる。この反応停止前後におこなう基質による反応液の希釈とろ過濃縮を繰り返すことによって、長時間にわたるRNA合成が可能となる。この方法は先に遠藤らが発明した透析法によるRNA連続合成法(WO00/68412)とはその原理を異にする。本原理を用いるタンパク質合成手段において、合成後の反応液を水(あるいは所望する溶液)による希釈とろ過膜等を介した濃縮を繰り返すことによって、ヌクレオチド類、緩衝液成分やイオン類を含まないRNAを水(又は目的とする成分を含む溶液)として回収することができる。すなわち、この方法においては、鋳型となるDNA分子種を選択することによって、高速に、高収量且つ低価格(高価であるRNA合成酵素の使用量は通常のバッチ系で必要とされる量しか用いないので)で所望するmRNAを溶液として調製することが可能となる。
なお、同様の効果は、濃縮を行った後に希釈を行う順序を変えた場合にも達成可能である。
(自動合成装置)
本発明の自動合成装置は、少なくとも翻訳鋳型による合成反応(タンパク質合成)を、希釈及び濃縮を不連続に繰り返し行う合成法の一連の反応操作を自動で行わせる方法を提供する。さらには、転写産物産出系で合成した転写鋳型から該鋳型にコードされるタンパク質を生成するまでの反応操作を自動で行わせる方法を提供する。ここで「操作を自動で行わせる」とは、一連の工程中に、実験者が反応系(反応容器)に直接的に手動の操作を加えないことを意味する。従って、各工程を実行させるに際し、用いられる本発明の自動合成装置に設けられた所定の操作ボタンやスイッチなどの操作を実験者が手動で行うことは、本発明における「自動」の要件を損なうものではない。
本発明においては、転写産物産出系で合成した転写鋳型から該鋳型にコードされるタンパク質を生成するまでの反応操作を自動で行わせる装置は、以下の(1)〜(5)の手段を少なくとも有することをその特徴とするものである。
以下、各工程について具体的な実施態様を挙げて詳述するが、本発明の方法は、翻訳鋳型の精製工程の特徴を有する限り、それらに制限されるものではない。
(1)転写鋳型の作製工程
本発明の自動合成装置において、本工程は必ずしも自動で行う必要はなく、手動により得られた転写鋳型を以下の自動化工程に用いることもできるが、本工程を含めて、転写鋳型の作製から該鋳型にコードされる蛋白質の生成までの一連の工程を自動で行わせることがより好ましい。
本明細書において「転写鋳型」とは、インビトロ転写反応の鋳型分子として使用し得るDNAをいい、適当なプロモーター配列の下流に目的蛋白質をコードする塩基配列を少なくとも有する。適当なプロモーター配列とは、転写反応において使用されるRNAポリメラーゼが認識し得るプロモーター配列をいい、例えば、SP6プロモーター、T7プロモーター等が挙げられる。目的蛋白質をコードするDNAはいかなるものであってもよい。
転写鋳型は、プロモーター配列と目的蛋白質をコードする塩基配列との間に翻訳効率を制御する活性を有する塩基配列を有することが好ましく、例えば、タバコモザイクウイルス由来のΩ配列などのRNAウイルス由来である5’非翻訳領域、及び/又はコザック配列等を用いることができる。さらに、転写鋳型は、目的蛋白質をコードする塩基配列の下流に転写ターミネーション領域等を含む3’非翻訳領域を含むことが好ましい。3’非翻訳領域としては、終止コドンより下流の約1.0〜約3.0キロベース程度が好ましく用いられる。これらの3’非翻訳領域は必ずしも目的蛋白質をコードする遺伝子本来のそれである必要はない。
転写鋳型の作製は、自体公知の手法により実施することができる。例えば、所望の転写鋳型と同一の塩基配列を含むDNAが挿入されたプラスミドを有する大腸菌などの宿主細胞を培養し、周知の精製方法を用いて該プラスミドを大量調製した後、適当な制限酵素を用いて該プラスミドから転写鋳型DNAを切り出し、フェノール処理及びクロロホルム処理により制限酵素を除去し、さらにエタノールやイソプロパノールによるアルコール沈殿(必要に応じて、適当量の酢酸アンモニウム、酢酸ナトリウム、塩化ナトリウム等の塩を添加する)などにより転写鋳型を精製する方法が挙げられる。得られたDNAの沈殿は、超純水や後述の転写反応用溶液に溶解して以下の転写反応に供することができる。
かかる一連の操作を自動もしくは半自動(工程の一部に実験者が反応系に直接的に手動の操作を加える態様をいうものとする)で実施するための装置は知られており、これを本発明の自動合成装置に組み込むことにより、転写鋳型の作製から目的蛋白質の生成までを自動で行わせることが可能である。しかし、ハイスループット解析のための本発明に係るハイスループット合成システムの提供という本発明の目的と、装置の単純化、所要時間の短縮化等を考慮すれば、以下のポリメラーゼ・チェイン反応(PCR)法により転写鋳型を作製する方法を利用することがより好ましい。
本発明の合成装置の好ましい実施態様においては、目的蛋白質をコードするDNAがクローン化された宿主(例えば、該DNAを含むプラスミドを有する大腸菌など)を直接PCRにかけて転写鋳型を増幅する方法が用いられる。例えば、適当なプロモーター配列、翻訳効率を制御する活性を有する5’非翻訳配列及び目的蛋白質をコードするDNAの5’端領域の一部を含むオリゴヌクレオチドを、DNA自動合成機を用いて公知の手法により合成し、これをセンスプライマー、また3’非翻訳配列の3’端領域の配列を有するオリゴヌクレオチドをアンチセンスプライマーとし、鋳型として目的蛋白質をコードするDNAおよびその下流に該3’非翻訳配列を含むプラスミドを有する大腸菌などの宿主を直接PCR反応液に加えて、通常の条件で増幅反応を行わせることにより所望の転写鋳型を得ることができる。尚、非特異的増幅により生じる短鎖DNA(結果として目的産物の収量低下及び低分子翻訳産物ノイズを生じる)の生成を防ぐために、国際公開第02/18586号パンフレットに記載のプロモーター分断型プライマーを用いることもできる。
増幅反応は、市販のPCR用サーマルサイクラーを用いて市販のPCR用96穴プレート中で行うこともできるし、同様の温度可変制御装置を本発明の合成装置と連動させるか、あるいは本発明の合成装置の転写・翻訳反応を行わせるための各手段をそのままPCRに適用させることもできる。
上記のようにして得られる転写鋳型DNAはクロロホルム抽出やアルコール沈殿により精製した後に転写反応に供してもよいが、装置の単純化、所要時間の短縮化のためにはPCR反応液をそのまま転写鋳型溶液として使用することが好ましい。転写鋳型の作製において、上記した宿主からの直接PCRを用いることにより、一旦プラスミドを大量調製して、これを制限酵素処理して転写鋳型を得る方法と比較して、工程を格段に省略でき、少ない工程数で短時間での転写鋳型の大量合成が可能となる。すなわち、目的遺伝子を組み込んだプラスミドを有する大腸菌を培養してプラスミドを大最調製する工程を必要としないので、培養やプラスミド精製のための超遠心に要する時間を短縮することができる。また、プラスミドから転写鋳型を切り出すための制限酵素処理、及び制限酵素等を除去するためのフェノール処理、クロロホルム処理、転写鋳型の精製のためのアルコール沈殿、転写鋳型であるDNAの沈殿を溶解する工程を省略することができるので、フェノール/クロロホルムの残存による転写反応の阻害や、多工程の精製操作による転写鋳型のロスがない。また、反応に要するステップ数を少なくすることができるので使用するチップ数なども少なくて済むというさらなる利点を有する。
(2)転写反応工程
本発明の合成装置は、自体公知の方法を用いて調製された目的蛋白質をコードする転写鋳型DNAから、インビトロ転写反応により翻訳鋳型であるmRNAを生成させる工程を含む。当該工程は、反応系(例えば、96穴タイタープレートなどの市販の反応容器)に提供された転写鋳型を含む溶液、好ましくは上記PCR反応液と、転写鋳型中のプロモーターに適合するRNAポリメラーゼ(例えば、SP6 RNAポリメラーゼなど)やRNA合成用の基質(4種類のリボヌクレオシド3リン酸)等の転写反応に必要な成分を含む溶液(「転写反応用溶液」ともいう)とを混合した後、約20℃〜約60℃、好ましくは約30℃〜約42℃で約30分間〜約16時間、好ましくは約2時間〜約5時間該混合液をインキュベートすることにより行われる。転写鋳型溶液、転写反応用溶液の反応容器への分注、混合等の操作は後述の自動合成装置の分注手段(例えば、ピペッター(反応容器として市販の96穴タイタープレートを用いる場合には、ウェル間隔に適合した8連もしくは12連の分注チップを有するものが好ましく用いられる)など)を用いて行うことができる。また転写反応のためのインキュベーションは、後述の合成装置の温度制御手段により一定温度に制御しながら行うことができる。
(3)翻訳鋳型の精製工程
上記のようにして生成する転写産物(すなわち「翻訳鋳型」)は、所望により転写鋳型中に挿入された翻訳効率を制御する活性を有する5’非翻訳配列及び/又は3’非翻訳配列を含む、目的蛋白質をコードする塩基配列を有するRNA分子である。転写反応後の反応液中には、翻訳鋳型RNAの他に未反応のリボヌクレオシド3リン酸や反応副生物であるピロリン酸、その他転写反応用溶液に含有された塩などが混入しているが、これらの物質は後の翻訳反応を阻害することが知られているので、反応溶液を交換することによりこれらの物質を除く。かかる溶液交換手段としては、例えばフィルター付き容器に反応溶液を入れ、遠心により翻訳反応を阻害する物質を含む溶液を除き、新たに適当な緩衝液などの溶液を加え、これを繰り返す方法が例示されるが、これに限定されない。新たに加える溶液を翻訳反応用溶液とすれば、鋳型を精製することなく次の翻訳反応へ進むことができる。また、これらの物質を除去する手段として翻訳鋳型を選択的に沈殿させて未反応基質などを分離除去する方法が挙げられる。かかる沈殿手段としては、例えば塩析などが挙げられ、好ましくはアルコール沈殿法が例示されるが、それらに限定されない。アルコール沈殿法を用いる場合、使用するアルコールはRNAを選択的に沈殿させ得るものであれば特に制限はないが、例えばエタノール、イソプロパノールなどが好ましく、エタノールがより好ましい。エタノールの場合、転写反応液の約2倍量〜約3倍量、イソプロパノールの場合、転写反応液の約0.6倍量〜約1倍量を使用することが好ましい。また、適当な塩を共存させることにより沈殿の収量を増大させることができる。このような塩としては、酢酸アンモニウム、酢酸ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化リチウムなどが挙げられる。例えば、酢酸アンモニウムを用いる場合、終濃度が約0.5M〜約3Mとなるように添加することが望ましい。また、アルコール沈殿は室温で行えばよい。
(4)翻訳反応工程
上記のようにして得られる翻訳鋳型を含む翻訳反応用溶液を翻訳反応に適した温度で適当な時間インキュベートすることにより翻訳反応を行うことができる。翻訳反応は、通常、約10分〜2時間、より好ましくは20分〜1時間行う。この時間は、各系に応じて変更可能であり、実験的繰り返しにより最適時間は調製可能である。本発明の、不連続繰り返し合成法にあっては、特にこのワンクールの処理時間は比較的短持間であることが好ましい。
前述したように上記反応において、合成速度の略低下前後又は合成反応の略停止前後、又はそれらの途上に、反応系の希釈又は濃縮を行う。合成速度の略低下前後とは、経時的にタンパク質の時間当たり合成量が、最大量から減少傾向がみえるタイミングを意味し、一般には点ではなく線として理解される。また、合成反応の略停止前後とは、合成量が実質的に検出できない程度に落ちたレベルをいうが、この場合も一般には点ではなく線として理解される。それらの途上とは、合成速度が低下をはじめ、合成反応が停止するまでの間をいう。なお、より好ましい合成効率を得るためには、合成速度の略低下前後に反応系に対して希釈又は濃縮処理をおこなうことである。この時間としては、最適には10分〜1時間である。
反応系に対する希釈又は濃縮は以下のように行われる。
希釈は、反応系に約1〜20倍、好ましくは約2〜10倍容量の水溶液を添加して行う。水溶液には、鋳型物質、基質、反応溶液を所望により含有させる。特に好適には、鋳型物質、基質、エネルギー源等を含む溶液が用いられる。各成分の添加濃度は、次の処理の濃縮後に合成至適濃度に調製されるべく選択される。この希釈によって、反応系は著しくその合成能力は低下された状態となる。この状態をもって、本発明は不連続と呼ぶ。
濃縮は、反応液を反応系外に除去する際に、反応液中の通過不能な物質(例えば、合成タンパク質、リボソーム等)が反応系内に濃縮されうる、自体公知のあらゆる濃縮手段を利用可能である。好適には、限外ろ過膜を使ったろ過処理、遠心分離機による処理、ゲルろ過処理、吸引ポンプ、液相もしくは気相に圧力差を発生させる方法等が例示される。この処理にあっては、膜の通過口径を調節することで、遠心分離操作、或は分子篩によって、反応産物、反応副産物を分離・除去する。膜の分子量カットサイズ、遠心速度、ゲルろ過条件は、自体公知の処理目的産物の物性によって最適調製可能である。本発明では、好適には10,000〜100,000Daの分子量カットの膜が好適に利用される。
この濃縮処理で、反応溶液は、元の容量の1/5〜2/3容量にまで濃縮され、その結果、各合成因子の合成至適濃度が大きくずれることとなる。この濃縮によって、反応系は著しくその合成能力は低下された状態となる。この状態をもって、本発明は不連続と呼ぶ。
続いて合成反応の再活性化を行う。前段階で希釈処理されたものは濃縮され、濃縮処理されたものは希釈処理が施される。
前者の場合、希釈処理に続いて、濃縮処理を行う。ここで濃縮とは、希釈によって増量された反応系の液量を、元の液量に戻すことを意味する。濃縮手段は、特に限定されるものではなく、自体公知のあらゆる濃縮手段を利用可能である。好適には、限外ろ過膜を使ったろ過処理、遠心分離機による処理、ゲルろ過処理、液相もしくは気相に圧力差を発生させる方法等が例示される。この処理にあっては、膜の通過口径を調節することで、遠心分離操作、或は分子篩によって、反応産物、反応副産物を分離・除去する。膜の分子量カットサイズ、遠心速度、ゲルろ過条件は、自体公知の処理目的産物の物性によって最適調製可能である。本発明では、好適には10,000〜100,000Daの分子量カットの膜が好適に利用される。
後者の場合、濃縮処理に続いて、希釈処理を行う。ここで希釈とは、濃縮によって減量された反応系の液量を、元の液量に戻すことを意味する。希釈溶液には、鋳型物質、基質、反応溶液を所望により含有させる。特に好適には、鋳型物質、基質、エネルギー源等を含む溶液が用いられる。各成分の添加濃度は、希釈後に合成至適濃度に調製されるべく選択される。
かくして、反応系の至適濃度に復活した反応系は、再び温度を反応至適温度に調製され、反応系が再活性化される。至適温度は、15〜25℃である。
本発明では、希釈及び濃縮の処理を不連続に複数回繰り返すことが可能であり、この繰り返しによって、無細胞合成系の再生を複数回達成する。繰り返し回数は2回から20回、好ましくは5回から10回である。この再生により、タンパク質の大量合成が達成されるのである。
その他の工程については、自動化のために適用し得る従来公知の任意の手順や条件等に従って行えばよく、特に制限されるものではない。
本発明においては、上記操作を行うための装置は、以下の(a)〜(e)の手段を少なくとも有することをその特徴とするものである。
(a)反応容器内の温度を可変制御する手段;
(b)反応容器にサンプルまたは試薬を分注する手段;
(c)反応容器を搬送する手段;
(d)沈殿及び濃縮ろ過手段;
及び
(e)上記(a)〜(d)の手段を上述してきた本発明の方法に沿って動作させるように制御する制御手段。
かかる(a)〜(e)の構成を少なくとも有する装置を用いることで、上述してきた本発明の転写産物産出系で合成した転写鋳型から該鋳型にコードされるタンパク質を生成するまでの反応操作を自動で行うことを可能とできる。以下、各構成について具体的に詳述する。
(a)反応容器内の温度を可変制御する手段
反応容器内の温度を可変制御する手段とは、転写反応、翻訳反応のインキュベーション及び翻訳反応の停止、翻訳鋳型の沈殿、または本発明の自動合成装置を用いてPCR法による転写鋳型の作製工程を自動で実施する場合には該PCR法の増幅反応などにおいて、反応容器内の液温を適当な温度条件に調整するための手段である。可変制御する温度範囲は、特に制限はないが、転写鋳型の作製を含む無細胞蛋白質合成の一連の反応操作において通常必要とされる温度範囲(例えば、約4℃〜約100℃、好ましくは約15℃〜約60℃)内で反応容器内の液温を可変制御し得る手段であれば、これを実現し得る手段としては特に制限されるものではない。たとえば、従来公知のタカラPCRサーマルサイクラーMP(タカラバイオ株式会社製)、Gene Amp PCR System 9700(Applied Biosystems Inc.,製)などが挙げられる。具体的には、ピペッティングなどを行う場所であって反応容器を載置するための作業ステージとは別に、装置内に反応容器を載置するステージを複数設け、ステージ上の空間全体の温度を可変制御し、結果的に反応容器内の温度を可変制御するように実現される。
(b)反応容器にサンプルまたは試薬を分注する手段
反応容器にサンプルまたは試薬を分注する手段とは、反応容器内で転写反応、翻訳反応、PCRなどの一連の無細胞蛋白質合成反応を行わしめるために、反応容器にサンプルまたは試薬を分注する手段である。ここで「サンプル」は転写鋳型、翻訳鋳型、PCR用鋳型プラスミド(又は該プラスミドを有する宿主(例、大腸菌))等を指し、「試薬」は、転写反応用溶液、翻訳反応用溶液、翻訳反応溶液、希釈溶液、アルコール、塩溶液、PCR反応用溶液などを指す。かかる分注手段としては、工程に応じてサンプル、試薬の分量を調整して分注し得るものであれば、従来公知の適宜の自動で分注し得るピペットアーム(分注機)などを特に制限なく使用して実現することができる。また、ピペットアームは、使用済みチップを合成機のチップ廃棄口に廃棄する機能及び吸引したろ液等を廃液口に吐出する機能を備えることができる。
また、当該分注手段は、上記機能に加えて2種以上の溶液の均一化や沈殿溶解のための混合機能(例、ピペッティング、撹拌など)を備えていることがより好ましい。
さらに、ピペットアームにより、反応容器の各セル中に基質溶液又は希釈溶液を添加することにより、反応液の希釈処理が実行可能となる。
(c)反応容器を搬送する手段
反応容器を搬送する手段とは、反応容器を、各ステージ、遠心機、昇降台、恒温槽に移動させる手段である。かかる反応容器を搬送する手段は、反応容器を目的の場所に搬送可能であれば、特に制限されることなく従来公知の適宜の手段にて実現することができる。たとえば、従来の合成装置に使用されているロボットアームを用いて実現できる。
(d)沈殿及び濃縮ろ過手段
沈殿及び濃縮ろ過手段とは、転写反応中に生じた白濁物を沈殿させる操作または繰り返し翻訳反応時の反応液を濃縮ろ過する手段である。かかる手段は、反応中に生じた白濁物を沈殿させ得、固液分離可能とするものであり、また、繰り返し翻訳反応時の反応液の濃縮を可能とするものであれば、特に制限されることなく、従来公知の適宜の手段にて実現することができる。たとえば、従来公知の遠心分離機、その他、ろ過や凍結乾燥に従来から使用されている適宜の装置を用いて、該手段を実現できる。
(e)制御手段
制御手段には、上記(a)〜(d)の手段が動作するために各手段に用いられる駆動源(モータ、空圧・油圧機器、その他の動作制御可能なアクチュエータなど)の動作の入切、動作の程度及び状態などを制御する制御装置が含まれる。その制御の構成は、上記(a)〜(d)の手段の動作を、転写産物産出系で合成した転写鋳型から該鋳型にコードされるタンパク質を生成するまでの反応操作を自動で行わせる目的が達成できるものである。
前記制御装置は、例えば、制御プログラムを有するコンピュータを含んだ制御回路、シーケンス制御回路など、上記各手段の動作の制御に必要な制御機器を組み合わせて構成してもよく、目的に沿った順番で上記各手段が動作するよう、各手段に対して信号や必要に応じて電力、空圧、油圧等を供給し得る制御構成とする。また、上記各手段の駆動源に直接駆動信号を送るために必要なドライバー、上記各手段の駆動源の動作状態を検出するために必要な各種センサー、スイッチなどは適宜加えてよい。
なお本発明の合成装置に適用できる反応容器には特に制限はなく、無細胞蛋白質合成反応に使用されてきた従来公知の種々の反応容器を使用することが可能であり、例えば96穴PCR用プレート、96穴タイタープレート、8連チューブやチューブ(1.5mL、15mL、50mLなど)等が挙げられるが、例えば翻訳反応系としてバッチ法や重層法を用いる場合、96穴プレートなどの小さな反応系で翻訳反応を行うことができ、また、本発明の合成装置によれば転写反応も小さな反応系で行うことができるので、転写反応・翻訳鋳型の精製、翻訳反応、所望によりさらに転写反応に供する転写鋳型作製のためのPCRを含む一連の無細胞蛋白質合成法の反応操作を、複数の反応系で複数種の蛋白質について同時に行うことができ、短時間に多数の蛋白質を合成することができる。
さらに、翻訳鋳型による合成反応を、希釈及び濃縮を不連続に繰り返し行う合成法を行うための装置を提供する。本発明の装置は、以下の(1)〜(5)の手段を少なくとも有することをその特徴とするものである。
(1)合成を開始する手段;
(2)反応液を濃縮する手段;
(3)反応液を希釈する手段;
(4)合成反応の再活性化手段;
(5)上記(2)〜(4)の手段を繰り返す手段;
又は
(1)合成を開始する手段;
(2)反応液を希釈する手段;
(3)反応液を濃縮する手段;
(4)合成反応の再活性化手段;
(5)上記(2)〜(4)の手段を繰り返す手段;
かかる(1)〜(5)の構成を少なくとも有する装置を用いることで、上述してきた本発明のハイスループット合成システムを、自動で行うことを可能とできる。以下、各手段について具体的に詳述べる。
(1)合成を開始する手段;
▲1▼分注機を翻訳反応液が入った試薬槽に移動し、翻訳反応液を吸引する。
▲2▼分注機を翻訳用プレート(セルの底がフィルターになっている)上に移動し、転写産物の入った翻訳用プレートの各セル中に、翻訳反応液を吐出する。
▲3▼▲2▼に続いて、分注機が各セルのピペッテシングを行う。
▲4▼ロボットアームが、翻訳用プレートの蓋をし、該プレートを恒温槽に搬送及び恒温槽にセットする。
▲5▼翻訳プレートを保温して、合成を開始させる。
▲6▼設定された合成時間終了後に、ロボットアームが翻訳用プレートをMTPステージに搬送する。
(2)反応液を希釈する手段;
▲1▼分注機を希釈溶液が入った試薬槽に移動し、希釈溶液を吸引する。
▲2▼分注機を翻訳用プレート上に移動し、翻訳産物の入った翻訳用プレートの各セル中に、希釈溶液を吐出する。
(3)反応液を濃縮する手段
▲1▼ロボットアームが、翻訳用プレートを転写・ろ液受け用プレート上に重ねる。
▲2▼ロボットアームが、重ねた翻訳プレート及び転写・ろ液受け用プレートを昇降台に搬送する。
▲3▼重ねた翻訳プレート及び転写・ろ液受け用プレートを載置した昇降台を遠心機の高さに合うように、降下させる。
▲4▼ロボットアームが、重ねた翻訳プレート及び転写・ろ液受け用プレートを遠心機にセットする。この時に翻訳プレート及び転写・ろ液受け用プレートが一組の場合には、対角線上にダミープレートをセットする。また、2組の場合には、互いのプレートを対角線上にセットする。
▲5▼遠心機による遠心を開始する。この時に、翻訳用プレートの底は、フィルターになっているので、ろ液が転写・ろ液受け用プレートのセル中に除去され、翻訳用プレート中の各セルは濃縮される。
▲6▼ロボットアームが、重ねた翻訳プレート及び転写・ろ液受け用プレートを遠心機から昇降台に搬送する。
▲7▼重ねた翻訳プレート及び転写・ろ液受け用プレートを載置した昇降台を上昇させる。
▲8▼ロボットアームが、重ねた翻訳プレート及び転写・ろ液受け用プレートをMTPステージに搬送し、翻訳プレートと転写・ろ液受け用プレートを分離してセットする。
(4)合成反応の再活性化手段
前段で先に希釈処理された場合には続いて濃縮処理され、先に濃縮処理された場合には続いて希釈処理される。
▲1▼ロボットアームが、濃縮処理後の翻訳用プレート又は希釈後の翻訳用プレートを恒温槽に搬送及び恒温槽にセットする。
▲2▼翻訳プレートを保温して、合成を開始させる。
(5)上記(2)〜(4)の手段を繰り返す手段
▲1▼設定時間が終了した後に、恒温槽の温度を低下させて、実質的な合成を停止させる。
▲2▼ロボットアームが、翻訳用プレートをMTPステージに搬送する。
▲3▼(2)〜(4)に記載された手段を複数回繰り返す。
また、上記記載した合成装置の手段は、ハイスループット合成システムを、自動で行うための装置の一例であり、さらに濃縮処理による廃液処理手段、分注機のチップ廃棄処理手段等を含んでよい。
また、ハイスループット合成システムを実施するためのタンパク質合成反応速度の高い合成反応初期相を利用した合成系を複数回実施するために、以下の情報処理手段を含むプログラムも本発明の対象である。
(1)反応容器の容積と反応液濃度の情報を基に、単位時間当たりの合成量が減少傾向になる途上前の合成反応初期相範囲内の合成時間を設定する情報処理手段、
(2)(1)の合成反応初期相範囲内の合成時間に達すると、反応容器に希釈溶液を添加し、反応液を実質的に合成反応可能な濃度範囲外に設定する情報処理手段、
(3)(2)の後に、反応容器中の反応液を濃縮し、希釈溶液の添加によって増量された反応液の液量を元の液量に戻すように設定する情報処理手段、
(4)(3)の後に、合成反応を再開させるために反応至適温度に設定する情報処理手段、
(5)(1)〜(4)を複数回繰り返すための情報処理手段、
又は、
(1)反応容器の容積と反応液濃度の情報を基に、単位時間当たりの合成量が減少傾向になる途上前の合成反応初期相範囲内の合成時間を設定する情報処理手段、
(2)(1)の合成反応初期相範囲内の合成時間に達すると、反応容器中の反応液を濃縮し、反応液を実質的に合成反応可能な濃度範囲外に設定する情報処理手段、
(3)(2)の後に、反応容器に希釈溶液を添加し、濃縮によって減少された反応液の液量を元の液量に戻すように設定する情報処理手段、
(4)(3)の後に、合成反応を再開させるために反応至適温度に設定する情報処理手段、
(5)(1)〜(4)を複数回繰り返すための情報処理手段。
さらに、上記プログラムが組み込まれた従来公知の合成用装置において、該プログラムの情報処理が該合成装置と協働して行われることにより、合成開始、反応液の希釈・濃縮、合成反応の再活性化手段が実行され、タンパク質合成反応速度の高い合成反応初期相を利用した合成系を複数回繰り返し実行できることを特徴とする合成装置も本発明の対象である。
また、転写反応、翻訳反応を行わしめる際には、反応容器を密閉した中で行うことが好ましく、かかる観点からは蓋付きの反応容器を用い、さらに装置がこの反応容器の蓋の開閉を行う手段を有することが好ましい。上記蓋は、反応容器としてたとえば96穴プレートを用いる場合には、1個1個の穴をそれぞれ密封できるようなゴム製の蓋が例示される。閉じた状態で蓋を反応容器に密着させ得ることが好ましいことから、ある程度の重量(たとえば、500g程度)を有する蓋を用いるか、あるいは、クリップのようなもので蓋と反応容器とを挟んで蓋を閉じることが考えられる。また、反応容器の蓋の開閉を行う手段は、たとえば、従来公知のチャッキング機構・吸引機構と、ロボットアームとを組み合わせた機構などを用いて実現することができる。
本発明の合成装置は、上述した各手段以外に、反応試薬をストックする手段などを、必要に応じて有していてもよい。
上述のように、本発明のハイスループットシステム及び該システムを自動で行う装置は、同時に複数種の蛋白質を簡便に自動で合成することが可能である。たとえば、種々の変異体の蛋白質をコードする転写鋳型、翻訳鋳型を複数取り揃え、複数の変異体の蛋白質を同時に複数合成して、変異体の詳細な設計を要することなく解析等に供することができ、有用である。
また本発明のハイスループットシステム及び該システムを自動で行う装置は、様々な蛋白質のハイスループットな機能解析の用途に好適に供することができる。例えば、ホモロジー検索の結果、保存された共通のドメイン(例えば、キナーゼドメインなど)を含む蛋白質をコードする遺伝子群を鋳型とし、本発明の装置を用いて本発明の方法により該蛋白質を同時に合成し、一方でリン酸化の標的となり得る蛋白質群(例えば、転写因子など)を同様に合成し、両者を種々の組み合わせで混合し、例えば、32P標識したATPの取り込みを指標として、どの蛋白質キナーゼがどの蛋白質をリン酸化するかを同定することができる。
あるいは、転写因子に特有のモチーフ(例えばZnフィンガー、ロイシンジッパー等)を含む蛋白質をコードする遺伝子群を鋳型とし、本発明の装置を用いて本発明の方法により該蛋白質を同時に合成し、既知のシスエレメント配列との結合、他の転写制御因子とのヘテロダイマー形成能、さらに特定遺伝子プロモーターの転写制御領域との結合能等を調べることにより、転写因子の織りなすクロストークの解明のための情報を得ることができる。
The present invention is a synthesis method characterized by maximally utilizing the characteristics of an initial phase of a synthesis reaction having a high reaction rate, which is a general batch type or diffusion continuous batch type using a template material as a raw material. Further, the present invention is a synthesizer characterized in that a synthesizer that makes maximum use of the characteristics can be automatically made available.
That means is that the reaction solution is diluted or concentrated before or after substantially decreasing the synthesis rate, before or after the synthesis reaction is substantially stopped, or in the middle thereof. In this dilution process or concentration process, components such as substrates, energy sources, ions, buffers, and template substances required for synthesis using the template substance as a raw material are supplemented or concentrated.
The diluted or concentrated reaction solution is then subjected to a concentration treatment when diluted, or a dilution treatment when concentrated. By this treatment, the reaction solution is returned to the original optimum reaction concentration. In the concentration treatment, components in the reaction solution are removed or separated, and reaction products and / or reaction byproducts are collected and / or removed. By the concentration or dilution, each element of the synthesis reaction is adjusted again to the optimum concentration. This dilution and concentration treatment is repeated discontinuously, so that a large amount of protein can be synthesized.
The principle of the present invention is a synthesis method in which the synthesis reaction using the template substance is repeatedly diluted and concentrated repeatedly.
The automatic synthesizing apparatus of the present invention is based on the principle of automating a synthesis method that is repeatedly performed discontinuously.
In the present invention, one of the synthesis systems using a template material as a raw material is a protein translation synthesis system using mRNA as a template, and in particular, cell extraction for protein synthesis that uses a ribosome, which is a protein translation apparatus provided in a cell, from a cell. A cell-free protein synthesis system that uses liquid. The other means an RNA synthesis system by in vitro transcription reaction using a transcription template using RNA polymerase as an enzyme.
(Cell-free protein synthesis system)
Among cell-free protein synthesis systems, those using wheat germ extract have particularly low nucleolytic enzyme activity and stable and high translation activity compared to cell-free protein synthesis systems using E. coli extract. (Madin K. et al., (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 559-564), which enables highly efficient protein synthesis in a transcription / translation system using a plasmid as a template. (PCT / JP99 / 04088). Hereinafter, in the present invention, a wheat germ cell-free protein synthesis system and a method for synthesizing a transcription template capable of functioning in the synthesis system will be described as examples. The basic principle of the present invention is cell extraction from other microorganisms or animal cells. It can also be applied to a cell-free protein synthesis system using a product and a transcription template synthesis system used therefor.
(Cell extract)
Commercially available cell extracts include E. coli-derived E. coli. E. coli S30 extract system (Promega), RTS 500 Rapid translation System (Roche), Rabbit Reticulocyte Lysate System (Promega) derived from rabbit reticulocyte, Proteos derived from wheat germ (Promega) TM ) (TOYOBO). Among these, it is particularly preferable to use a germ extract derived from plant seeds, and examples include wheat, barley, rice, corn, spinach seeds, etc., and a system using a wheat germ extract is optimal.
(Translation product production system)
Here, the translation product production system means that a component containing ribosome, which is a protein translation apparatus provided in a cell, is extracted from an organism, a translation template, a nucleic acid serving as a substrate, an amino acid, an energy source, and various ions. , Buffer solution, and other effective factors are added in a test tube.
(Cell-free protein synthesis system)
Here, the cell-free protein synthesis system means that a component including ribosome, which is a protein translation apparatus provided in a cell, is extracted from an organism and transferred to this extract, or a translation template, a substrate nucleic acid, amino acid, energy Source, various ions, buffer, and other effective factors are added in a test tube.
(Wheat germ extract)
Among these, the cell extract-containing solution of the present invention is preferably one using a wheat germ extract.
As a method for preparing a wheat germ extract, as a method for isolating wheat germ, for example, Johnston, F. et al. B. et al. , Nature, 179, 160-161 (1957), and the like. As a method for extracting a cell extract-containing liquid from an isolated embryo, for example, Erickson, A. et al. H. et al. (1996) Meth. In Enzymol. 96, 38-50 etc. can be used. In addition, the methods of Japanese Patent Application Nos. 2002-23139 and 2002-231340 are exemplified.
The germ extract suitably used in the present invention is a substance that suppresses the protein synthesis function contained in or retained by the raw wheat itself (tritin, thionine, ribonuclease, mRNA, tRNA, translated protein factor, ribosome, etc. The substance that acts on and suppresses its function) is almost completely removed. That is, the endosperm where these inhibitors are localized is almost completely removed and purified. The degree of endosperm removal can be evaluated by monitoring the activity of tritin contaminated in the wheat germ extract, that is, the activity of deadenating the ribosome. If the ribosome is not substantially adenylated, it is judged that there is no contaminating endosperm-derived component in the embryo extract, that is, the endosperm is almost completely removed and purified. The extent to which the ribosome is not substantially deadeninated means that the deadenination rate of the ribosome is less than 7%, preferably 1% or less.
The embryo extract contains a protein derived from a cell extract-containing solution and separately added as necessary. The content is not particularly limited, but from the viewpoint of storage stability in a lyophilized state, ease of use, etc., in the composition before lyophilization, preferably 1 to 10% by weight of the whole composition, more It is preferably 2.5 to 5% by weight, and in the lyophilized composition after lyophilization, it is preferably 10 to 90% by weight, more preferably 25 to 70% by weight of the entire lyophilized composition. The protein content here is calculated by measuring the absorbance (260, 280, 320 nm).
(Removal of microorganisms)
The cell extract-containing solution may contain microorganisms, particularly spores such as filamentous fungi, and it is preferable to remove these microorganisms. In particular, it is important to prevent the growth of microorganisms during long-term (one day or longer) cell-free protein synthesis reactions. The means for removing microorganisms is not particularly limited, but it is preferable to use a filter sterilization filter. The pore size of the filter is not particularly limited as long as microorganisms that may be mixed are removable, but usually 0.1 to 1 micrometer, preferably 0.2 to 0.5 micrometer is appropriate. .
Furthermore, in order to perform cell-free protein synthesis having a specific effect by adding a low molecular weight synthesis inhibitor removing step and / or a reducing agent concentration reducing step at any stage of the cell extract-containing liquid preparation step Cell extract-containing liquid.
(Method for removing low molecular weight synthesis inhibitors from cell extract-containing solutions)
The cell extract-containing solution contains a low-molecular synthesis inhibitor having protein synthesis inhibitory activity (hereinafter sometimes referred to as “low-molecular synthesis inhibitor”), and by removing these, protein synthesis A highly active cell extract-containing solution can be obtained. Specifically, the low molecular weight synthesis inhibitor is fractionated and removed from the constituents of the cell extract-containing solution based on the difference in molecular weight. The low molecular weight synthesis inhibiting substance can be fractionated as a molecule having a molecular weight equal to or smaller than the smallest factor necessary for protein synthesis contained in the cell extract-containing solution. Specifically, it can be fractionated and removed with a molecular weight of 50,000 to 14,000 or less, preferably 14,000 or less.
As a method for removing a low-molecular-weight synthesis inhibitor from a cell extract-containing solution, a commonly used method known per se is used. Specifically, a method by dialysis through a dialysis membrane, a gel filtration method, or Examples thereof include an ultrafiltration method. Among these, the method by dialysis is preferable in terms of ease of supplying the substance to the dialysis internal solution.
Examples of the dialysis membrane used for the removal operation of the low molecular weight synthesis inhibitor by dialysis include those having a removal molecular weight of 50,000 to 12,000, specifically, regenerated cellulose having a removal molecular weight of 12,000 to 14,000. A membrane (manufactured by Viscose Sales, Chicago) or Spectra / pore 6 (manufactured by SPECTRUM LABORTORIES INC., CA, USA) having a removal molecular weight of 50,000 is preferably used. An appropriate amount of a cell extract-containing solution or the like is placed in such a dialysis membrane and dialyzed using a conventional method. The time for dialysis is preferably about 30 minutes to 24 hours.
(Stabilization of cell extract-containing solution)
When an insoluble component is generated in the cell extract-containing solution when removing the low-molecular-weight synthesis inhibitor, this generation is inhibited (hereinafter referred to as “stabilization of the cell extract-containing solution”). The protein synthesis activity of the cell extract-containing solution or translation reaction solution finally obtained can be increased. As a specific method for stabilizing the cell extract-containing solution or translation reaction solution, the cell extract-containing solution or translation reaction solution must be at least high-energy when removing the low-molecular synthesis inhibitor described above. Examples thereof include a method of carrying out as a solution containing a phosphoric acid compound such as ATP or GTP (hereinafter sometimes referred to as “stabilizing component”). ATP is preferably used as the high energy phosphoric acid compound. Further, it is preferably performed in a solution containing ATP and GTP, more preferably ATP, GTP, and 20 kinds of amino acids.
These components may be preliminarily added with a stabilizing component, incubated, and then subjected to a step of removing a low molecular weight inhibitor. If a dialysis method is used to remove a low molecular weight inhibitor, dialysis is used. It is also possible to remove the low-molecular-weight synthesis inhibitor by adding a stabilizing component to the external liquid and performing dialysis. It is more preferable to add a stabilizing component to the external dialysis solution because a new stabilizing component is always supplied even if the stabilizing component is decomposed during dialysis. This can also be applied when using a gel filtration method or an ultrafiltration method, and after each carrier is equilibrated with a filtration buffer containing a stabilizing component, a cell extract-containing solution containing a stabilizing component or The same effect can be obtained by providing a translation reaction solution and performing filtration while adding the above buffer solution.
The addition amount of the stabilizing component and the stabilization treatment time can be appropriately selected depending on the type of cell extract-containing liquid and the preparation method. These selection methods include the addition of a stabilizing component, which is experimentally used in various amounts and types, to the cell extract-containing solution, followed by a removal step of the low-molecular inhibitor after an appropriate time, and after the obtained treatment. Examples include a method of separating a cell extract-containing solution into a solubilized component and an insolubilized component by a method such as centrifugation, and selecting one having a small amount of insoluble components. Furthermore, a method of performing cell-free protein synthesis using the obtained post-treatment cell extract-containing solution and selecting one having a high protein synthesis activity is also preferred. In addition, in the above selection method, when using a cell extract-containing solution and a dialysis method, an appropriate stabilizing component is also added to the external dialysis solution, and after dialysis is performed for an appropriate time using these, the obtained cells Examples of the method include selection based on the amount of insoluble components in the extract-containing liquid, the protein synthesis activity of the obtained cell extract-containing liquid, and the like.
As an example of the stabilization conditions of the cell extract-containing solution selected in this way, specifically, in the case of performing the step of removing the low-molecular synthesis inhibitor by dialysis, the wheat germ extract-containing solution, In addition, in the external dialysis solution, ATP is 100 μM to 0.5 mM, GTP is 25 μM to 1 mM, 20 amino acids are each 25 μM to 5 mM, and dialysis is performed for 30 minutes to 1 hour or more. . The temperature for dialysis may be any temperature as long as the protein synthesis activity of the cell extract-containing solution is not lost and dialysis is possible. Specifically, the minimum temperature is a temperature at which the solution does not freeze, usually −10 ° C., preferably −5 ° C., and the maximum temperature is a temperature limit of 40 ° C. that does not adversely affect the solution used for dialysis, Preferably it is 38 degreeC.
Further, if the removal of the low-molecular synthesis inhibitor is performed after preparing the cell extract-containing solution, it is not necessary to further add the stabilizing component to the cell extract-containing solution.
(Preparation of mRNA)
The preparation method of mRNA as a template substance is not limited as long as it encodes the target protein, and any method known per se can be used. Of course, it is particularly preferable to use one prepared from DNA as a template substance by the means of the present invention, and further to use it continuously in a series of systems.
(Preparation of translation reaction solution)
For protein synthesis from mRNA, amino acids (20 kinds of essential amino acids or analogs or mutant amino acids depending on the purpose) or energy source (ATP and / or GTP) are used as a substrate in a cell extract for protein synthesis containing ribosomes. ), Various ions (calcium ion, magnesium ion, ammonium ion, etc.), buffer solution (HEPES-KOH, Tris-acetic acid, etc.), ATP regeneration system (combination of phosphoenolpyruvate and pyruvate kinase, creatine phosphorus as necessary) Combination of acid and creatine kinase, etc.), nuclease inhibitor (ribonuclease inhibitor, nuclease inhibitor, etc.), tRNA, reducing agent (dithiothreitol, etc.), polyethylene glycol, 3 ′, 5′-cAMP, folic acid, antibacterial agent ( Sodium azide, Add a solution (translation reaction solution) containing a component suitable for translation reaction (such as Npicillin) to a concentration suitable for cell-free protein synthesis means, add the mRNA for the translation template to this, and add the translation reaction solution. Prepare. This translation reaction solution is prepared at a temperature suitable for the translation reaction, the translation reaction is performed, and the target protein is synthesized.
(Transcription reaction)
A transcription template may be prepared according to a general-purpose template molecule construction method (WO01 / 27260, 02/18586) already reported by the present inventors. For example, a desired structural gene is introduced into a plasmid vector pEU and SP6 RNA is introduced. A method of performing transcription by polymerase treatment and the like are preferably exemplified, but of course, the method for preparing mRNA is not limited thereto. Mix the transcription template with a solution (also called a transcription reaction solution) containing components necessary for the transcription reaction, such as RNA polymerase compatible with the promoter in the transcription template and a substrate for RNA synthesis (four types of ribonucleoside triphosphates). Then, this is incubated at about 20 to about 60 ° C., preferably about 30 to about 42 ° C. for about 30 minutes to about 16 hours, more preferably about 2 to 5 hours to carry out the transcription reaction.
(Synthetic reaction)
In the cell-free synthesis system of the present invention, a system including the following means, control of means, or a combination thereof is performed.
One of the essential means is to bring the template substance, the substrate, and the reaction solution into contact with each other and guide them to the synthesis reaction system. The template substance, substrate, and reaction solution (transcription reaction solution or translation reaction solution) described above are prepared at an optimal concentration and temperature, and an optimal synthesis reaction is performed. The synthesis reaction is usually performed for about 10 minutes to 2 hours, more preferably 20 minutes to 1 hour. This time can be changed according to each system, and the optimum time can be prepared by experimental repetition. In the discontinuous repetitive synthesis method of the present invention, it is particularly preferable that this one-cool processing time is relatively short.
(Dilution or concentration)
The essential means 2 is to dilute or concentrate the reaction system as a reaction time before or after substantially lowering the synthesis rate, before or after substantially stopping the synthesis reaction, or during the reaction. The term “approximately before and after the decrease in the synthesis rate” means the timing at which the amount of mRNA or protein synthesized per hour tends to decrease from the maximum amount over time, and is generally understood as a line rather than a point. Further, “before and after substantially stopping the synthesis reaction” refers to a level at which the amount of synthesis has dropped to a level where it cannot be substantially detected. In this case as well, it is generally understood as a line rather than a point. In the process, the synthesis rate starts to decrease and the synthesis reaction stops. In order to obtain more preferable synthesis efficiency, the reaction system is diluted or concentrated before and after substantially decreasing the synthesis rate. This time is optimally 10 minutes to 1 hour.
Dilution or concentration of the reaction system is performed as follows.
Dilution is performed by adding about 1 to 20 times, preferably about 2 to 10 times the volume of aqueous solution to the reaction system. The aqueous solution contains a template substance, a substrate, and a reaction solution as desired. Particularly preferably, a solution containing a template substance, a substrate, an energy source and the like is used. The concentration of each component added is selected to be adjusted to the optimum concentration after the concentration of the next treatment. By this dilution, the reaction system is remarkably reduced in its synthesis ability. With this state, the present invention is called discontinuous.
Concentration can use any means known per se that can concentrate substances that cannot pass through the reaction solution (eg, synthetic proteins, ribosomes, etc.) into the reaction system when the reaction solution is removed from the reaction system. It is. Preferable examples include filtration using an ultrafiltration membrane, treatment with a centrifugal separator, gel filtration, a suction pump, a method of generating a pressure difference in the liquid phase or gas phase, and the like. In this process, by adjusting the passage diameter of the membrane, the reaction product and reaction by-product are separated and removed by centrifugal separation or molecular sieve. The molecular weight cut size of the membrane, the centrifugal speed, and the gel filtration conditions can be optimally adjusted depending on the physical properties of the product to be processed known per se. In the present invention, a film having a molecular weight cut of 10,000 to 100,000 Da is preferably used.
By this concentration treatment, the reaction solution is concentrated to 1/5 to 2/3 volume of the original volume, and as a result, the optimum synthesis concentration of each synthesis factor is greatly shifted. By this concentration, the reaction system is remarkably reduced in its synthesis ability. With this state, the present invention is called discontinuous.
(Reactivation of synthesis reaction)
The essential means 3 is reactivation of the synthesis reaction. Those diluted in the previous stage are concentrated, and those that have been concentrated are diluted.
In the former case, the concentration process is performed following the dilution process. Here, the concentration means returning the liquid volume of the reaction system increased by dilution to the original liquid volume. The concentration means is not particularly limited, and any concentration means known per se can be used. Preferable examples include filtration using an ultrafiltration membrane, treatment using a centrifugal separator, gel filtration, a method of generating a pressure difference in the liquid phase or gas phase, and the like. In this process, by adjusting the passage diameter of the membrane, the reaction product and reaction by-product are separated and removed by centrifugal separation or molecular sieve. The molecular weight cut size of the membrane, the centrifugal speed, and the gel filtration conditions can be optimally adjusted depending on the physical properties of the product to be processed known per se. In the present invention, a film having a molecular weight cut of 10,000 to 100,000 Da is preferably used.
In the latter case, a dilution process is performed following the concentration process. Here, “dilution” means returning the liquid volume of the reaction system reduced by concentration to the original liquid volume. The diluted solution contains a template substance, a substrate, and a reaction solution as desired. Particularly preferably, a solution containing a template substance, a substrate, an energy source and the like is used. The concentration of each component added is selected to be adjusted to the optimum concentration after dilution.
Thus, the temperature of the reaction system restored to the optimum concentration of the reaction system is adjusted again to the optimum reaction temperature, and the reaction system is reactivated. The optimum temperature is 15 to 25 ° C.
In addition, for separation / recovery / removal of reaction products and / or reaction by-products, treatment based on affinity with the treatment target can be suitably performed. Based on affinity, a method of immobilizing an affinity substance, bringing it into contact with the target substance, binding it, and then eluting and collecting the target substance is exemplified. Examples of the affinity substance include an antibody against a protein, a ligand for a receptor, and a nucleic acid for a transcription factor if the recovered substance is a protein. The target product is modified with an appropriate tag marker (for example, streptavidin, histidine tag, GST, maltose binding protein, etc.), and a substance that can specifically bind to the modified substance (for example, biotin, divalent metal ion, etc.) , Glutathione, maltose, etc.).
In the present invention, it is possible to repeat the dilution and concentration processes a plurality of times in a discontinuous manner, and by this repetition, the regeneration of the cell-free synthesis system is achieved a plurality of times. This regeneration achieves mass protein synthesis.
In the present invention, the dilution and concentration processes can be performed in combination with the control means as a series of steps. For this control, the drive source (motor, pneumatic / hydraulic equipment, other operation controllable actuators, etc.) and computer controlled control circuit, sequence control circuit, etc., turn the operation on / off, the degree of operation, The operation speed and operation interval are adjusted. Further, a signal transfer driver, an operation confirmation sensor, an operation control switch, a timer, and the like can be appropriately provided as desired.
As described above, the present invention achieves regeneration of a cell-free synthesis system by repeating dilution and concentration a plurality of times in a discontinuous manner. The effect will be described more specifically below.
(Dilution-concentrated batch cell-free protein synthesis method)
In this synthesis method, the synthesis reaction vessel can start a synthesis reaction using a batch reaction vessel as a vessel that enables concentration using a conventionally used ultrafiltration membrane or dialysis membrane. In order to reactivate the reaction system after the protein synthesis reaction under optimal conditions using cell-free protein synthesis means, for example, before and after the synthesis reaction is stopped, other buffers such as amino acids serving as substrates and energy sources, ATP and GTP Components required for protein synthesis such as dialysis and ions (Madin K. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2000), 97, 559-556) The solution containing the template substance mRNA is added to 1 to 20 times the volume of the reaction solution at a time and diluted (dilution treatment). Thereafter, the reaction vessel is centrifuged, for example, by a centrifuge to return to the original reaction solution volume even if the increased solution in the vessel is discharged through the filtration membrane (concentration treatment). This concentration treatment can also be performed by generating a pressure difference in the liquid phase or gas phase regardless of the centrifugal force. By this dilution and concentration treatment, a fresh substrate solution is supplied to the reaction system, and at the same time, a by-product substance that inhibits the translation reaction generated in the synthesis reaction can be eliminated. In this way, for example, by repetitively diluting and concentrating the reaction solution with a substrate-containing solution before and after the synthesis reaction is stopped, reactivation of the reaction system is achieved, and protein synthesis is possible over a long period of time. Become. This method is different from the so-called continuous method, which uses a semipermeable membrane developed by Spirin et al. To continuously replenish the substrate and energy source and discard the metabolites. It can reach several thousand times (in the method of the present invention, the production amount obtained over about 30 hours by the method using a semipermeable membrane can be obtained in about 2 to 3 hours) and has a great difference in quality. In the protein synthesis method using this principle, it is possible to selectively isolate the synthesized protein from the reaction system simultaneously with the elimination of by-products by selecting the fractional molecular weight size of the filtration membrane to be used. It becomes. That is, by using this principle, it is possible to simultaneously synthesize proteins and purify synthesized products. The same effect can be achieved when the order of dilution after the concentration is changed is changed.
(Dilution-concentrated batch in vitro RNA synthesis method: Transcript production system)
The composition of general RNA synthesis reaction solution using phage RNA synthase, the reaction method and the analysis method of synthetic RNA were in accordance with the methods described in WO01 / 27260 and WO02 / 18586. In the synthesis method of the present invention, it is possible to start a synthesis reaction using a batch reaction vessel as a container capable of concentration equipped with a conventional ultrafiltration membrane or dialysis membrane. The size of the ultrafiltration membrane to be used is selected so that RNA does not pass through. Before and after the termination of the synthesis reaction, a solution containing components required for RNA synthesis such as four types of ribonucleotide triphosphates, ions and buffers as substrates (in the method described in WO01 / 27260 and WO02 / 18586) The dialyzed externally prepared solution is abbreviated as RNA substrate solution hereinafter) and diluted by adding 1 to 20 times the volume of the reaction solution. By centrifuging the reaction vessel through a centrifuge, the increased solution in the vessel is discharged through the filtration membrane and concentrated to the original reaction solution volume. The process in this process can also be performed by generating a pressure difference in the liquid phase or gas phase regardless of the centrifugal force. By these treatments, a fresh substrate solution is supplied to the reaction system, and at the same time, the mononucleotide and pyrophosphate generated in the batch RNA synthesis reaction are excluded from the system, so that the RNA synthesis reaction that has been virtually stopped by the principle of chemical equilibrium. Is resumed by shifting the equilibrium. By repeatedly diluting the reaction solution with the substrate and filtering and concentrating before and after stopping the reaction, it becomes possible to synthesize RNA over a long period of time. This method is different in principle from the continuous RNA synthesis method by dialysis method (WO00 / 68412) previously invented by Endo et al. In protein synthesis means using this principle, RNA containing no nucleotides, buffer components or ions is obtained by repeatedly diluting the synthesized reaction solution with water (or a desired solution) and concentrating it through a filtration membrane. Can be recovered as water (or a solution containing the target component). That is, in this method, by selecting a DNA molecular species as a template, high-speed, high-yield and low-cost (the amount of expensive RNA synthase used is only the amount required in ordinary batch systems). The desired mRNA can be prepared as a solution.
The same effect can be achieved when the order of dilution after the concentration is changed is changed.
(Automatic synthesizer)
The automatic synthesizer of the present invention provides a method for automatically performing a series of reaction operations of a synthetic method in which at least a synthesis reaction (protein synthesis) using a translation template is repeatedly diluted and concentrated repeatedly. Furthermore, the present invention provides a method for automatically performing a reaction operation from the transcription template synthesized in the transcription product production system until the protein encoded by the template is produced. Here, “automatically perform the operation” means that the experimenter does not directly apply a manual operation to the reaction system (reaction vessel) during a series of steps. Therefore, when each step is executed, if the experimenter manually operates predetermined operation buttons and switches provided in the automatic synthesizing apparatus of the present invention to be used, the “automatic” requirement in the present invention is impaired. It is not a thing.
In the present invention, an apparatus for automatically performing a reaction operation from a transcription template synthesized in a transcription product production system to production of a protein encoded by the template comprises at least the following means (1) to (5): It is characterized by having.
Hereinafter, although each embodiment will be described in detail with specific embodiments, the method of the present invention is not limited thereto as long as it has the characteristics of the translation template purification step.
(1) Transfer template manufacturing process
In the automatic synthesizer of the present invention, this step does not necessarily need to be performed automatically, and a transfer template obtained manually can be used in the following automated steps. More preferably, a series of steps until the production of the protein encoded by the template is automatically performed.
As used herein, “transcription template” refers to DNA that can be used as a template molecule for in vitro transcription reaction, and has at least a base sequence encoding a target protein downstream of an appropriate promoter sequence. An appropriate promoter sequence refers to a promoter sequence that can be recognized by RNA polymerase used in a transcription reaction, and examples thereof include SP6 promoter and T7 promoter. Any DNA encoding the target protein may be used.
The transcription template preferably has a base sequence having an activity of controlling translation efficiency between the promoter sequence and the base sequence encoding the target protein, and is derived from an RNA virus such as an Ω sequence derived from tobacco mosaic virus. A 5 ′ untranslated region and / or a Kozak sequence or the like can be used. Furthermore, the transcription template preferably includes a 3 ′ untranslated region including a transcription termination region and the like downstream of the base sequence encoding the target protein. As the 3 ′ untranslated region, about 1.0 to about 3.0 kilobases downstream from the stop codon is preferably used. These 3 ′ untranslated regions are not necessarily those of the gene encoding the target protein.
The transfer template can be produced by a method known per se. For example, a host cell such as Escherichia coli having a plasmid into which a DNA containing the same base sequence as the desired transcription template is inserted is cultured, and a large amount of the plasmid is prepared using a known purification method. The transcription template DNA is excised from the plasmid, the restriction enzyme is removed by phenol treatment and chloroform treatment, and alcohol precipitation with ethanol or isopropanol (if necessary, an appropriate amount of salt such as ammonium acetate, sodium acetate, sodium chloride, etc. And the like. The obtained DNA precipitate can be dissolved in ultrapure water or a transcription reaction solution described later and used for the following transcription reaction.
An apparatus for carrying out such a series of operations automatically or semi-automatically (referring to an embodiment in which an experimenter directly adds a manual operation to a reaction system in a part of the process) is known, and this is described in this book. By incorporating it into the automatic synthesizer of the invention, it is possible to automatically perform from the production of the transcription template to the production of the target protein. However, in consideration of the object of the present invention to provide a high-throughput synthesis system according to the present invention for high-throughput analysis, simplification of the apparatus, reduction of required time, etc., the following polymerase chain reaction (PCR) It is more preferable to use a method of producing a transfer template by the method.
In a preferred embodiment of the synthesizer of the present invention, a method is used in which a host in which a DNA encoding a target protein is cloned (for example, Escherichia coli having a plasmid containing the DNA) is directly subjected to PCR to amplify a transcription template. . For example, an oligonucleotide containing a suitable promoter sequence, a 5 ′ untranslated sequence having an activity to control translation efficiency, and a part of the 5 ′ end region of DNA encoding the target protein is publicly known by using an automatic DNA synthesizer. Using this method as a sense primer, and using an oligonucleotide having a 3 'end region sequence of the 3' untranslated sequence as an antisense primer, DNA encoding the target protein as a template and the 3 'untranslated downstream A desired transcription template can be obtained by directly adding a host such as Escherichia coli having a plasmid containing a sequence to a PCR reaction solution and performing an amplification reaction under normal conditions. In order to prevent the generation of short-chain DNA (resulting in yield loss of the target product and low-molecular translation product noise) generated by non-specific amplification, the promoter-splitting primer described in WO 02/18586 is used. It can also be used.
The amplification reaction can be carried out in a commercially available 96-well plate for PCR using a commercially available PCR thermal cycler, or a similar temperature variable control device can be linked with the synthesizer of the present invention, or the synthesis of the present invention. Each means for performing the transcription / translation reaction of the apparatus can be applied to PCR as it is.
The transcription template DNA obtained as described above may be subjected to a transcription reaction after being purified by chloroform extraction or alcohol precipitation. However, in order to simplify the apparatus and shorten the required time, the PCR reaction solution can be used as it is. It is preferable to use it as a solution. In preparation of a transcription template, by using direct PCR from the above-mentioned host, the steps can be greatly omitted as compared with a method in which a large amount of a plasmid is once prepared and subjected to restriction enzyme treatment to obtain a transcription template. A large amount of transcription template can be synthesized in a short time with a small number of steps. That is, since a step of cultivating E. coli having a plasmid incorporating the target gene and maximally preparing the plasmid is not required, the time required for ultracentrifugation for culture and plasmid purification can be shortened. In addition, a restriction enzyme treatment for cutting out a transcription template from a plasmid, a phenol treatment for removing restriction enzymes, chloroform treatment, alcohol precipitation for purification of transcription template, and dissolution of DNA as a transcription template Therefore, there is no inhibition of transcription reaction due to residual phenol / chloroform and loss of transcription template due to multi-step purification operation. Further, since the number of steps required for the reaction can be reduced, there is a further advantage that the number of chips used can be reduced.
(2) Transcription reaction process
The synthesizer of the present invention includes a step of generating mRNA, which is a translation template, by in vitro transcription reaction from transcription template DNA encoding a target protein prepared using a method known per se. In this step, a solution containing a transcription template provided in a reaction system (for example, a commercially available reaction vessel such as a 96-well titer plate), preferably the PCR reaction solution, and an RNA polymerase (for example, compatible with the promoter in the transcription template). , SP6 RNA polymerase, etc.) and a solution containing components necessary for transcription reaction such as RNA synthesis substrate (4 types of ribonucleoside triphosphates) (also referred to as “transcription reaction solution”), It is carried out by incubating the mixture at 20 ° C. to about 60 ° C., preferably about 30 ° C. to about 42 ° C. for about 30 minutes to about 16 hours, preferably about 2 hours to about 5 hours. Dispensing means for transfer template solution and transcription reaction solution into reaction container, mixing, etc., are performed by dispensing means of an automatic synthesizer described later (for example, pipetter (when using a commercially available 96-well titer plate as reaction container, It is preferable to use one having 8 or 12 dispensing tips adapted to the well interval). Incubation for the transcription reaction can be performed while controlling the temperature at a constant temperature by a temperature control means of a synthesizer described later.
(3) Translation template purification process
The transcription product generated as described above (ie, “translation template”) optionally includes a 5 ′ untranslated sequence and / or a 3 ′ untranslated sequence having an activity of controlling the translation efficiency inserted into the transcription template. An RNA molecule having a base sequence encoding a target protein. In the reaction solution after the transcription reaction, in addition to the translation template RNA, unreacted ribonucleoside triphosphate, reaction by-product pyrophosphate, and other salts contained in the transcription reaction solution are mixed. Since these substances are known to inhibit the subsequent translation reaction, these substances are removed by exchanging the reaction solution. Examples of such solution exchange means include a method in which a reaction solution is placed in a container with a filter, a solution containing a substance that inhibits translation reaction is removed by centrifugation, a solution such as a suitable buffer is newly added, and this is repeated. However, it is not limited to this. If the newly added solution is used as a translation reaction solution, the next translation reaction can proceed without purifying the template. Further, as a means for removing these substances, there is a method in which a translation template is selectively precipitated to separate and remove unreacted substrates and the like. Examples of such precipitation means include salting out and the like, and an alcohol precipitation method is preferably exemplified, but is not limited thereto. When the alcohol precipitation method is used, the alcohol to be used is not particularly limited as long as it can selectively precipitate RNA. For example, ethanol, isopropanol and the like are preferable, and ethanol is more preferable. In the case of ethanol, it is preferable to use about 2 to about 3 times the amount of the transcription reaction solution, and in the case of isopropanol, about 0.6 to about 1 amount of the transcription reaction solution. Moreover, the yield of precipitation can be increased by making a suitable salt coexist. Examples of such salts include ammonium acetate, sodium acetate, sodium chloride, lithium chloride and the like. For example, when ammonium acetate is used, it is desirable to add it so that the final concentration is about 0.5M to about 3M. The alcohol precipitation may be performed at room temperature.
(4) Translation reaction process
The translation reaction can be performed by incubating the translation reaction solution containing the translation template obtained as described above at a temperature suitable for the translation reaction for an appropriate time. The translation reaction is usually performed for about 10 minutes to 2 hours, more preferably 20 minutes to 1 hour. This time can be changed according to each system, and the optimum time can be prepared by experimental repetition. In the discontinuous repetitive synthesis method of the present invention, it is particularly preferable that this one-cool processing time is relatively short.
As described above, in the above reaction, dilution or concentration of the reaction system is performed before or after substantially lowering the synthesis rate, before or after substantially stopping the synthesis reaction, or in the course thereof. The term “approximately before and after the decrease in the synthesis rate” means the timing at which the amount of protein synthesized over time tends to decrease from the maximum amount, and is generally understood as a line rather than a point. Further, “before and after substantially stopping the synthesis reaction” refers to a level at which the amount of synthesis has dropped to a level where it cannot be substantially detected. In this case as well, it is generally understood as a line rather than a point. In the process, the synthesis rate starts to decrease and the synthesis reaction stops. In order to obtain more preferable synthesis efficiency, the reaction system is diluted or concentrated before and after substantially decreasing the synthesis rate. This time is optimally 10 minutes to 1 hour.
Dilution or concentration of the reaction system is performed as follows.
Dilution is performed by adding about 1 to 20 times, preferably about 2 to 10 times the volume of aqueous solution to the reaction system. The aqueous solution contains a template substance, a substrate, and a reaction solution as desired. Particularly preferably, a solution containing a template substance, a substrate, an energy source and the like is used. The concentration of each component added is selected to be adjusted to the optimum concentration after the concentration of the next treatment. By this dilution, the reaction system is remarkably reduced in its synthesis ability. With this state, the present invention is called discontinuous.
Concentration can use any means known per se that can concentrate substances that cannot pass through the reaction solution (eg, synthetic proteins, ribosomes, etc.) into the reaction system when the reaction solution is removed from the reaction system. It is. Preferable examples include filtration using an ultrafiltration membrane, treatment with a centrifugal separator, gel filtration, a suction pump, a method of generating a pressure difference in the liquid phase or gas phase, and the like. In this process, by adjusting the passage diameter of the membrane, the reaction product and reaction by-product are separated and removed by centrifugal separation or molecular sieve. The molecular weight cut size of the membrane, the centrifugal speed, and the gel filtration conditions can be optimally adjusted depending on the physical properties of the product to be processed known per se. In the present invention, a film having a molecular weight cut of 10,000 to 100,000 Da is preferably used.
By this concentration treatment, the reaction solution is concentrated to 1/5 to 2/3 volume of the original volume, and as a result, the optimum synthesis concentration of each synthesis factor is greatly shifted. By this concentration, the reaction system is remarkably reduced in its synthesis ability. With this state, the present invention is called discontinuous.
Subsequently, the synthesis reaction is reactivated. Those diluted in the previous stage are concentrated, and those that have been concentrated are diluted.
In the former case, the concentration process is performed following the dilution process. Here, the concentration means returning the liquid volume of the reaction system increased by dilution to the original liquid volume. The concentration means is not particularly limited, and any concentration means known per se can be used. Preferable examples include filtration using an ultrafiltration membrane, treatment using a centrifugal separator, gel filtration, a method of generating a pressure difference in the liquid phase or gas phase, and the like. In this treatment, by adjusting the passage diameter of the membrane, the reaction product and reaction by-product are separated and removed by centrifugal separation or molecular sieve. The molecular weight cut size of the membrane, the centrifugal speed, and the gel filtration conditions can be optimally adjusted depending on the physical properties of the product to be processed known per se. In the present invention, a membrane having a molecular weight cut of 10,000 to 100,000 Da is preferably used.
In the latter case, a dilution process is performed following the concentration process. Here, “dilution” means returning the liquid volume of the reaction system reduced by concentration to the original liquid volume. The diluted solution contains a template substance, a substrate, and a reaction solution as desired. Particularly preferably, a solution containing a template substance, a substrate, an energy source and the like is used. The concentration of each component added is selected to be adjusted to the optimum concentration after dilution.
Thus, the temperature of the reaction system restored to the optimum concentration of the reaction system is adjusted again to the optimum reaction temperature, and the reaction system is reactivated. The optimum temperature is 15 to 25 ° C.
In the present invention, it is possible to repeat the dilution and concentration processes a plurality of times discontinuously, and by this repetition, the regeneration of the cell-free synthesis system is achieved a plurality of times. The number of repetitions is 2 to 20 times, preferably 5 to 10 times. This regeneration achieves mass protein synthesis.
Other steps may be carried out in accordance with any conventionally known procedures and conditions that can be applied for automation, and are not particularly limited.
In the present invention, an apparatus for performing the above operation is characterized by having at least the following means (a) to (e).
(A) means for variably controlling the temperature in the reaction vessel;
(B) means for dispensing a sample or reagent into the reaction vessel;
(C) means for transporting the reaction vessel;
(D) precipitation and concentration filtration means;
as well as
(E) Control means for controlling the means (a) to (d) to operate in accordance with the method of the present invention described above.
By using an apparatus having at least the configurations of (a) to (e), the reaction operation until the protein encoded by the template is generated from the transcription template synthesized in the transcription product production system of the present invention described above. It can be performed automatically. Hereinafter, each configuration will be specifically described in detail.
(A) Means for variably controlling the temperature in the reaction vessel
Means for variably controlling the temperature in the reaction vessel include a transcription reaction, a translation reaction incubation and a translation reaction stop, a translation template precipitation, or a transcription template preparation process by PCR using the automatic synthesizer of the present invention. In the case of carrying out automatically, it is a means for adjusting the liquid temperature in the reaction vessel to an appropriate temperature condition in the amplification reaction of the PCR method. The temperature range to be variably controlled is not particularly limited, but a temperature range normally required in a series of reaction operations for cell-free protein synthesis including preparation of a transcription template (for example, about 4 ° C. to about 100 ° C., preferably about As long as the temperature of the liquid in the reaction vessel can be variably controlled within a range of 15 ° C. to about 60 ° C., the means for realizing this is not particularly limited. For example, conventionally known Takara PCR thermal cycler MP (manufactured by Takara Bio Inc.), Gene Amp PCR System 9700 (manufactured by Applied Biosystems Inc.), and the like can be mentioned. Specifically, in addition to the work stage for placing the reaction vessel, which is a place where pipetting is performed, a plurality of stages for placing the reaction vessel are provided in the apparatus, and the temperature of the entire space on the stage is adjusted. As a result, the temperature in the reaction vessel is variably controlled.
(B) Means for dispensing sample or reagent into reaction vessel
The means for dispensing a sample or reagent into a reaction container is to dispense a sample or reagent into a reaction container in order to perform a series of cell-free protein synthesis reactions such as transcription reaction, translation reaction, and PCR in the reaction container. Means. Here, “sample” refers to transcription template, translation template, PCR template plasmid (or host (eg, E. coli) having the plasmid), etc., and “reagent” refers to transcription reaction solution, translation reaction solution, translation reaction. It refers to a solution, a diluted solution, an alcohol, a salt solution, a PCR reaction solution and the like. As such a dispensing means, a pipette arm (dispensing machine) that can be dispensed automatically in a conventionally known manner is particularly suitable as long as it can dispense by adjusting the amount of sample and reagent according to the process. It can be realized without limitation. In addition, the pipette arm can have a function of discarding a used tip at a tip disposal port of a synthesizer and a function of discharging a sucked filtrate or the like to a waste solution port.
In addition to the above functions, the dispensing means more preferably has a mixing function (eg, pipetting, stirring, etc.) for homogenizing two or more types of solutions and precipitating dissolution.
Further, by adding a substrate solution or a diluting solution into each cell of the reaction vessel with a pipette arm, a diluting process for the reaction solution can be performed.
(C) Means for transporting the reaction vessel
The means for transporting the reaction container is a means for moving the reaction container to each stage, centrifuge, elevator, and thermostat. The means for transporting the reaction container is not particularly limited as long as the reaction container can be transported to a target place, and can be realized by any conventionally known appropriate means. For example, it can be realized by using a robot arm used in a conventional synthesis apparatus.
(D) Means for precipitation and concentration filtration
Precipitation and concentration filtration means are means for concentrating and filtering the reaction solution during the operation of repetitive translation reaction or the operation of precipitating cloudy matter generated during the transcription reaction. Such means is particularly limited as long as it can precipitate white turbid matter generated during the reaction and can be separated into solid and liquid, and can concentrate the reaction liquid during repeated translation reactions. It can implement | achieve by the conventionally well-known appropriate means, without. For example, the means can be realized by using a conventionally known centrifuge and other appropriate devices conventionally used for filtration and freeze-drying.
(E) Control means
In the control means, the operation of the drive source (motor, pneumatic / hydraulic equipment, other actuators that can be controlled in operation, etc.) used for each means in order to operate the means (a) to (d) is turned on / off. A control device for controlling the degree and state of operation is included. The configuration of the control is such that the operations of the means (a) to (d) described above are performed automatically from the transcription template synthesized in the transcription product production system until the protein encoded by the template is generated. Can be achieved.
The control device may be configured by combining control devices necessary for controlling the operation of each means, such as a control circuit including a computer having a control program, a sequence control circuit, etc., in the order according to the purpose. The control configuration is such that signals, power, pneumatic pressure, hydraulic pressure, and the like can be supplied to each means so that each means operates. Further, a driver necessary for directly sending a drive signal to the drive source of each means, various sensors and switches necessary for detecting an operation state of the drive source of each means may be added as appropriate.
The reaction vessel applicable to the synthesizer of the present invention is not particularly limited, and various conventionally known reaction vessels that have been used for cell-free protein synthesis reaction can be used. For example, a 96-well PCR plate , 96-well titer plates, 8-strip tubes and tubes (1.5 mL, 15 mL, 50 mL, etc.). For example, when a batch method or multi-layer method is used as a translation reaction system, a small reaction system such as a 96-well plate is used. A translation reaction can be performed, and according to the synthesizer of the present invention, a transcription reaction can also be performed in a small reaction system, so that a transcription reaction, a purification of a translation template, a translation reaction, and a transcription for further a transcription reaction if desired A series of cell-free protein synthesis methods including PCR for template production can be performed simultaneously on multiple types of proteins in multiple reaction systems. Many proteins can be synthesized during.
Furthermore, the present invention provides an apparatus for performing a synthesis method in which dilution and concentration are repeated discontinuously in a synthesis reaction using a translation template. The apparatus of the present invention is characterized by having at least the following means (1) to (5).
(1) means for initiating synthesis;
(2) means for concentrating the reaction solution;
(3) means for diluting the reaction solution;
(4) means for reactivating the synthesis reaction;
(5) Means for repeating the above means (2) to (4);
Or
(1) means for initiating synthesis;
(2) means for diluting the reaction solution;
(3) means for concentrating the reaction solution;
(4) means for reactivating the synthesis reaction;
(5) Means for repeating the above means (2) to (4);
By using an apparatus having at least the configurations of (1) to (5), the above-described high-throughput synthesis system of the present invention can be automatically performed. Hereinafter, each means will be described in detail.
(1) means for initiating synthesis;
(1) Move the dispenser to the reagent tank containing the translation reaction solution and aspirate the translation reaction solution.
(2) Move the dispenser onto the translation plate (the bottom of the cell is a filter), and discharge the translation reaction solution into each cell of the translation plate containing the transcription product.
Following (3) and (2), the dispenser pipettes each cell.
(4) The robot arm covers the translation plate, transports the plate to the thermostat and sets it in the thermostat.
(5) Keep the translation plate warm to start synthesis.
(6) After completion of the set synthesis time, the robot arm conveys the translation plate to the MTP stage.
(2) means for diluting the reaction solution;
(1) Move the dispenser to the reagent tank containing the diluted solution and aspirate the diluted solution.
(2) Move the dispenser onto the translation plate and discharge the diluted solution into each cell of the translation plate containing the translation product.
(3) Means for concentrating the reaction solution
(1) The robot arm puts the translation plate on the transfer / filtrate receiving plate.
(2) The robot arm conveys the translated translation plate and the transfer / filtrate receiving plate to the lifting platform.
(3) The elevating table on which the translated translation plate and the transfer / filtrate receiving plate are placed is lowered so as to match the height of the centrifuge.
(4) The robot arm sets the superimposed translation plate and transfer / filtrate receiving plate in the centrifuge. At this time, when the translation plate and the transfer / filtrate receiving plate are a set, a dummy plate is set on the diagonal line. In the case of two sets, the plates are set diagonally.
(5) Start centrifugation with a centrifuge. At this time, since the bottom of the translation plate is a filter, the filtrate is removed in the cells of the transfer / filtrate receiving plate, and each cell in the translation plate is concentrated.
(6) The robot arm conveys the translated translation plate and the transfer / filtrate receiving plate from the centrifuge to the lifting platform.
(7) Raise the lifting platform on which the overlaid translation plate and the transfer / filtrate receiving plate are placed.
(8) The robot arm transports the superimposed translation plate and transfer / filtrate receiving plate to the MTP stage, and separates and sets the translation plate and the transfer / filtrate receiving plate.
(4) Means for reactivating the synthesis reaction
When the dilution process is performed first in the previous stage, the concentration process is performed subsequently. When the process is performed previously, the dilution process is performed.
(1) The robot arm transports the translation plate after concentration or the translation plate after dilution to a thermostat and sets it in the thermostat.
(2) Keep the translation plate warm to start synthesis.
(5) Means for repeating the above means (2) to (4)
(1) After the set time is over, the temperature of the thermostatic bath is lowered to stop the substantial synthesis.
(2) The robot arm transports the translation plate to the MTP stage.
(3) The means described in (2) to (4) is repeated a plurality of times.
The means of the synthesizer described above is an example of an apparatus for automatically performing a high-throughput synthesis system, and may further include a waste liquid treatment means by a concentration process, a tip disposal process means of a dispenser, and the like.
In addition, a program including the following information processing means is also a subject of the present invention in order to execute a synthesis system using a synthesis reaction initial phase having a high protein synthesis reaction rate for implementing a high-throughput synthesis system a plurality of times.
(1) Information processing means for setting a synthesis time within the initial phase range of the synthesis reaction just before the amount of synthesis per unit time tends to decrease based on information on the volume of the reaction vessel and the concentration of the reaction solution,
(2) Information processing means for adding a dilute solution to the reaction vessel when the synthesis time within the synthesis reaction initial phase range of (1) is reached, and setting the reaction solution outside a concentration range that can substantially undergo a synthesis reaction,
(3) Information processing means for concentrating the reaction liquid in the reaction vessel after (2) and setting so that the volume of the reaction liquid increased by addition of the diluted solution is returned to the original liquid volume,
(4) After (3), an information processing means for setting the reaction optimal temperature in order to restart the synthesis reaction,
(5) Information processing means for repeating (1) to (4) a plurality of times,
Or
(1) Information processing means for setting a synthesis time within the initial phase range of the synthesis reaction just before the amount of synthesis per unit time tends to decrease based on information on the volume of the reaction vessel and the concentration of the reaction solution,
(2) Information processing means for concentrating the reaction solution in the reaction vessel when the synthesis time in the synthesis reaction initial phase range of (1) is reached, and setting the reaction solution outside the concentration range that can substantially undergo the synthesis reaction,
(3) After (2), an information processing means for adding a dilute solution to the reaction vessel and setting the volume of the reaction liquid reduced by the concentration back to the original liquid volume,
(4) After (3), an information processing means for setting the reaction optimal temperature in order to restart the synthesis reaction,
(5) Information processing means for repeating (1) to (4) a plurality of times.
Furthermore, in a conventionally known synthesis apparatus in which the above program is incorporated, the information processing of the program is performed in cooperation with the synthesis apparatus to start synthesis, dilute / concentrate the reaction solution, and reactivate the synthesis reaction. An object of the present invention is also a synthesizer characterized in that a synthesizing system is executed and a synthesis system using a synthesis reaction initial phase having a high protein synthesis reaction rate can be repeatedly executed a plurality of times.
In addition, the transcription reaction and the translation reaction are preferably performed in a sealed reaction vessel. From such a viewpoint, a reaction vessel with a lid is used, and the device further opens and closes the lid of the reaction vessel. It is preferable to have a means. For example, when a 96-well plate is used as the reaction vessel, the lid is exemplified by a rubber lid that can seal each hole individually. Since it is preferable that the lid can be brought into close contact with the reaction vessel in a closed state, a lid having a certain weight (for example, about 500 g) is used, or a lid or the like is sandwiched between the lid and the reaction vessel. It is conceivable to close the lid. The means for opening and closing the lid of the reaction vessel can be realized using, for example, a mechanism in which a conventionally known chucking mechanism / suction mechanism and a robot arm are combined.
The synthesizer of the present invention may have means for stocking the reaction reagent as necessary in addition to the means described above.
As described above, the high-throughput system of the present invention and the apparatus that automatically performs the system can simultaneously and easily synthesize a plurality of types of proteins. For example, multiple transcription templates and translation templates encoding various mutant proteins can be prepared, and multiple mutant proteins can be synthesized simultaneously for analysis without requiring detailed design of the mutants. Is useful.
The high-throughput system of the present invention and an apparatus that automatically performs the system can be suitably used for high-throughput functional analysis of various proteins. For example, as a result of homology search, a gene group encoding a protein containing a conserved common domain (for example, a kinase domain) is used as a template, and the protein is simultaneously synthesized by the method of the present invention using the apparatus of the present invention. On the other hand, a group of proteins that can be phosphorylation targets (for example, transcription factors) are synthesized in the same manner, and both are mixed in various combinations. 32 It is possible to identify which protein kinase phosphorylates which protein using the uptake of P-labeled ATP as an index.
Alternatively, a gene group encoding a protein containing a motif specific to a transcription factor (eg, Zn finger, leucine zipper, etc.) is used as a template, and the protein is simultaneously synthesized by the method of the present invention using the apparatus of the present invention. By investigating the ability to bind to cis-element sequences, heterodimer formation with other transcriptional regulatory factors, and the ability to bind to the transcriptional regulatory region of specific gene promoters, information for elucidating crosstalk woven by transcription factors Obtainable.

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
(無細胞タンパク質合成法)
1)DNAからmRNAの反応(転写反応)
転写反応溶液〔最終濃度、80mM HEPES−KOH pH7.8、16mM 酢酸マグネシウム、10mM ジチオトレイトール、2mM スペルミジン、2.5mM 4NTPs(4種類のヌクレオチド三リン酸)、0.8U/μl RNase阻害剤、0.1μg/μl DNA〔プラスミドGFP(Green fluorescent protein)〕、1.6U/μl SP6 RNAポリメラーゼ〕を調製し、37℃で3時間反応させた。反応後4℃にて12,000rpm1時間遠心を行い、遠心後上清を集め、これにエタノール終濃度約70%、酢酸アンモニウムを終濃度約0.27Mになるように加え、4℃10分氷上で静置後3、000rpm30分間遠心した(エタノール沈殿)。このエタノール沈殿を3回行った後、適量の透析バッファー(最終濃度、35mM HEPES−KOH pH7.8、3.1mM 酢酸マグネシウム、103mM 酢酸カリウム、16mM クレアチン、1.2mM ATP、0.26mM GTP、2.5mM DTT、0.43mM スペルミジン、0.3mMの各種アミノ酸)でRNA濃度が約5〜10mg/mlになるように調製した。
また、本発明による、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作によるmRNA合成は実験例7にしたがって行った。
2)翻訳反応用溶液の調製
胚芽抽出液を、翻訳反応溶液〔最終濃度35mM HEPES−KOH pH7.8、103mM 酢酸カリウム(KOAc)、3.1mM 酢酸マグネシウム(Mg(OAc)2)、16mMクレアチンフォスフェート、1.2mM ATP、0.26mM GTP、2.5mM ジチオトレイトール(DTT)、0.43mM スペルミジン、0.3mM AAs(20種類のL型アミノ酸の混合物)、1.03mg/ml クレアチンキナーゼ〕を用い、翻訳反応時における胚芽抽出液の濃度(O.D.260nm)が40から120になるように調製して使用した。
3)翻訳反応
上記胚芽抽出液を含む翻訳反応溶液に上記調製したmRNA溶液を、胚芽抽出液の翻訳反応時における濃度に応じて添加して反応を行った。すなわち、胚芽抽出液の翻訳反応時におけるO.D.260nmが100の場合の添加するmRNA量を0.8mg/mlとし、比例計算にて加えるmRNA量を調製した。
上記調製した反応溶液を20℃で反応させた。反応開始から一定経過後(10分〜3時間)に2〜3倍容量の上記翻訳反応液を用い反応溶液を希釈し、次いで分子量カット30,000Daの限外ろ過膜で濃縮して、反応溶液を希釈前と同量に戻した。この操作を複数回繰返した。或は、先に約1/2〜1/3容量に濃縮し、その後上記翻訳反応液を用い元の容量に希釈した。
mRNAをバッチ操作で翻訳反応溶液に追加添加する場合は、1)で調製した転写反応液(エタノール沈殿前のもの)、もしくはエタノール沈殿操作を経て調製したmRNA溶液を、上記小麦胚芽液の濃度に応じて加えて行った。
4)タンパク質合成効果の確認
合成タンパク質量の測定は、Madin K et alらの報告(Madin K.et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA(2000),97,559−556,)、に記載した方法に準じて行った。
5)コムギ胚芽抽出液の形態
なお、本検討で用いたコムギ胚芽抽出液、無細胞タンパク質合成反応液組成、mRNAの調製法、バッチ式無細胞タンパク質合成法は、Madin K et al.らの報告(Madin K.et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA(2000),97,559−556,)、特許第3255784号、特開平2000−236896号、WO00/68412号、Sawasaki T.et al.らの報告(Proc.Natl.Acad.Sci.USA(2002),99,14652−14657)に記載した方法に準じて調製した。
(装置例)
本発明の希釈及び濃縮操作を複数回可能にし、また合成反応を不連続に行うための系の模式図を図4に示した。希釈及び濃縮操作をろ過膜と送液ポンプとを有するような構成で実現される場合、たとえば、図4に模式的に示すような機構の利用が例示される。ろ過膜を有するろ過濃縮器1と、送液ポンプ2とを組み合わせた機構を利用することで、反応槽3内での翻訳反応の終了の前後に(RNA)基質溶液で(転写または)翻訳反応液を稀釈した後に、ろ過濃縮器1によって副生成物をろ過し、容器6に排出する。一方、濃縮された(転写または)翻訳反応液を再び反応槽3に戻し、反応を再開せしめることが可能となる。
図4に示す系では、(RNA)基質溶液を収容した容器4と反応槽3とがチューブT1、送液切換バルブ5およびチューブT2を介して連結され、この送液切換バルブ5に、チューブT3、送液ポンプ2、チューブT4、ろ過濃縮器1、チューブT5を介して反応槽3が連結される。このようにして、送液切換バルブ5が、(a)反応槽3内へ送液しない状態(バルブが閉じた状態)、(b)送液ポンプ2の作動により、(RNA)基質溶液を収容した容器4から、(RNA)基質溶液を汲み上げて、直接反応槽3内へ送液し得る状態、(c)送液ポンプ2の作動により、反応槽3内の(転写または)翻訳反応液を汲み上げ、ろ過濃縮器1を通過させた後に反応容器3内に戻すように(転写または)翻訳反応液を循環させ得る状態、(d)送液ポンプ2の作動により、基質溶液を収容した容器4から、(RNA)基質溶液を汲み上げてろ過濃縮器1を通過させて反応槽3内へ送液し得る状態、の各状態を適宜切換え得るようにした構成とする。
かかる構成を用いて、以下の手順にて操作を行う。
1.反応槽3内で、バッチ反応による(転写または)翻訳反応を行う。この間は、送液切換バルブ5を閉じ〔上記(a)の状態〕、送液ポンプ3も停止し、反応槽3内への送液を停止状態とする。
2.(転写または)翻訳反応が停止する前後にいずれかの時点で送液切換バルブ5を切換え〔上記(b)の状態〕、送液ポンプ2を作動させて、(RNA)基質溶液を反応槽3内に供給し混合する。
3.送液切換バルブ5を切換え〔上記(c)の状態〕、送液ポンプ2を作動させて反応槽3内の(転写または)翻訳反応液を汲み上げて、ろ過濃縮器1を通過させ、副生成物を容器6に排出するとともに、濃縮された反応液を反応槽3内に戻すように循環させる。
4.送液切換バルブ5を切換え〔上記(d)の状態〕、送液ポンプ2を作動させて容器4内の(RNA)基質溶液を汲み上げて、ろ過濃縮器1を通して反応槽3内へと送液し、ろ過濃縮器1内に一部残った(転写または)翻訳反応液を反応槽3内へ洗い流し出す。
5.送液切換バルブ5を切換え〔上記(b)の状態〕、送液ポンプ2を作動させて容器4内の(RNA)基質溶液を汲み上げて、反応槽3内へと送液して、反応槽3内の(転写または)翻訳反応液量を元の容量にまで調製した後、送液切換バルブ5を切換えて〔上記(a)の状態〕送液を停止する。
6.1に戻り、上述した操作を繰り返す。
かかる系を利用した装置を実現する場合、用いる送液ポンプとしては、従来公知の適宜の送液ポンプを特に制限なく使用することができ、たとえばペリスタルチック式ポンプ〔たとえば、LKB−Pump−p1(Pharmacia社製)など〕などが例示される。また、ろ過濃縮器としても従来公知のものを特に制限なく使用することができる。具体的には、クロスフローろ過装置、VF05C2型(分子量3万カット、Sartorius社製)などが例示される。
上記希釈及び濃縮手段をろ過膜と送液ポンプとを有するような構成で実現したシステムによれば、遠心分離機を利用する場合と比較してタンパク質の合成収量が向上され(実験例4を参照。)、また、大規模容量の無細胞タンパク質合成が可能な装置を構築できる。さらに、小型の反応容器とろ過濃縮器とを組み合わせることで小容量型の装置の構築が可能であり、上述した副生成物除去手段としてろ過膜と遠心分離機とを有するような構成とは異なり、必ず装置が大掛かりなものとなるということがない。また、かかるろ過膜と送液ポンプとを有するような構成では、稀釈・濃縮過程の精密な制御が容易であり、種々の目的に合わせた一般的な無細胞タンパク質合成技術の自動化に向けた極めて重要な基幹技術となることが期待できる。
実験例1
図1に本発明の希釈及び濃縮処理を不連続に繰り返すバッチ式無細胞タンパク質合成法の一例(実施例1)として、コムギ胚芽抽出液を用いた実験結果を示した。比較例は、バッチ法による従来の無細胞タンパク質合成法による結果である。縦軸は、合成タンパク質量(mg/ml)、横軸は、反応時間(時間)を示す。図1において、黒丸を結んだ線(●−●)が本発明の方法、白丸を結んだ線(○−〇)が従来のバッチ法の結果である。合成反応には、40A260nm/ml(小麦胚芽抽出液の波長260nmでの吸光度)の濃度の小麦胚芽抽出液と320μg/mlのGreen fluorescent protein(GFP)をコードするmRNA(翻訳鋳型)を混合し、20℃で無細胞タンパク質合成をおこなった。
比較実験の合成反応は分画分子量3万の限外ろ過膜付き濃縮容器(カット分子量30,000kDa)を用いておこなった。従来法のバッチ反応方式においては、蛍光活性を指標としたタンパク質生成量の時間変化は典型的なハイパボリック型を示す。すなわち、反応開始初期における最大速度相を経て反応速度は低下し、反応が停止にちかづく3時間以降においては長時間の保温によっても合成タンパク質量の増加は見られない(○−○)。この結果はこれまでの報告とよく一致している(Madin K.et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA(2000),97,559−556)。この反応停止の原因については完全に解明されているわけではないが、主にエネルギー源であるATPやGTP濃度の低下(エネルギーの枯渇)と、再生できない副生物であるAMPとGMPの蓄積が何らかの機作によってタンパク質合成を抑制しているものと考えられている。
本発明の合成反応は、限外ろ過膜を装着した容器内でおこない、反応速度が高く反応停止前にあたる反応開始2時間後に反応液量の3倍容量のタンパク質合成基質溶液(基質及びエネルギー源を含む)を添加し撹拌する(希釈処理)。次に遠心機によって遠心し、稀釈前の反応溶液容量にまでこの基質溶液で稀釈された溶液を濃縮した(矢じりの示す時点)(濃縮処理)。この希釈及び濃縮の一連の処理を不連続に複数回繰り返すことよって、副生成物を含む低分子物質は限外ろ過膜を介して排除され低濃度化され、一方合成反応で消費されたATP、GTP、アミノ酸は反応開始時のそれぞれの濃度近くにまで回復させた。この濃縮処理によって同時に、コムギ胚芽由来のリボソーム、tRNAやその他のすべての翻訳因子が反応開始時のもとの濃度に濃縮される。このような処理によって、いったん低下していたタンパク質合成反応が再開し、もとの高い初期速度を持つに至った後に、その後再び反応が低下することが確認できる(●−●)。このような不連続的な稀釈・濃縮処理を繰り返すことによって、初期反応速度の高い時間領域の特性を利用することが可能となり、高能率な無細胞タンパク質合成を達成した。図1に示したように、4回の稀釈・濃縮処理の繰り返しによって、GFPのバッチ方式での1mlの反応容量当たり0.072mgであった合成量が、0.41mgにまで上昇させることができた。なお、合成タンパク質量は、GFPの蛍光強度測定手技(蛍光極大波長508nm)に従い、1μg/mlのGFPは蛍光強度は2.0であるとして計算した。
本処理によって十分な合成効率の達成がなされたが、稀釈及び濃縮処理の繰り返しに伴って、系のタンパク質合成速度が徐々に低下する現象が見られた。この原因として、胚芽由来の翻訳因子(群)のろ液への漏出あるいは限外ろ過膜への吸着等に起因する反応系内からの損失や、mRNAの分解或いは、限外ろ過膜への吸着等による濃度低下、などが推定された。
実験例2
図2は、コムギ胚芽抽出液の濃度を変えた以外は実施例1と同様にして無細胞タンパク質合成を行った実験結果を示すグラフであり、縦軸は合成されたタンパク質量(mg/ml)、横軸は反応時間(時間)を示す。図2において、小さな黒丸を結んだ線(・−・)は、コムギ胚芽抽出液の濃度を60A260nm/ml、GFPmRNA濃度を480μg/mlとした場合(実施例2)の実験結果を示し、大きな黒丸を結んだ線(●−●)は、コムギ胚芽抽出液の濃度を80A260nm/ml、GFPmRNA濃度を640μg/mlとした場合(実施例3)の実験結果を示す。また図2において、矢尻は上記操作を行った時点を示す。
図2に示すように、実施例2において4回の希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作により無細胞系で合成されたタンパク質は反応液1mlあたり0.62mg、実施例3において4回の希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作により無細胞系で合成されたタンパク質は反応液1mlあたり1.13mgであった。このように、本発明の無細胞タンパク質合成方法によるタンパク質合成量は、反応系の翻訳因子の濃度が高いほど多く、図1に示した従来のバッチ法の実験結果と比較すると著しく向上された。
実験例3
通常のバッチ法における合成速度の低下する時間は反応溶液中の基質濃度の減少および副生成物の蓄積濃度に依存することから、系の翻訳因子濃度と反比例の関係になる。すなわち、系の翻訳因子濃度(コムギ胚芽抽出液濃度)が高いほど反応停止に至る時間が短くなる(Madin Kら、Proc.Natl.Acad.Sci.USA(2000),97,556−559)。そこで、翻訳因子を高濃度で用いる場合には、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行う時間の間隔を短くすることによって、高い合成速度を維持させることが可能であると考えられ、これによりタンパク質の単位時間内における生産効率を上昇させることが期待できる。
図3Aは、コムギ胚芽抽出液の濃度を80A260nm/ml、GFPmRNAの濃度を640μg/mlとし、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行う間隔を変化させた以外は実施例1と同様にして無細胞タンパク質合成を行った実験結果を示すグラフであり、図3Bは、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行う間隔の違いによる合成されたGFPの量的差異を示すポリアクリルアミドゲル電気泳動結果である。
図3Aのグラフにおいて、縦軸は合成されたタンパク質量(mg/ml)、横軸は反応時間(時間)、矢尻は希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った時点を示す。また図3Aにおいて、黒丸を結んだ線(●−●)は上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を反応開始より0.5時間間隔で行った場合(実施例4)の実験結果を示し、白丸を結んだ線(○−○)は上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を反応開始より1時間間隔で行った場合(実施例5)の実験結果を示している。図3Aにおいて、矢尻は上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った時点を示す。
図3Bは、0.5時間の間隔で上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った実施例4と、2時間の間隔で上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った以外は実施例4と同様に行った場合(実施例6)とを比較して示している。なお図3Bにおける矢尻は、GFPの染色バンドを示している。ポリアクリルアミドゲル電気泳動は、各反応時間(実施例4では、反応開始より0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5時間経過時点、実施例6では、反応開始より0、2、4、6、8、10、12、14時間経過時点)における反応液1μlをポリアクリルアミド未変性ゲル電気泳動で分離後、タンパク質をクマシーブリリアントブルーにより染色した。
図3A、Bに示すように、0.5時間の間隔で上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った実施例4は、1時間間隔で上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った実施例5、2時間間隔で上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った実施例6よりも単位時間あたりの収量が高い。実施例4では、2.5時間の反応で1mlあたり1.12mgの合成量を得るが、これは同一濃度の反応液で、2時間間隔で上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行い10時間反応させて得られた収量を上回る。この結果は、反応系の翻訳因子濃度(コムギ胚芽抽出液濃度)が高いほど短時間のうちにエネルギー源などの消費に伴う濃度低下と、同時に副生成物の蓄積濃度が高くなり、反応速度の低下と反応停止に至る時間が短くなることを直接的に示している。したがって、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作の時間設定にあたっては、反応系に含まれるコムギ胚芽抽出液濃度に依存した至適のタイミングを選ぶことによって、最大の合成収量を達成できる。
タンパク質は、その一般的な物性として不安定性(高い反応性)が挙げられる。したがって、高い品質のタンパク質を得るためには短時間で合成収量を高める技術を構築することが必須条件の一つとなり、図3に証明した本発明の原理は極めて有効なものといえる。
実験例4
図5は、図4に示したろ過膜と送液ポンプとを副生成物の除去に用いる構成を用いて、本発明の無細胞タンパク質合成方法にてタンパク質合成を行った(実施例7)実験結果を示すグラフである。縦軸は合成されたタンパク質量(mg/ml)、横軸は反応時間(時間)を示す。図5において、黒丸を結んだ線(●−●)が実施例7の実験結果を示し、白丸を結んだ線(○−○)が従来のバッチ法による方法の実験結果を示している。また図5において、矢尻は上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った時点を示す。
実施例7では、ろ過濃縮器としてクロスフローろ過装置(VF05C2型、Sartorius社製、分子量3万カット)を、また送液ポンプとしてはLKB−Pump−P1(Pharmacia社)を用いた。また80A260nm/mlの濃度のコムギ胚芽抽出液、640μg/mlの濃度のGFPmRNAを含有する以外は実施例1と同様の翻訳反応液を使用し、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を0.5時間間隔で行った。反応容器としては、目盛り付きプラスチック製チューブ(ファルコンチューブ)を用い、反応容量は15mlとし、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作における稀釈は45mlの容量の翻訳反応用溶液を用いて行った。
図5に示されるように、副生成物を除去するための手段としてろ過膜と送液ポンプとを有する構成を用いた場合には、実験例1〜3での限外ろ過膜と遠心分離機を利用した装置と同様に、本発明の無細胞タンパク質合成方法に好適に利用できることが確認された。実施例7では、4時間の反応によって反応容量1mlあたり2.1mgと、上記遠心機と限外ろ過膜を利用した装置を用いた場合よりも2倍程度高い合成収量でタンパク質が合成された。
実験例5
図6Aは、60A260nm/mlのコムギ胚芽抽出液、450μg/mlのdihydrofolate reductase(DHFR)のmRNAを翻訳鋳型として用いた以外は実施例1と同様の翻訳反応液を用い、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を1時間間隔で2回繰り返した以外は実施例1と同様にして無細胞タンパク質合成を行った場合(実施例8)の実験結果を示す図である。比較実験として、従来のバッチ法である(希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行わない)以外は同様の条件にて無細胞タンパク質合成を行った。実施例8では、分子量約20,000KDaのDHFRの無細胞系での合成に際し、カット分子量30,000Da(ミリポア社製)の限外ろ過膜を装着した反応容器を用いたものである。
図6Aにおいて、レーン1,2,3はそれぞれ、実施例8の0、1、2回の希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作による反応後の排出溶液(ろ液)、上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作と同様の時点における従来のバッチ法での反応液の各1μlをドデシル硫酸ナトリウム−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS−PAGE)にかけ、クマシーブリリアントブルー染色した結果を示す(図中における矢尻は、合成産物であるDHFRを示す。)。図6A中の矢尻が示すDHFRのバンドの染色強度から判るように、従来のバッチ法による実験結果(各レーンの左側の「反応液」)では、反応1時間後に微量のDHFRの合成が確認されるのみであったが、実施例8の実験結果(各レーンの右側の「ろ液」)では、1回、2回の希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作によって、反応系で生成したDHFRがろ液に効率よく取り出せたことが確認できた。
実験例6
図6Bは、本発明の無細胞タンパク質合成方法にてN末端にストレプトアビジンを融合したGFP融合タンパク質を合成し(実施例9)、GFP融合タンパク質を系外に単離する実験の結果を示す電気泳動図である。
本実験における無細胞タンパク質合成自体は、GFP融合タンパク質をコードするmRNAを翻訳鋳型として用い、希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を1時間間隔で4回行った以外は、実施例1と同様にして行った。GFP融合タンパク質を系外に単離する操作は、まず、1ビオチンを固定化した磁性ビーズを反応溶液に添加し、生成した融合体産物をビオチンとストレプトアビジン間の親和性を利用して磁気ビーズに選択的に捕集する、2融合タンパク質を結合したビーズを磁石によって反応容器外へ選択的に取り出す、という手順にて行った。また、電気泳動および染色は、実験例5と同様に行った。
図6Bに示されるように、単離操作前の反応液中に検出される産物が本操作によって反応液中から消失し(単離後反応液レーンの矢尻)、磁気ビーズを介して効率よく系外に単離されることがわかる(単離産物レーンに示す合成産物)。
実験例7
図7は、本発明のRNA合成方法(実施例10)と、バッチ法による従来のインビトロでRNAを合成する方法との実験結果の違いを示す図である。図7において、図7左はバッチ法による従来の方法の結果を、図7右は本発明のRNA合成方法の結果を示し、矢印はGFPをコードするmRNA産物を示している。
それぞれ、クラゲのGFP遺伝子を、それぞれ小麦胚芽無細胞系専用プラスミドベクターpEUに挿入したものを転写鋳型として、転写反応溶液〔最終濃度、80mM HEPES−KOH pH7.8、16mM 酢酸マグネシウム、10mM ジチオトレイトール、2mM スペルミジン、2.5mM 4NTPs(4種類のヌクレオチド三リン酸)、0.8U/μl RNase阻害剤、0.1μg/μl DNA〔プラスミドGFP(Green Fluorescent protein)〕、1.6U/μl SP6 RNAポリメラーゼ〕を調製し、37℃で3時間反応させた。
実施例10でのRNA合成反応は、反応開始3時間後に転写反応液に3倍量の上記転写反応用溶液を添加して稀釈した後、遠心分離機を用いて低分子をろ過膜を介して反応液系外に排除することによって、転写反応液をもとの濃度にまで濃縮した。その後、3時間の間隔で希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行い、合成反応を進行させた。各希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作時に、転写反応液を分取し、アガロースゲル電気泳動によって分離した転写産物(mRNA)をエチジウムブロマイド染色によって可視化した。
図7に示すように、従来のバッチ法によるインビトロでRNAを合成する方法では、RNA合成反応が3時間程度で停止するが、合成速度の高い3時間の反応の後に上記希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行っている実施例10では、従来の方法の2.4倍の収量でmRNAを合成することができた。
実験例8
図8は、エタノール沈殿により純化したmRNA、純化していないmRNAをそれぞれ翻訳鋳型として用いて、本発明の無細胞タンパク質合成方法を行った実験結果を示すグラフであり、縦軸は合成されたタンパク質量(mg/ml)、横軸は反応時間(時間)を示す。純化したmRNAは、実施例(無細胞タンパク質合成法)1)DNAからmRNAの反応(転写反応)に記載の方法に準じて調製した。純化していないmRNAは、実施例10に記載の方法で調製後12,000rpmにて1時間遠心後、上清を回収し調製した。図8において、黒丸を結んだ線(●−●)は、実施例10で合成したmRNAを含有する転写反応液を翻訳反応液に1:2の比率で加え、混合後、混合液と同量の透析緩衝液[35mM HEPES−KOH pH7.8、103mM 酢酸カリウム(KOAc)、3.1mM 酢酸マグネシウム(Mg(OAc)2)、16mM クレアチンフォスフェート、1.2mM ATP、0.26mM GTP、2.5mM ジチオトレイトール(DTT)、0.43mM スペルミジン、0.3mM AAs(20種類のL型アミノ酸の混合物)]を加え希釈後、元の混合液の容量になるまで濃縮し、再び同量の透析緩衝液を加え、同じ操作をもう一度くりかえし、濃縮後クレアチンキナーゼを終濃度約1mg/mlになるように加えタンパク質合成反応を行った場合(実施例11)の実験結果を示し、白丸を結んだ線(○−○)は、実験例7で合成したmRNAをエタノール沈殿して純化したものを用いて調製した翻訳反応液でタンパク質合成反応を行った場合(実施例12)の実験結果を示す。実施例11、12では、上記のようなmRNAをそれぞれ480μg/mlの濃度で用い、また60A260nm/mlの濃度のコムギ胚芽抽出液を用いたこと以外は、実施例4と同様にして行った。
図8に示すように、実施例11,12についてタンパク質合成速度を比較したところ、有意な差異は認められなかった。この結果より、本発明の無細胞タンパク質合成方法によれば、mRNAを純化することなく転写後の転写反応液を用いて調製した翻訳反応液を用いて行う、簡便な無細胞タンパク質合成方法が実現可能となることが判った。
実験例9
図9は、実験例7の転写反応後の転写反応液を用いて調製した翻訳反応液にて本発明の無細胞タンパク質合成方法を行った実験結果を示すグラフであり、縦軸は合成されたタンパク質量(mg/ml)、横軸は反応時間(時間)を示す。図9において、上向きの矢尻は希釈及び濃縮の不連続繰り返し操作を行った時点を示す。下向きの矢印は、転写反応後の転写反応液(mRNAを含む)の添加した時点を示す。
翻訳反応液は、80A260nm/mlのコムギ胚芽抽出液、転写反応後の転写反応液(GFPmRNA9.6mgを含む)を、実施例1と同様の翻訳反応用溶液15mlに添加し(GFPmRNAの最終濃度640μg/ml)、これを液量8mlにまで濃縮した後に、上記翻訳反応用溶液による稀釈とこれに続く濃縮操作を行って翻訳反応液を調製し、翻訳反応を開始した。副生成物を除去する手段としては、図4に示したのと同様にろ過膜と送液ポンプとを有する構成を使用し、反応開始より4時間経過するごとにGFPmRNA(翻訳鋳型)の添加、そして30分間隔で基質及びエネルギー源を含む溶液による稀釈・濃縮を、不連続繰り返し操作で行った。
実験結果が示すように、mRNAの追加によって、殆ど停止状態にあった翻訳反応が再開始することが確認できる。さらに、この稀釈・濃縮法とmRNAの追加を組み合わせることによって、長時間に亘ってタンパク質合成を持続させることが可能となることが判る。
装置の実施例
以下に、本発明に係る自動合成装置の実施例を説明する。しかし、本発明に係る自動合成装置は、ハイスループット合成システムを自動で実施可能であれば下記の実施例の装置に制限されるものではない。
本発明の自動合成装置を実施するため、それぞれ以下のものを自動合成装置内にセットし、該合成装置を用いてGFPタンパク質合成を行った。
転写鋳型
GFPが組み込まれたpEUプラスミドベクターをセンスプライマーとアンチセンスプライマーをもちい、30μl系でPCRを行って得られたDNAを転写鋳型とした。このDNAは96ウェルPCRプレート(鋳型用プレート:▲1▼)内に収容した。
転写反応用溶液
終濃度80mM HEPES−KOH、16mM 酢酸マグネシウム、2mM スペルミジン、10mM DTT、3mM NTPs、1U/μl SP6 RNAポリメラーゼ、1U/μl RNasinを含有する溶液4.95mlを作成し装置内の試薬槽1(▲2▼)に入れた。
翻訳反応用溶液
それぞれ終濃度として30mM HEPES−KOH(pH7.8)、1.2mM ATP、0.25mM GTP、16mM ホスホクレアチン、2mM ジチオスレイトール、0.3mM スペルミジン、0.3mM 20種類アミノ酸、2.7mM 酢酸マグネシウム、100mM 酢酸カリウム、0.005% アジ化ナトリウム、40ng/μl クレアチンキナーゼ、260nmにおける光学密度(OD)が80又は40ユニットのコムギ胚芽抽出液を含有する溶液5.5mlを作成し、装置内の試薬槽2(▲3▼)に入れた。なお、80ユニットと40ユニットのコムギ胚芽抽出液を含有する翻訳反応用溶液を用いたタンパク質合成は別々に行った。
希釈溶液
それぞれ終濃度として30mM HEPES−KOH(pH7.8)、1.2mM ATP、0.25mM GTP、16mM ホスホクレアチン、2mM ジチオスレイトール、0.3mM スペルミジン、0.3mM 20種類アミノ酸、2.7mM 酢酸マグネシウム、100mM 酢酸カリウム、0.005% アジ化ナトリウムを含有する溶液100mlを作成し、装置内の試薬槽3(▲4▼)に入れた。
合成容器
鋳型用プレート(蓋付きPCR96穴(縦8×横12)プレート(鋳型DNAを入れたもの):▲1▼)、転写・ろ液受け用プレート(蓋付き96穴(縦8×横12)タイタープレート:▲10▼)、翻訳用プレート(蓋付きPCR96穴(縦8×横12)プレート(セルの底がフィルター):▲14▼)、ダミープレート(遠心時にバランスをとる)
チップ
300μlチップ(転写反応用溶液用、翻訳反応用溶液用、希釈溶液用:▲5▼)(280本)、20μlチップ(鋳型産物用:▲6▼)(96本)
分注機1:ピペッターの本数8本(300μlチップ装着用:▲8▼)
分注機2:ピペッターの本数8本(20μlチップ装着用:▲9▼)
GFPタンパク質合成は、以下の工程で本発明に係る合成装置を用いて行った。
<工程1:転写>
(1)ロボットアーム(▲7▼)が転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の蓋をはずした。
(2)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着し、転写反応液を入れた試薬槽1(▲2▼)まで移動した。
(3)分注機1(▲8▼)が、試薬槽1(▲2▼)から転写反応液を95μl(45μlx2回+5μl)吸引した。
(4)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の位置まで移動し、該プレートの縦の各セル(8個)に転写反応液を45μlずつ2回、吐出した。
(5)(2)−(4)の工程をさらに、転写反応液をまだ入れていない縦7列の各セルに行った。
(6)分注機1(▲8▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
(7)ロボットアーム(▲7▼)が、鋳型用プレート(▲1▼)の蓋をはずした。
(8)分注機2(▲9▼)が、20μlチップ(▲6▼)を装着した。
(9)分注機2(▲9▼)の各チップが、エアを5μl吸引した(吸引の効率を上げるために行った)。
(10)分注機2(▲9▼)を鋳型用プレート(▲1▼)位置まで移動し、鋳型用プレート(▲1▼)の縦の各セル(8個)中の鋳型サンプル5μlを吸引した。
(11)分注機2(▲9▼)を転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)位置まで移動し、該プレートの縦の各セル(8個)に鋳型サンプル全量を吐出した。
(12)分注機2(▲9▼)の各チップにより、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の縦の各セル(8個)をピペッティングにより混和した。
(13)分注機2(▲9▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
(14)(8)−(13)の工程をさらに、鋳型サンプルをまだ入れていない縦7列の各セルに行った。
(15)ロボットアーム(▲7▼)が、鋳型用プレート(▲1▼)及び転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の蓋をした。
(16)ロボットアーム(▲7▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)を、あらかじめ37℃に設定しておいた恒温槽1(▲12▼)に搬送し、セットした。
(17)恒温槽1(▲12▼)で、37℃で4時間、転写反応を行った。
<工程2:転写後沈殿除去>
(1)ロボットアーム(▲7▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)を恒温槽1(▲12▼)からMTPステージ(▲13▼)に搬送した。
(2)ロボットアーム(▲7▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の蓋をはずした。
(3)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着した。
(4)分注機1(▲8▼)の各チップが、エアを5μl吸引した。
(5)分注機1(▲8▼)を希釈溶液が入った試薬槽3(▲4▼)に移動させ、希釈溶液を吸引した(吸引量はプレート上の列によって濃縮遠心後の液量が変化するため、列ごとに80μl〜120μlの間で微調整した。)。
(6)分注機1(▲8▼)を転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)位置まで移動し、該プレートの縦の各セル(8個)に希釈溶液全量を吐出した。
(7)(4)〜(6)の工程をさらに、希釈溶液を入れていない縦7列の各セルに行った。
(8)分注機1(▲8▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
(9)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳用プレート(▲5▼)に蓋をして、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)上に重ねた(遠心時にダミープレートとバランスを取るため)。
(10)ロボットアーム(▲7▼)が、重ねた翻訳プレート(▲14▼)及び転写・ろ液受け用プレートプレート(▲10▼)を昇降台(▲15▼)に搬送した。
(11)重ねた翻訳プレート(▲14▼)及び転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)を載置した昇降台を遠心機(▲16▼)の高さに合うように、下降させた。
(12)ロボットアーム(▲7▼)が、遠心機(▲16▼)の扉を開けた。
(13)遠心機(▲16▼)が、プレートをセットできるように遠心機のプレート設置部位の位置合わせを行った。
(14)ロボットアーム(▲7▼)が、重ねた翻訳プレート(▲14▼)及び転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)を遠心機に搬送し、セットした。
(15)(13)同様に位置合わせを行い、ダミープレートをバランスとして、遠心機にセットした。
(16)遠心機(▲16▼)で、3100g、15分間、遠心を行った。
<工程3:転写液バッファー交換1回目>
(1)遠心機(▲16▼)が停止した後、ロボットアームが遠心機の扉を開け、続いて、遠心機が位置合わせを行った(ロボットアームと遠心機のプレート設置部位の位置合わせ)。
(2)ロボットアーム(▲7▼)が、重ねた翻訳プレート(▲14▼)及び転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)を遠心機(▲16▼)から昇降台に搬送した。
(3)(1)同様に位置合わせを行い、ロボットアーム(▲7▼)がダミープレートを昇降台に搬送した。
(4)ロボットアーム(▲7▼)が、重ねた翻訳プレート(▲14▼)及び転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)をMTPステージ(▲13▼)に搬送し、翻訳プレート(▲14▼)と転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)を分離してセットした。
(5)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳プレート(▲14▼)の蓋をはずした。
(6)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着した。
(7)分注機1(▲8▼)の各チップが、エアを5μl吸引した。
(8)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)位置まで移動し、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の縦の各セル(8個)中の全量を吸引した。
(9)分注機1(▲8▼)が、翻訳プレート(▲14▼)位置まで移動し、翻訳プレート(▲14▼)の縦の各セル(8個)に全量を吐出した。
(10)(6)〜(9)の工程をさらに、他の縦7列の各セルに行った。
(11)分注機1(▲8▼)が、翻訳プレート(▲14▼)に蓋をした。
(12)分注機1(▲8▼)が、翻訳プレート(▲14▼)を転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)に重ねた(上:翻訳プレート、下:転写・ろ液受け用プレート)。
(13)工程2(10)〜(16)と同様に遠心を行った。
<工程4:転写液バッファー交換2回目>
(1)工程3(1)〜(5)と同様に、遠心機から転写・ろ液受け用プレート、翻訳プレートを取り出し、MTPステージにセットして、翻訳プレートの蓋をはずした。
(2)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着した。
(3)分注機1(▲8▼)の各チップが、エアを5μl吸引した。
(4)分注機1(▲8▼)が、希釈溶液を入れた試薬槽3(▲4▼)まで移動した。
(5)分注機1(▲8▼)の各セルが、希釈溶液を吸引した(吸引量は列ごとに80μl〜120μlの間で微調整した)。
(6)分注機1(▲8▼)が、翻訳プレート(▲14▼)位置まで移動し、翻訳プレート(▲14▼)の縦の各セル(8個)に全量を吐出した。
(7)(3)〜(6)の工程をさらに、他の縦7列の各セルに行った。
(8)分注機1(▲9▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
(9)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着した。
(10)分注機1(▲8▼)の各チップが、エアを5μl吸引した。
(11)分注機1(▲8▼)が、翻訳プレート(▲14▼)位置まで移動した。
(12)分注機1(▲8▼)の各チップにより、翻訳プレート(▲14▼)の縦の各セル(8個)をピペッティングにより混和した。
(13)(8)〜(12)の工程を、さらに他の縦7列の各セルに行った(各セルでチップを交換する場合がある)。
(14)分注機1(▲9▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
(15)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳プレート(▲14▼)の蓋をした。
(16)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着した。
(17)分注機1(▲8▼)の各チップが、エアを5μl吸引した。
(18)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)位置まで移動した。
(19)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の縦の各セル(8個)中の全量を吸引した。
(20)分注機1(▲8▼)が、廃液口(▲17▼)位置まで移動した。
(21)分注機1(▲8▼)が、全量を廃液口(▲17▼)に吐出した。
(22)(17)〜(21)の工程を、さらに他の縦7列の各セルに行った。
(23)分注機1(▲9▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
(24)翻訳プレート(▲14▼)を、工程2(9)〜(16)同様に遠心を行った。
<工程5:翻訳反応用溶液分注>
(1)工程3(1)〜(5)と同様に、遠心機から転写・ろ液受け用プレート、翻訳用プレートを取り出し、MTPステージにセットし、翻訳用プレート(▲14▼)の蓋をはずした。
(2)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着し、各チップがエアを5μl吸引した。
(3)分注機1(▲8▼)が、翻訳反応用溶液を入れた試薬槽2(▲3▼)まで移動した。
(4)分注機1(▲8▼)が、試薬槽2(▲3▼)から翻訳反応液50μlを吸引した。
(5)分注機1(▲8▼)が、翻訳用プレート(▲14▼)位置まで移動し、翻訳用プレート(▲14▼)の縦の各セル(8個)中の全量を吐出した。
(6)分注機1(▲8▼)の各チップにより、翻訳用プレート(▲14▼)の縦の各セル(8個)をピペッティングにより混和した。
(7)(2)〜(6)の工程を、さらに他の縦7列の各セルに行った。
(8)分注機1(▲9▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
(9)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳プレート(▲14▼)の蓋をした。
(10)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳プレート(▲14▼)を恒温槽1(▲12▼)に搬送した。
(11)翻訳プレート(▲14▼)を、26℃で1時間、保温した。
(12)(11)の保温工程の間に(以後は、ろ液を廃棄する工程)、分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着し、各チップがエアを5μl吸引した。
(13)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)位置まで移動した。
(14)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の縦の各セル(8個)中の全量を吸引した。
(15)分注機1(▲8▼)が、廃液口(▲17▼)位置まで移動し、全量を吐出した。
(16)(12)〜(15)の工程を、さらに他の縦7列の各セルに行った。
(17)分注機1(▲9▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した。
<工程6:翻訳繰り返し>
以下の工程を6回繰り返した。
(1)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳用プレート(▲14▼)を恒温槽1(▲12▼)からMTPステージ(▲13▼)に搬送した。
(2)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳用プレート(▲14▼)の蓋をはずした。
(3)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着した。
(4)分注機1(▲8▼)の各チップが、エアを5μl吸引した。
(5)分注機1(▲8▼)を希釈溶液が入った試薬槽3(▲4▼)に移動させ、希釈溶液を吸引した(吸引量はプレート上の列によって遠心後の液量が変化するため、列ごとに80μl〜120μlの間で微調整した)。
(6)分注機1(▲8▼)を翻訳用プレート(▲14▼)位置まで移動し、該プレートの縦の各セル(8個)に希釈溶液全量を吐出した。
(7)(4)〜(6)の工程をさらに、希釈溶液を入れていない縦7列の各セルに行った。
(8)工程2(9)〜(16)同様に遠心を行った(遠心時間は18分)。
(9)工程3(1)〜(5)と同様に、遠心機から転写・ろ液受け用プレート、翻訳プレートを取り出し、MTPステージにセットして、翻訳プレートの蓋をはずした。
(10)分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着し、各チップがエアを5μl吸引した。
(11)分注機1(▲8▼)が、翻訳用プレート(▲14▼)位置まで移動した。
(12)分注機1(▲8▼)の各チップにより、翻訳用プレート(▲14▼)の縦の各セル(8個)をピペッティングにより混和した。
(13)分注機1(▲9▼)が、チップ廃棄口(▲11▼)位置まで移動し、チップを破棄した(チップを取り替えない場合もある)。
(14)(10)〜(13)の工程を、さらに他の縦7列の各セルに行った。
(15)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳プレート(▲14▼)の蓋をした。
(16)ロボットアーム(▲7▼)が、翻訳プレート(▲14▼)を恒温槽1(▲12▼)に搬送した。
(17)翻訳プレート(▲14▼)を、26℃で1時間、保温した。
(18)(17)の保温工程の間に(以後は、ろ液を廃棄する工程)、分注機1(▲8▼)が、300μlチップ(▲5▼)を装着し、エアを5μl吸引した。
(19)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)位置まで移動した。
(20)分注機1(▲8▼)が、転写・ろ液受け用プレート(▲10▼)の縦の各セル(8個)中の全量を吸引した。
(21)分注機1(▲8▼)が、廃液口(▲17▼)位置まで移動した。
(22)分注機1(▲8▼)が、全量を吐出した。
(23)(18)〜(22)の工程を、さらに他の縦7列の各セルに行った。
<工程7:終了(工程6を6回繰り返した後)>
(1)工程6(18)の保温終了後、恒温槽の温度を4℃にした。
(2)翻訳プレートを合成機から取り出した。
以上の工程により合成されたGFPを合成タンパク質量の測定は、Madin K et alらの報告(Madin K.et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA(2000),97,559−556)に記載した方法に準じて行い、SDS−PAGEで解析した(図11)。
図11では、40ユニットの1−8レーン及び80ユニットの1−4レーンすべてにおいて、GFPのバンドの位置にタンパク質が合成されていた。さらに、BSA(125,250,500ng)のバンド濃度と各レーンでのGFPのバンド濃度を比較すると、すべてのレーンで少なくとも250ngのGFPが合成されていると推測できる。
以上の説明で明らかなように、反応速度の高い反応初期時間を選択し、希釈と濃縮の不連続繰り返し操作からなる本発明のハイスループット合成システム及び該システムを自動で行う装置が、高品質のタンパク質を短時間に効率よく合成することが可能であること、ならびに、目的タンパク質の単離にも極めて有効であることが判る。また、この原理がインビトロでのRNAの効率的な合成にも有用であることが判る。
さらに、この原理を応用するタンパク質やRNA合成法が、Spirinらの連続法にみられる種々の欠点、すなわち、装置としての複雑性、膜の低強度性、運転時における膜の目詰まり、操作の煩雑性などに起因する反応装置を解決できることを示した。加えて特に長時間の合成反応時間を要するという連続法の欠点は、単に時間の浪費だけに留まらず、生産されるタンパク質の品質確保の側面からも解決されなければならない大きな問題点として残されていたが、この欠点については重層法においても未解決の課題であった。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(Cell-free protein synthesis method)
1) Reaction of DNA to mRNA (transcription reaction)
Transcription reaction solution [final concentration, 80 mM HEPES-KOH pH 7.8, 16 mM magnesium acetate, 10 mM dithiothreitol, 2 mM spermidine, 2.5 mM 4NTPs (4 types of nucleotide triphosphates), 0.8 U / μl RNase inhibitor, 0.1 μg / μl DNA [plasmid GFP (Green fluorescein protein)], 1.6 U / μl SP6 RNA polymerase] was prepared and reacted at 37 ° C. for 3 hours. After the reaction, the mixture was centrifuged at 12,000 rpm for 1 hour at 4 ° C. After centrifugation, the supernatant was collected and added to ethanol at a final concentration of about 70% and ammonium acetate to a final concentration of about 0.27M. And then centrifuged at 3,000 rpm for 30 minutes (ethanol precipitation). After this ethanol precipitation was performed three times, an appropriate amount of dialysis buffer (final concentration, 35 mM HEPES-KOH pH 7.8, 3.1 mM magnesium acetate, 103 mM potassium acetate, 16 mM creatine, 1.2 mM ATP, 0.26 mM GTP, 2 (5 mM DTT, 0.43 mM spermidine, 0.3 mM of various amino acids) to adjust the RNA concentration to about 5 to 10 mg / ml.
Further, mRNA synthesis according to the present invention by discontinuous repetition of dilution and concentration was performed according to Experimental Example 7.
2) Preparation of translation reaction solution
The embryo extract was used as a translation reaction solution (final concentration 35 mM HEPES-KOH pH 7.8, 103 mM potassium acetate (KOAc), 3.1 mM magnesium acetate (Mg (OAc) 2), 16 mM creatine phosphate, 1.2 mM ATP, 0 .26 mM GTP, 2.5 mM dithiothreitol (DTT), 0.43 mM spermidine, 0.3 mM AAs (mixture of 20 L-type amino acids), 1.03 mg / ml creatine kinase] The extract was prepared so that the concentration (OD 260 nm) was 40 to 120.
3) Translation reaction
The prepared mRNA solution was added to the translation reaction solution containing the embryo extract according to the concentration of the embryo extract during the translation reaction, and the reaction was performed. In other words, the O.D. D. When 260 nm was 100, the amount of mRNA to be added was 0.8 mg / ml, and the amount of mRNA to be added was prepared by proportional calculation.
The reaction solution prepared above was reacted at 20 ° C. After a certain period from the start of the reaction (10 minutes to 3 hours), the reaction solution is diluted with 2 to 3 volumes of the above-mentioned translation reaction solution, and then concentrated with an ultrafiltration membrane having a molecular weight cut of 30,000 Da to obtain a reaction solution. Was returned to the same amount as before dilution. This operation was repeated several times. Alternatively, it was first concentrated to about 1/2 to 1/3 volume, and then diluted to the original volume using the translation reaction solution.
When additional mRNA is added to the translation reaction solution by batch operation, the transcription reaction solution prepared in 1) (before ethanol precipitation) or the mRNA solution prepared through ethanol precipitation operation is adjusted to the concentration of the wheat germ solution. Added accordingly.
4) Confirmation of protein synthesis effect
The amount of synthetic protein was measured according to the method described in the report of Madin K et al. (Madin K. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2000), 97, 559-556). went.
5) Form of wheat germ extract
The wheat germ extract, cell-free protein synthesis reaction solution composition, mRNA preparation method, and batch-type cell-free protein synthesis method used in this study are described in Madin K et al. (Madin K. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2000), 97, 559-556), Japanese Patent No. 3255784, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-236896, WO 00/68412, Sawasaki. T. T. et al. et al. (Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2002), 99, 14652-14657).
(Example of equipment)
FIG. 4 shows a schematic diagram of a system for allowing the dilution and concentration operations of the present invention to be performed a plurality of times and performing the synthesis reaction discontinuously. When the dilution and concentration operations are realized by a configuration having a filtration membrane and a liquid feed pump, for example, use of a mechanism schematically shown in FIG. 4 is exemplified. By using a mechanism in which the filtration concentrator 1 having a filtration membrane and the liquid feed pump 2 are combined, the (RNA) substrate solution (transcription or) translation reaction before and after the completion of the translation reaction in the reaction tank 3 After diluting the liquid, the by-product is filtered by the filter concentrator 1 and discharged into the container 6. On the other hand, the concentrated (transcription or translation) reaction solution can be returned to the reaction vessel 3 to resume the reaction.
In the system shown in FIG. 4, the container 4 containing the (RNA) substrate solution and the reaction vessel 3 are connected via a tube T1, a liquid feed switching valve 5 and a tube T2, and this liquid feed switching valve 5 is connected to the tube T3. The reaction tank 3 is connected via the liquid feed pump 2, the tube T4, the filtration concentrator 1, and the tube T5. In this way, the liquid feed switching valve 5 accommodates the (RNA) substrate solution by (a) the state in which no liquid is fed into the reaction tank 3 (the valve is closed), and (b) the liquid feed pump 2 is operated. The (RNA) substrate solution can be pumped up from the vessel 4 that has been prepared, and can be directly fed into the reaction tank 3, and (c) the translation reaction solution in the reaction tank 3 is transferred by the operation of the liquid feed pump 2. A state in which the translation reaction solution can be circulated so as to be pumped up and passed through the filtration concentrator 1 and then returned to the reaction vessel 3 (d) The vessel 4 containing the substrate solution by the operation of the liquid feed pump 2 Then, the state in which the (RNA) substrate solution is pumped up, passed through the filtration concentrator 1 and fed into the reaction vessel 3 can be switched appropriately.
Using this configuration, the operation is performed according to the following procedure.
1. In the reaction tank 3, a batch reaction (transcription or translation) is performed. During this time, the liquid feed switching valve 5 is closed [state (a) above], the liquid feed pump 3 is also stopped, and the liquid feed into the reaction tank 3 is stopped.
2. At any time before or after the (transcription or) translation reaction is stopped, the liquid feed switching valve 5 is switched [state (b) above], the liquid feed pump 2 is operated, and the (RNA) substrate solution is put into the reaction tank 3. Feed and mix in.
3. By switching the liquid feed switching valve 5 (state (c) above), the liquid feed pump 2 is operated to pump up the (transcription or) translation reaction liquid in the reaction tank 3 and pass through the filtration concentrator 1 to produce by-products. The product is discharged into the container 6 and circulated so that the concentrated reaction liquid is returned to the reaction tank 3.
4). The liquid feed switching valve 5 is switched [state (d) above], the liquid feed pump 2 is operated to pump up the (RNA) substrate solution in the container 4, and the liquid is fed into the reaction tank 3 through the filter concentrator 1. Then, the translation reaction solution partially remaining in the filter concentrator 1 is washed out into the reaction vessel 3.
5. The liquid feed switching valve 5 is switched [state (b) above], the liquid feed pump 2 is operated, the (RNA) substrate solution in the container 4 is pumped up, and the liquid is fed into the reaction tank 3 to be fed into the reaction tank. After adjusting the amount of the reaction solution (translation or translation) in 3 to the original volume, the solution feed switching valve 5 is switched [state (a)] to stop the solution feed.
Return to 6.1 and repeat the above operations.
In the case of realizing an apparatus using such a system, as a liquid feeding pump to be used, a conventionally known appropriate liquid feeding pump can be used without particular limitation. For example, a peristaltic pump [for example, LKB-Pump-p1 ( Pharmacia, etc.) and the like. Moreover, a conventionally well-known thing can also be used as a filtration concentrator without a restriction | limiting in particular. Specifically, a cross flow filtration device, VF05C2 type (molecular weight 30,000 cut, manufactured by Sartorius) and the like are exemplified.
According to the system in which the dilution and concentration means is realized with a configuration having a filtration membrane and a liquid feed pump, the protein synthesis yield is improved as compared with the case of using a centrifuge (see Experimental Example 4). In addition, a device capable of synthesizing a large-scale cell-free protein can be constructed. Furthermore, it is possible to construct a small-capacity apparatus by combining a small reaction vessel and a filtration concentrator, which is different from the configuration having a filtration membrane and a centrifuge as a by-product removing means described above. The device is not necessarily a big one. In addition, such a configuration having a filtration membrane and a liquid feed pump facilitates precise control of the dilution / concentration process, and is extremely useful for automating general cell-free protein synthesis technology for various purposes. It can be expected to become an important core technology.
Experimental example 1
FIG. 1 shows the experimental results using a wheat germ extract as an example (Example 1) of a batch-type cell-free protein synthesis method in which the dilution and concentration treatments of the present invention are repeated discontinuously. A comparative example is the result by the conventional cell-free protein synthesis method by a batch method. The vertical axis represents the amount of synthetic protein (mg / ml), and the horizontal axis represents the reaction time (hours). In FIG. 1, the line connecting black circles (●-●) is the result of the method of the present invention, and the line connecting white circles (◯ -O) is the result of the conventional batch method. For the synthesis reaction, a wheat germ extract having a concentration of 40A 260 nm / ml (absorbance of wheat germ extract at a wavelength of 260 nm) and 320 μg / ml of green fluorescein protein (GFP) -encoding mRNA (translation template) are mixed, Cell-free protein synthesis was performed at 20 ° C.
The synthetic reaction of the comparative experiment was carried out using a concentrated container with an ultrafiltration membrane having a molecular weight cut off of 30,000 (cut molecular weight: 30,000 kDa). In the batch reaction method of the conventional method, the change over time in the amount of protein produced using fluorescence activity as an index shows a typical hyperbolic type. That is, the reaction rate decreases through the maximum rate phase at the beginning of the reaction, and after 3 hours when the reaction is stopped, no increase in the amount of synthetic protein is observed even with long-term incubation (◯-○). This result is in good agreement with previous reports (Madin K. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2000), 97, 559-556). Although the cause of this reaction stop has not been completely elucidated, the decrease in the concentration of ATP and GTP (energy depletion), which is an energy source, and the accumulation of AMP and GMP, which are byproducts that cannot be regenerated, are It is thought that protein synthesis is suppressed by the mechanism.
The synthesis reaction of the present invention is carried out in a container equipped with an ultrafiltration membrane, and the protein synthesis substrate solution (substrate and energy source is 3 times the volume of the reaction solution 2 hours after the start of the reaction, which has a high reaction rate and before stopping the reaction). Add) and stir (dilution treatment). Next, the solution was diluted with a centrifuge, and the solution diluted with this substrate solution was concentrated to the volume of the reaction solution before dilution (at the time indicated by the arrow) (concentration treatment). By repeating this series of dilution and concentration processes a plurality of times in a discontinuous manner, low-molecular substances including by-products are eliminated and reduced in concentration through the ultrafiltration membrane, while ATP consumed in the synthesis reaction, GTP and amino acid were recovered to near their respective concentrations at the start of the reaction. Simultaneously with this concentration treatment, ribosomes derived from wheat germ, tRNA and all other translation factors are concentrated to the original concentration at the start of the reaction. By such treatment, it can be confirmed that the protein synthesis reaction once reduced is resumed, and after reaching the original high initial rate, the reaction again decreases (●-●). By repeating such a discontinuous dilution / concentration treatment, it becomes possible to utilize the characteristics of the time domain with a high initial reaction rate, and achieve highly efficient cell-free protein synthesis. As shown in FIG. 1, by repeating the dilution / concentration treatment four times, the synthesis amount, which was 0.072 mg per 1 ml reaction volume in the batch system of GFP, can be increased to 0.41 mg. It was. The amount of synthetic protein was calculated according to a GFP fluorescence intensity measurement technique (fluorescence maximum wavelength 508 nm), assuming that 1 μg / ml of GFP has a fluorescence intensity of 2.0.
Although sufficient synthesis efficiency was achieved by this treatment, a phenomenon was observed in which the protein synthesis rate of the system gradually decreased with repeated dilution and concentration treatments. This can be caused by leakage of the translation factor (s) derived from the germ into the filtrate, loss from the reaction system due to adsorption on the ultrafiltration membrane, degradation of mRNA, or adsorption on the ultrafiltration membrane. It was estimated that the concentration decreased due to the like.
Experimental example 2
FIG. 2 is a graph showing the results of an experiment in which cell-free protein synthesis was performed in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the wheat germ extract was changed, and the vertical axis represents the amount of protein synthesized (mg / ml). The horizontal axis indicates the reaction time (hours). In FIG. 2, a line connecting small black circles (· − ·) indicates experimental results when the concentration of wheat germ extract is 60A260 nm / ml and the GFP mRNA concentration is 480 μg / ml (Example 2). The line (●-●) connecting indicates the experimental results when the concentration of the wheat germ extract is 80 A 260 nm / ml and the GFP mRNA concentration is 640 μg / ml (Example 3). In FIG. 2, arrowheads indicate the time point when the above operation is performed.
As shown in FIG. 2, the protein synthesized in a cell-free system by the discontinuous repeated operation of dilution and concentration four times in Example 2 was 0.62 mg per ml of the reaction solution, and four times dilution and concentration in Example 3 The protein synthesized in a cell-free system by the discontinuous operation was 1.13 mg per 1 ml of the reaction solution. Thus, the amount of protein synthesis by the cell-free protein synthesis method of the present invention increases as the concentration of the translation factor in the reaction system increases, and is significantly improved as compared with the experimental results of the conventional batch method shown in FIG.
Experimental example 3
Since the time for reducing the synthesis rate in the usual batch method depends on the decrease in the substrate concentration in the reaction solution and the accumulated concentration of by-products, it is inversely related to the translation factor concentration of the system. That is, the higher the translation factor concentration (wheat germ extract concentration) in the system, the shorter the time to stop the reaction (Madin K et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2000), 97, 556-559). Thus, when translation factors are used at high concentrations, it is considered possible to maintain a high synthesis rate by shortening the time interval for discontinuous repeated dilution and concentration operations. It can be expected to increase production efficiency within a unit time.
FIG. 3A shows a cell-free manner in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the wheat germ extract was 80 A 260 nm / ml, the concentration of GFP mRNA was 640 μg / ml, and the interval for performing the repeated repetition of dilution and concentration was changed. It is a graph which shows the experimental result which performed protein synthesis, FIG. 3: B is the polyacrylamide gel electrophoresis result which shows the quantitative difference of the synthesized GFP by the difference in the interval which performs the discontinuous repetition operation of dilution and concentration.
In the graph of FIG. 3A, the vertical axis represents the amount of protein synthesized (mg / ml), the horizontal axis represents the reaction time (hours), and the arrowheads represent the time points at which discontinuous repetition of dilution and concentration was performed. In FIG. 3A, the black circled line (●-●) shows the experimental results when the above-mentioned discontinuous repetition of dilution and concentration was performed at 0.5 hour intervals from the start of the reaction (Example 4). The line (○-○) connecting, indicates the experimental results when the above-mentioned discontinuous repetition of dilution and concentration was performed at 1 hour intervals from the start of the reaction (Example 5). In FIG. 3A, arrowheads indicate the time points at which the above dilution and concentration discontinuous repetition operations were performed.
FIG. 3B shows Example 4 in which the above-described dilution and concentration discontinuous repetition operation was performed at intervals of 0.5 hours, and Example 4 was performed except that the above-described dilution and concentration discontinuous repetition operation was performed at intervals of 2 hours. It compares and shows the case (Example 6) performed similarly. In addition, the arrowhead in FIG. 3B has shown the dyeing | staining band of GFP. Polyacrylamide gel electrophoresis is performed at each reaction time (in Example 4, 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 hours have elapsed from the start of the reaction, in Example 6, 1 μl of the reaction solution at 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 hours after the start of the reaction) was separated by polyacrylamide native gel electrophoresis, and the protein was stained with Coomassie brilliant blue.
As shown in FIGS. 3A and 3B, Example 4 in which the above dilution and concentration discontinuous repetition operation was performed at intervals of 0.5 hours was performed by performing the above dilution and concentration discontinuous repetition operation at intervals of 1 hour. Example 5 The yield per unit time is higher than that of Example 6 in which the above dilution and concentration discontinuous operation was repeated at intervals of 2 hours. In Example 4, a synthesis amount of 1.12 mg / ml is obtained in a reaction of 2.5 hours. This is the same concentration of the reaction solution, and the above dilution and concentration are repeated repeatedly at intervals of 2 hours for 10 hours. It exceeds the yield obtained by the reaction. This result shows that the higher the translation factor concentration in the reaction system (wheat germ extract concentration), the lower the concentration that accompanies consumption of energy sources and the like, and at the same time, the accumulated concentration of by-products increases. It directly indicates that the time to decrease and stop the reaction is shortened. Therefore, in setting the time for the discontinuous repeated operation of dilution and concentration, the maximum synthetic yield can be achieved by selecting the optimal timing depending on the concentration of the wheat germ extract contained in the reaction system.
Proteins include instability (high reactivity) as a general physical property. Therefore, in order to obtain a high-quality protein, it is one of the essential conditions to construct a technique for increasing the synthesis yield in a short time, and the principle of the present invention proved in FIG. 3 can be said to be extremely effective.
Experimental Example 4
FIG. 5 shows an experiment in which protein synthesis was carried out by the cell-free protein synthesis method of the present invention using the configuration in which the filtration membrane and the liquid feed pump shown in FIG. 4 were used for removal of by-products (Example 7) It is a graph which shows a result. The vertical axis represents the amount of protein synthesized (mg / ml), and the horizontal axis represents the reaction time (hours). In FIG. 5, a line connecting black circles (●-●) shows the experimental results of Example 7, and a line connecting white circles (◯-○) shows the experimental results of the conventional batch method. Moreover, in FIG. 5, arrowheads show the time of performing the above-mentioned discontinuous repetition operation of dilution and concentration.
In Example 7, a cross flow filtration apparatus (VF05C2 type, manufactured by Sartorius, molecular weight 30,000 cut) was used as a filtration concentrator, and LKB-Pump-P1 (Pharmacia) was used as a liquid feed pump. In addition, a translation reaction solution similar to that in Example 1 was used except that 80A 260 nm / ml wheat germ extract and 640 μg / ml concentration GFP mRNA were used. Done at intervals. As a reaction container, a graduated plastic tube (Falcon tube) was used, the reaction volume was 15 ml, and dilution in a discontinuous repeated operation of dilution and concentration was performed using a translation reaction solution having a volume of 45 ml.
As shown in FIG. 5, when a configuration having a filtration membrane and a liquid feed pump is used as a means for removing by-products, the ultrafiltration membrane and the centrifuge in Experimental Examples 1 to 3 are used. It was confirmed that the present invention can be suitably used in the cell-free protein synthesis method of the present invention, as in the case of the apparatus using the. In Example 7, the protein was synthesized with a synthetic yield of 2.1 mg per ml of reaction volume by reaction for 4 hours, which was about twice as high as when using the above-mentioned apparatus using a centrifuge and an ultrafiltration membrane.
Experimental Example 5
FIG. 6A shows a discontinuous dilution and concentration using the same translation reaction solution as in Example 1 except that 60A 260 nm / ml wheat germ extract and 450 μg / ml dihydrofolate reductase (DHFR) mRNA were used as translation templates. It is a figure which shows the experimental result at the time of performing a cell-free protein synthesis | combination like Example 1 (Example 8) except having repeated the repetition operation twice at 1 hour intervals. As a comparative experiment, cell-free protein synthesis was carried out under the same conditions except for the conventional batch method (no discontinuous repetition of dilution and concentration). In Example 8, a reaction vessel equipped with an ultrafiltration membrane having a cut molecular weight of 30,000 Da (manufactured by Millipore) was used for the synthesis of DHFR having a molecular weight of about 20,000 KDa in a cell-free system.
In FIG. 6A, lanes 1, 2, and 3 are the discharged solution (filtrate) after the reaction by the discontinuous repeated operation of Example 1, 0, 1, and 2 dilution and concentration, and the dilution and concentration discontinuities, respectively. 1 μl of each reaction solution in the conventional batch method at the same time as the repetitive operation was subjected to sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE), and the result of Coomassie brilliant blue staining is shown (the arrowhead in the figure is: DHFR which is a synthetic product is shown.). As can be seen from the staining intensity of the DHFR band indicated by the arrowhead in FIG. 6A, the experimental results of the conventional batch method (the “reaction solution” on the left side of each lane) confirmed the synthesis of a trace amount of DHFR after 1 hour of reaction. However, in the experimental results of Example 8 (the “filtrate” on the right side of each lane), the DHFR produced in the reaction system was filtered by the discontinuous operation of dilution and concentration once and twice. It was confirmed that the liquid could be taken out efficiently.
Experimental Example 6
FIG. 6B shows the results of an experiment in which a GFP fusion protein in which streptavidin is fused to the N-terminus by the cell-free protein synthesis method of the present invention (Example 9) and the GFP fusion protein is isolated outside the system. FIG.
The cell-free protein synthesis itself in this experiment was the same as in Example 1 except that mRNA encoding GFP fusion protein was used as a translation template, and the discontinuous repetition of dilution and concentration was performed 4 times at 1 hour intervals. went. In order to isolate the GFP fusion protein outside the system, first, magnetic beads immobilized with 1 biotin are added to the reaction solution, and the resulting fusion product is used for the magnetic beads using the affinity between biotin and streptavidin. The beads were bonded to the two fusion proteins that were selectively collected in the reaction vessel, and the procedure was such that the beads were selectively removed from the reaction vessel using a magnet. Electrophoresis and staining were performed in the same manner as in Experimental Example 5.
As shown in FIG. 6B, the product detected in the reaction solution before the isolation operation disappears from the reaction solution by this operation (an arrowhead in the reaction solution lane after isolation), and the system is efficiently passed through the magnetic beads. It can be seen that it is isolated outside (synthetic product shown in the isolation product lane).
Experimental Example 7
FIG. 7 is a diagram showing the difference in experimental results between the RNA synthesis method of the present invention (Example 10) and the conventional method for synthesizing RNA in vitro by the batch method. In FIG. 7, the left of FIG. 7 shows the result of the conventional method by the batch method, the right of FIG. 7 shows the result of the RNA synthesis method of the present invention, and the arrow shows the mRNA product encoding GFP.
In each case, a transcription reaction solution [final concentration, 80 mM HEPES-KOH pH 7.8, 16 mM magnesium acetate, 10 mM dithiothreitol, using a GFP gene of jellyfish inserted into a wheat germ cell-free dedicated plasmid vector pEU as a transcription template. 2 mM spermidine, 2.5 mM 4NTPs (4 types of nucleotide triphosphates), 0.8 U / μl RNase inhibitor, 0.1 μg / μl DNA [plasmid GFP (Green Fluorescent protein)], 1.6 U / μl SP6 RNA Polymerase] was prepared and reacted at 37 ° C. for 3 hours.
The RNA synthesis reaction in Example 10 was carried out 3 hours after the start of the reaction, diluted by adding 3 times the amount of the above transcription reaction solution to the transcription reaction solution, and then using a centrifuge to remove low molecules through a filtration membrane. By excluding the reaction solution from the reaction solution system, the transcription reaction solution was concentrated to the original concentration. Thereafter, the synthesis reaction was allowed to proceed by discontinuously repeating dilution and concentration at intervals of 3 hours. At the time of discontinuous repeated operation of each dilution and concentration, the transcription reaction solution was collected, and the transcription product (mRNA) separated by agarose gel electrophoresis was visualized by ethidium bromide staining.
As shown in FIG. 7, in the method of synthesizing RNA in vitro by the conventional batch method, the RNA synthesis reaction is stopped in about 3 hours. In Example 10 in which repeated operations were performed, mRNA could be synthesized in a yield 2.4 times that of the conventional method.
Experimental Example 8
FIG. 8 is a graph showing the results of an experiment in which the cell-free protein synthesis method of the present invention was performed using mRNA purified by ethanol precipitation and unpurified mRNA as translation templates, and the vertical axis represents the synthesized protein. Amount (mg / ml), horizontal axis indicates reaction time (hours). Purified mRNA was prepared according to the method described in Example (cell-free protein synthesis method) 1) mRNA reaction (transcription reaction) from DNA. Unpurified mRNA was prepared by the method described in Example 10 and centrifuged at 12,000 rpm for 1 hour, and the supernatant was recovered and prepared. In FIG. 8, the black circled line (●-●) indicates that the transcription reaction solution containing the mRNA synthesized in Example 10 was added to the translation reaction solution at a ratio of 1: 2, and after mixing, the same amount as the mixture solution Dialysis buffer [35 mM HEPES-KOH pH 7.8, 103 mM potassium acetate (KOAc), 3.1 mM magnesium acetate (Mg (OAc) 2), 16 mM creatine phosphate, 1.2 mM ATP, 0.26 mM GTP, 2. 5 mM dithiothreitol (DTT), 0.43 mM spermidine, 0.3 mM AAs (mixture of 20 L-type amino acids)], diluted, concentrated to the original mixture volume, and again dialyzed with the same volume Add buffer, repeat the same procedure, and after concentration, add creatine kinase to a final concentration of about 1 mg / ml to perform the protein synthesis reaction. The results of the experiment in Example 11 (Example 11) are shown, and the white circled line (○-○) is a translation reaction solution prepared using the ethanol synthesized in Experiment Example 7 and purified by ethanol precipitation. The experimental result at the time of performing protein synthesis reaction (Example 12) is shown. In Examples 11 and 12, the above mRNA was used at a concentration of 480 μg / ml, and a wheat germ extract having a concentration of 60A / 260 nm / ml was used.
As shown in FIG. 8, when the protein synthesis rates were compared for Examples 11 and 12, no significant difference was observed. From this result, according to the cell-free protein synthesis method of the present invention, a simple cell-free protein synthesis method that uses a translation reaction solution prepared using a transcription reaction solution after transcription without purifying mRNA is realized. I found it possible.
Experimental Example 9
FIG. 9 is a graph showing the results of an experiment in which the cell-free protein synthesis method of the present invention was performed using a translation reaction solution prepared using the transcription reaction solution after the transcription reaction in Experimental Example 7, and the vertical axis was synthesized. The amount of protein (mg / ml), and the horizontal axis represents the reaction time (hours). In FIG. 9, the upward arrowhead indicates the time point at which the dilution and concentration discontinuous repetition operations were performed. The downward arrow indicates the time when the transcription reaction solution (including mRNA) after the transcription reaction is added.
As a translation reaction solution, 80A 260 nm / ml wheat germ extract and a transcription reaction solution after transcription reaction (including 9.6 mg of GFP mRNA) were added to 15 ml of the translation reaction solution similar to Example 1 (final concentration of GFP mRNA: 640 μg). / Ml), this was concentrated to a liquid volume of 8 ml, and then the translation reaction solution was prepared by dilution with the above translation reaction solution and subsequent concentration operation, and the translation reaction was started. As a means for removing the by-product, a configuration having a filtration membrane and a liquid feed pump is used in the same manner as shown in FIG. 4, and GFP mRNA (translation template) is added every 4 hours from the start of the reaction. Then, dilution / concentration with a solution containing a substrate and an energy source was performed at 30-minute intervals by discontinuous repeated operation.
As the experimental results show, it can be confirmed that the translation reaction that was almost stopped is restarted by the addition of mRNA. Furthermore, it can be seen that protein synthesis can be sustained for a long time by combining this dilution / concentration method with the addition of mRNA.
Example of apparatus
Examples of the automatic synthesis apparatus according to the present invention will be described below. However, the automatic synthesizing apparatus according to the present invention is not limited to the apparatus of the following embodiment as long as the high-throughput synthesis system can be automatically implemented.
In order to implement the automatic synthesizer of the present invention, the following were set in the automatic synthesizer, and GFP protein synthesis was performed using the synthesizer.
Transcription mold
A pEU plasmid vector in which GFP was incorporated was used as a transcription template, using a sense primer and an antisense primer, and DNA obtained by PCR in a 30 μl system. This DNA was housed in a 96-well PCR plate (template plate: (1)).
Solution for transcription reaction
4.95 ml of a solution containing a final concentration of 80 mM HEPES-KOH, 16 mM magnesium acetate, 2 mM spermidine, 10 mM DTT, 3 mM NTPs, 1 U / μl SP6 RNA polymerase, 1 U / μl RNasin was prepared, and reagent tank 1 (▲ 2 ▼).
Translation reaction solution
Final concentrations of 30 mM HEPES-KOH (pH 7.8), 1.2 mM ATP, 0.25 mM GTP, 16 mM phosphocreatine, 2 mM dithiothreitol, 0.3 mM spermidine, 0.3 mM 20 amino acids, 2.7 mM magnesium acetate , 100 mM potassium acetate, 0.005% sodium azide, 40 ng / μl creatine kinase, and 5.5 ml of a solution containing wheat germ extract with an optical density (OD) at 260 nm of 80 or 40 units. It put into the reagent tank 2 ((3)). In addition, the protein synthesis | combination using the solution for translation reactions containing an 80 unit and 40 unit wheat germ extract was performed separately.
Diluted solution
Final concentrations of 30 mM HEPES-KOH (pH 7.8), 1.2 mM ATP, 0.25 mM GTP, 16 mM phosphocreatine, 2 mM dithiothreitol, 0.3 mM spermidine, 0.3 mM 20 amino acids, 2.7 mM magnesium acetate 100 ml of a solution containing 100 mM potassium acetate and 0.005% sodium azide was prepared and placed in the reagent tank 3 (4) in the apparatus.
Synthetic container
Plate for template (PCR 96-hole with lid (vertical 8 x horizontal 12) plate (with template DNA): (1)), Transfer / filtrate receiving plate (96-hole with lid (vertical 8 x horizontal 12) titer Plate: (10)), translation plate (PCR 96-hole with lid (vertical 8 x horizontal 12) plate (cell bottom is filter): (14)), dummy plate (balance during centrifugation)
Chip
300 μl chip (for transcription reaction solution, translation reaction solution, diluted solution: (5)) (280), 20 μl chip (for template product: (6)) (96)
Dispenser 1: Number of pipetters 8 (for mounting 300 μl tips: (8))
Dispenser 2: 8 pipetters (for mounting 20 μl tips: (9))
GFP protein synthesis was performed using the synthesizer according to the present invention in the following steps.
<Step 1: Transfer>
(1) The robot arm (7) removed the cover of the transfer / filtrate receiving plate (10).
(2) Dispenser 1 (8) was mounted to 300 μl tip (5) and moved to reagent tank 1 (2) containing the transfer reaction solution.
(3) The dispenser 1 (8) sucked 95 μl (45 μl × 2 times + 5 μl) of the transcription reaction solution from the reagent tank 1 (2).
(4) The dispenser 1 (8) moves to the position of the transfer / filtrate receiving plate (10), and 45 μl of the transfer reaction solution is placed in each vertical cell (eight) of the plate. Discharged twice.
(5) The steps (2) to (4) were further performed on each of the 7 vertical columns of cells in which the transcription reaction solution was not added.
(6) Dispenser 1 (8) moved to the tip disposal port (11) position and the tip was discarded.
(7) The robot arm (7) removed the lid of the mold plate (1).
(8) Dispenser 2 (9) was equipped with a 20 μl tip (6).
(9) Each tip of the dispenser 2 (9) sucked 5 μl of air (performed to increase the efficiency of suction).
(10) Move the dispenser 2 (9) to the position of the mold plate (1), and aspirate 5 μl of the mold sample in each of the vertical cells (8) of the mold plate (1). did.
(11) The dispenser 2 (9) was moved to the transfer / filtrate receiving plate (10) position, and the entire amount of the mold sample was discharged to each of the vertical cells (8 pieces) of the plate.
(12) The vertical cells (eight) of the transfer / filtrate receiving plate (10) were mixed by pipetting with the tips of the dispenser 2 (9).
(13) Dispenser 2 (9) moved to the tip disposal port (11) position, and the tip was discarded.
(14) The steps (8) to (13) were further performed on each of the 7 vertical columns of cells in which the mold sample was not yet placed.
(15) The robot arm (7) covered the mold plate (1) and the transfer / filtrate receiving plate (10).
(16) The robot arm (7) transported and set the transfer / filtrate receiving plate (10) to the thermostat 1 (12) set to 37 ° C. in advance.
(17) The transcription reaction was carried out at 37 ° C. for 4 hours in the thermostatic chamber 1 (12).
<Step 2: Removal of precipitate after transfer>
(1) The robot arm (7) transported the transfer / filtrate receiving plate (10) from the thermostat 1 (12) to the MTP stage (13).
(2) The robot arm (7) removed the transfer / filtrate receiving plate (10).
(3) Dispenser 1 (8) was equipped with a 300 μl tip (5).
(4) Each tip of dispenser 1 (8) sucked 5 μl of air.
(5) The dispenser 1 (8) is moved to the reagent tank 3 (4) containing the diluted solution, and the diluted solution is aspirated (the amount of suction is the amount of liquid after concentration centrifugation by the row on the plate) Because of the change, it was finely adjusted between 80 μl and 120 μl for each column.)
(6) The dispenser 1 (8) was moved to the transfer / filtrate receiving plate (10) position, and the entire diluted solution was discharged into each of the vertical cells (8) of the plate.
(7) The steps (4) to (6) were further performed on each of the 7 columns of cells not containing the diluted solution.
(8) The dispenser 1 (8) moved to the tip disposal port (11) and discarded the tip.
(9) The robot arm (7) covers the translation plate (5) and puts it on the transfer / filtrate receiving plate (10). To take).
(10) The robot arm (7) transported the overlaid translation plate (14) and the transfer / filtrate receiving plate plate (10) to the lifting platform (15).
(11) The lifting platform on which the translated translation plate ((14)) and the transfer / filtrate receiving plate ((10)) are placed is lowered to match the height of the centrifuge ((16)). .
(12) The robot arm (7) opened the door of the centrifuge (16).
(13) The centrifuge plate (16) was positioned so that the plate could be set.
(14) The robot arm (7) transported and set the superimposed translation plate (14) and the transfer / filtrate receiving plate (10) to the centrifuge.
(15) Positioning was performed in the same manner as in (13), and the dummy plate was set as a balance in a centrifuge.
(16) Centrifugation was performed at 3100 g for 15 minutes with a centrifuge ((16)).
<Step 3: First transfer buffer buffer exchange>
(1) After the centrifuge ((16)) was stopped, the robot arm opened the centrifuge door, and then the centrifuge performed alignment (alignment of the robot arm and centrifuge plate installation site). .
(2) The robot arm (7) transported the translated translation plate (14) and the transfer / filtrate receiving plate (10) from the centrifuge (16) to the lifting platform.
(3) Positioning was performed in the same manner as in (1), and the robot arm (7) transported the dummy plate to the lifting platform.
(4) The robot arm (7) transports the translated translation plate (14) and the transfer / filtrate receiving plate (10) to the MTP stage (13), and the translation plate (▲). 14 ▼) and the transfer / filtrate receiving plate (10) were set separately.
(5) The robot arm (7) removed the lid of the translation plate (14).
(6) Dispenser 1 (8) was equipped with a 300 μl tip (5).
(7) Each tip of dispenser 1 (8) sucked 5 μl of air.
(8) The dispenser 1 (8) moves to the transfer / filtrate receiving plate (10) position, and each vertical cell (8) of the transfer / filtrate receiving plate (10). The whole amount was aspirated.
(9) The dispenser 1 (8) moved to the translation plate (14) position, and the entire amount was discharged to each vertical cell (eight) of the translation plate (14).
(10) The processes of (6) to (9) were further performed on each cell in the other seven vertical columns.
(11) The dispenser 1 (8) covered the translation plate (14).
(12) Dispenser 1 (8) placed translation plate (14) on transfer / filtrate receiving plate (10) (upper: translation plate, lower: transfer / filtrate receiver) Plate).
(13) Centrifugation was performed in the same manner as in Steps 2 (10) to (16).
<Step 4: Second transfer of the transfer buffer>
(1) In the same manner as in Steps 3 (1) to (5), the transfer / filtrate receiving plate and the translation plate were taken out from the centrifuge, set on the MTP stage, and the lid of the translation plate was removed.
(2) Dispenser 1 (8) was equipped with a 300 μl tip (5).
(3) Each tip of dispenser 1 (8) sucked 5 μl of air.
(4) Dispenser 1 (8) moved to reagent tank 3 (4) containing the diluted solution.
(5) Each cell of dispenser 1 (8) sucked the diluted solution (the amount of suction was finely adjusted between 80 μl and 120 μl for each row).
(6) The dispenser 1 (8) moved to the translation plate (14) position, and the entire amount was discharged to each vertical cell (eight) of the translation plate (14).
(7) The processes of (3) to (6) were further performed on each cell in the other seven vertical columns.
(8) The dispenser 1 (9) moved to the tip disposal port (11) position, and the tip was discarded.
(9) Dispenser 1 (8) was equipped with a 300 μl tip (5).
(10) Each tip of dispenser 1 (8) sucked 5 μl of air.
(11) Dispenser 1 (8) moved to the translation plate (14) position.
(12) The vertical cells (8) of the translation plate (14) were mixed by pipetting with the tips of the dispenser 1 (8).
(13) The processes of (8) to (12) were further performed on each cell in another seven vertical columns (the chip may be replaced in each cell).
(14) The dispenser 1 (9) moved to the tip disposal port (11) position, and the tip was discarded.
(15) The robot arm (7) covered the translation plate (14).
(16) Dispenser 1 (8) was equipped with a 300 μl tip (5).
(17) Each tip of dispenser 1 (8) sucked 5 μl of air.
(18) Dispenser 1 (8) moved to the transfer / filtrate receiving plate (10) position.
(19) The dispenser 1 (8) sucked the entire amount in each of the vertical cells (eight) of the transfer / filtrate receiving plate (10).
(20) Dispenser 1 (8) moved to the waste liquid port (17) position.
(21) Dispenser 1 (8) discharged the entire amount to the waste liquid port (17).
(22) The processes of (17) to (21) were performed on each of the cells in the other seven vertical columns.
(23) The dispenser 1 (9) moved to the tip disposal port (11) position, and the tip was discarded.
(24) The translation plate (14) was centrifuged in the same manner as in Steps 2 (9) to (16).
<Step 5: Translation reaction solution dispensing>
(1) In the same manner as in steps 3 (1) to (5), take out the transfer / filtrate receiving plate and translation plate from the centrifuge, set them on the MTP stage, and put the lid of the translation plate (14) on. I removed it.
(2) Dispenser 1 (8) was equipped with 300 μl tips (5), and each tip sucked 5 μl of air.
(3) Dispenser 1 (8) moved to reagent tank 2 (3) containing the translation reaction solution.
(4) The dispenser 1 (8) sucked 50 μl of the translation reaction solution from the reagent tank 2 (3).
(5) Dispenser 1 (8) moved to the position of translation plate (14) and discharged the entire amount in each vertical cell (8) of translation plate (14). .
(6) The vertical cells (8) of the translation plate (14) were mixed by pipetting with the tips of the dispenser 1 (8).
(7) The processes of (2) to (6) were performed on each of the cells in the other seven vertical columns.
(8) The dispenser 1 (9) moved to the tip disposal port (11) position, and the tip was discarded.
(9) The robot arm (7) covered the translation plate (14).
(10) The robot arm (7) transported the translation plate (14) to the thermostat 1 (12).
(11) The translation plate (14) was kept warm at 26 ° C. for 1 hour.
(12) During the heat retention step of (11) (hereinafter, the step of discarding the filtrate), the dispenser 1 (8) is equipped with 300 μl tips (5), and each tip is air Was aspirated.
(13) Dispenser 1 (8) moved to transfer / filtrate receiving plate (10) position.
(14) The dispenser 1 (8) sucked the entire amount in each of the vertical cells (eight) of the transfer / filtrate receiving plate (10).
(15) Dispenser 1 (8) moved to the waste liquid port (17) and discharged the entire amount.
(16) The processes of (12) to (15) were performed on each of the cells in the other seven vertical columns.
(17) The dispenser 1 (9) moved to the tip disposal port (11) position, and the tip was discarded.
<Step 6: Repeat translation>
The following steps were repeated 6 times.
(1) The robot arm (7) transported the translation plate (14) from the thermostat 1 (12) to the MTP stage (13).
(2) The robot arm (7) removed the lid of the translation plate (14).
(3) Dispenser 1 (8) was equipped with a 300 μl tip (5).
(4) Each tip of dispenser 1 (8) sucked 5 μl of air.
(5) The dispenser 1 (8) is moved to the reagent tank 3 (4) containing the diluted solution, and the diluted solution is aspirated (the aspirated amount depends on the row on the plate. Because of the change, it was fine-tuned between 80 μl and 120 μl for each row).
(6) The dispenser 1 (8) was moved to the position of the translation plate (14), and the entire diluted solution was discharged into each vertical cell (eight) of the plate.
(7) The steps (4) to (6) were further performed on each of the 7 columns of cells not containing the diluted solution.
(8) Centrifugation was performed in the same manner as in Steps 2 (9) to (16) (centrifugation time was 18 minutes).
(9) In the same manner as in Steps 3 (1) to (5), the transfer / filtrate receiving plate and the translation plate were taken out of the centrifuge, set on the MTP stage, and the translation plate lid was removed.
(10) Dispenser 1 (8) was equipped with 300 μl tips (5), and each tip sucked 5 μl of air.
(11) Dispenser 1 (8) moved to the translation plate (14) position.
(12) Using the tips of the dispenser 1 (8), the vertical cells (8) of the translation plate (14) were mixed by pipetting.
(13) The dispenser 1 (9) moved to the tip disposal port (11) position and discarded the tip (the tip may not be replaced in some cases).
(14) The processes of (10) to (13) were performed on each of the other seven vertical cells.
(15) The robot arm (7) covered the translation plate (14).
(16) The robot arm (7) transported the translation plate (14) to the thermostat 1 (12).
(17) The translation plate (14) was kept warm at 26 ° C. for 1 hour.
(18) During the heat retention step of (17) (hereinafter, the step of discarding the filtrate), dispenser 1 (8) is equipped with a 300 μl tip (5) and sucked 5 μl of air. did.
(19) Dispenser 1 (8) moved to the transfer / filtrate receiving plate (10) position.
(20) The dispenser 1 (8) sucked the entire amount in each of the vertical cells (eight) of the transfer / filtrate receiving plate (10).
(21) Dispenser 1 (8) moved to the waste liquid port (17) position.
(22) Dispenser 1 (8) discharged the entire amount.
(23) The processes of (18) to (22) were performed on each of the cells in the other seven vertical columns.
<Step 7: End (after step 6 is repeated six times)>
(1) After the heat retention in step 6 (18), the temperature of the thermostatic bath was set to 4 ° C.
(2) The translation plate was removed from the synthesizer.
The measurement of the amount of the synthesized GFP synthesized by the above steps is reported by Madin K et al. (Madin K. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2000), 97, 559-556). And analyzed by SDS-PAGE (FIG. 11).
In FIG. 11, the protein was synthesized at the position of the GFP band in all 1-8 lanes of 40 units and 1-4 lanes of 80 units. Further, by comparing the band concentration of BSA (125, 250, 500 ng) and the band concentration of GFP in each lane, it can be estimated that at least 250 ng of GFP is synthesized in all lanes.
As is clear from the above explanation, the high-throughput synthesis system of the present invention comprising a discontinuous repeated operation of dilution and concentration by selecting a reaction initial time with a high reaction rate, and an apparatus for automatically performing the system, have high quality. It turns out that it is possible to synthesize | combine protein efficiently in a short time, and it is very effective also in isolation of the target protein. This principle is also useful for efficient synthesis of RNA in vitro.
Furthermore, protein and RNA synthesis methods applying this principle have various disadvantages seen in the continuous method of Spirin et al., Ie, the complexity of the device, the low strength of the membrane, clogging of the membrane during operation, It was shown that the reactor caused by the complexity can be solved. In addition, the disadvantage of the continuous method, which requires a particularly long synthesis reaction time, is not only a waste of time, but also remains as a major problem that must be solved from the aspect of ensuring the quality of the protein produced. However, this drawback was an unsolved problem even in the multilayer method.

ここに発明した技術は、ポストゲノム時代のタンパク質研究に向けた基盤要素技術を提供することとなろう。特にRNAやタンパク質などの構造・機能の解析のための網羅的調製や大量生産を簡便且つ効率的に可能とする要素技術として不可欠であるといえる。  The technology invented here will provide basic elemental technologies for protein research in the post-genomic era. In particular, it can be said that it is indispensable as an elemental technology that enables simple and efficient comprehensive preparation and mass production for analysis of structures and functions of RNA and proteins.

Claims (5)

翻訳鋳型を原料にする無細胞タンパク質合成系であって、以下の手段、その制御手段、又はその組合せを含むことを特徴とする無細胞系タンパク質合成方法;
1)翻訳鋳型、基質、及びコムギ胚芽抽出液を含む反応溶液を接触させて合成反応に導く、
2)合成速度の略低下前後、合成反応の略停止前後、又はそれらの途上に、反応溶液を希釈処理する、
3)希釈処理に続いて濃縮処理を行う、
4)濃縮された反応系によって合成反応をおこなう、
5)前記2)〜4)の手段を複数回繰り返す、
又は
1)翻訳鋳型、基質、及びコムギ胚芽抽出液を含む反応溶液を接触させて合成反応に導く、
2)合成速度の略低下前後、合成反応の略停止前後、又はそれらの途上に、反応溶液を濃縮処理する、
3)濃縮処理に続いて希釈処理を行う、
4)希釈された反応系によって合成反応をおこなう、
5)前記2)〜4)の手段を複数回繰り返す、
ここで、該コムギ胚芽抽出液は、リボソームの脱アデニン化率が1%未満である、
無細胞系タンパク質合成方法。
A cell-free protein synthesis system using a translation template as a raw material, comprising the following means, its control means, or a combination thereof:
1) Contacting a reaction solution containing a translation template, a substrate, and a wheat germ extract leads to a synthesis reaction.
2) Diluting the reaction solution before and after substantially lowering the synthesis rate, before and after substantially stopping the synthesis reaction, or in the middle thereof,
3) Concentrate after dilution.
4) Perform the synthesis reaction using the concentrated reaction system.
5) Repeat the means 2) to 4) a plurality of times,
Or 1) contacting a reaction solution containing a translation template, a substrate, and a wheat germ extract to lead to a synthesis reaction,
2) Concentrate the reaction solution before and after substantially lowering the synthesis rate, before and after substantially stopping the synthesis reaction, or in the middle thereof,
3) A dilution process is performed following the concentration process.
4) Perform the synthesis reaction with the diluted reaction system.
5) Repeat the means 2) to 4) a plurality of times,
Here, the wheat germ extract has a ribosome deadenification rate of less than 1%.
Cell-free protein synthesis method.
前記コムギ胚芽抽出液は、分子量14,000以下の低分子合成阻害物質が除去されている請求の範囲1の方法。  2. The method according to claim 1, wherein the wheat germ extract has a low molecular weight synthesis inhibitor having a molecular weight of 14,000 or less removed. 濃縮処理で、副産物を反応系外に除去する請求の範囲1又は2の方法。  The method according to claim 1 or 2, wherein by-products are removed from the reaction system by concentration treatment. 希釈処理で、基質、エネルギー源及び/又は鋳型物質の反応系内への補充が行われる請求の範囲1〜3のいずれか1の方法。  The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate, the energy source and / or the template substance are replenished into the reaction system in the dilution process. 前記繰り返し回数が2回から20回である請求の範囲1〜4のいずれか1の方法。  The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the number of repetitions is 2 to 20 times.
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