RU2802080C1 - Cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells, a method of protein synthesis based on staphylococcus aureus cells using a cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells and a method of detecting protein synthesis inhibitors using it - Google Patents

Cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells, a method of protein synthesis based on staphylococcus aureus cells using a cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells and a method of detecting protein synthesis inhibitors using it Download PDF

Info

Publication number
RU2802080C1
RU2802080C1 RU2022135452A RU2022135452A RU2802080C1 RU 2802080 C1 RU2802080 C1 RU 2802080C1 RU 2022135452 A RU2022135452 A RU 2022135452A RU 2022135452 A RU2022135452 A RU 2022135452A RU 2802080 C1 RU2802080 C1 RU 2802080C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
protein synthesis
cell
staphylococcus aureus
cells
system based
Prior art date
Application number
RU2022135452A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович Голубев
Наталья Михайловна Александрова
Шамиль Завдатович Валидов
Марат Миратович Юсупов
Константин Сергеевич Усачев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук"
Application granted granted Critical
Publication of RU2802080C1 publication Critical patent/RU2802080C1/en

Links

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: proposed cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, obtained by mixing the components of the reaction mixture in the specified order and volume ratio (vol.%); a method of protein synthesis in a cell-free system based on Staphylococcus aureus cells, including incubation of the claimed cell-free system at 37°C; a method of detecting inhibitors of protein synthesis based on Staphylococcus aureus cells, including incubation at 37°C potential inhibitors of protein synthesis in conjunction with a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, quantitative measurement of the synthesized protein by a luminescent or fluorescent radiation signal and determination of the ability to inhibit protein synthesis by the incidence of a light signal.
EFFECT: inventions expand the arsenal of agents for protein synthesis in open systems outside cells based on cellular metabolism, for screening antimicrobial substances in biotechnological and pharmaceutical industries.
6 cl, 2 dwg, 3 ex

Description

Заявленная группа технических решений относится к области молекулярной биологии и синтетической биологии, конкретно – к средству и способу синтеза белков в открытых системах вне клеток на основе клеточного метаболизма, скринингу антимикробных веществ, в том числе активных по отношению к трансляционному аппарату Staphylococcus aureus. Заявленные технические решения позволят проводить поиск химических соединений на способность ингибирования синтеза белка, в том числе бактерии Staphylococcus aureus, производить функциональные тесты бактериальных белков, в том числе белков бактерии Staphylococcus aureus, выполнять синтез бактериальных белков для биотехнологии и структурной биологии. Изобретения могут быть использованы, например, на биотехнологических и фармацевтических производствах, в научно-исследовательских организациях, с целью проведения реакций синтеза белка бактерии Staphylococcus aureus в естественном окружении in vitro, тестирования влияния химических веществ (например – антибиотиков) на биосинтез белка Staphylococcus aureus. Синтезируемый белок с использованием заявленной бесклеточной системы может быть использован в биотехнологиях, в том числе – после проведения его выделения, очистки и модификации целевого белка.The claimed group of technical solutions relates to the field of molecular biology and synthetic biology, specifically to a means and method for protein synthesis in open systems outside cells based on cellular metabolism, screening of antimicrobial substances, including those active against the Staphylococcus aureus translation apparatus. The claimed technical solutions will make it possible to search for chemical compounds for the ability to inhibit protein synthesis, including Staphylococcus aureus bacteria, to perform functional tests of bacterial proteins, including Staphylococcus aureus bacteria proteins, to perform the synthesis of bacterial proteins for biotechnology and structural biology. The inventions can be used, for example, in biotechnological and pharmaceutical industries, in research organizations, in order to carry out reactions of protein synthesis of Staphylococcus aureus bacteria in a natural environment in vitro, to test the effect of chemicals (for example, antibiotics) on Staphylococcus aureus protein biosynthesis. The synthesized protein using the claimed cell-free system can be used in biotechnology, including after its isolation, purification and modification of the target protein.

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.Further in the text, the applicant gives the terms that are necessary to facilitate an unambiguous understanding of the essence of the claimed materials and to exclude contradictions and / or controversial interpretations when performing an examination on the merits.

АТФ – аденозинтрифосфат. ATP is adenosine triphosphate.

HEPES – 4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтансульфоновая кислота. HEPES - 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid.

ЭДТА –Этилендиаминтетрауксусная кислота. EDTA - Ethylenediaminetetraacetic acid.

NTP – нуклеотидтрифосфат. NTP , nucleotide triphosphate.

ЦТФ – цитидинтрифосфат. CTP - cytidine triphosphate.

ГТФ – гуанозинтрифосфат. GTP is guanosine triphosphate.

УТФ – уридинтрифосфат. UTP - uridine triphosphate.

RNasine – ингибитор РНКаз. RNasine is an RNase inhibitor.

Для решения проблемы антибиотикорезистентности штаммов патогенных микроорганизмов необходима разработка новых лекарственных препаратов на основе комплексного подхода. Одним из наиболее традиционных путей поиска антимикробных препаратов является последовательное тестирование новых природных или синтетических соединений на культуральных жидкостях, после чего производится определение химической и пространственной структуры и поиск механизма действия ингибитора. При этом поиск молекулярной мишени в клетке патогена, на которую воздействует исследуемое вещество с антимикробной активностью, является одним из самых сложных этапов.To solve the problem of antibiotic resistance of strains of pathogenic microorganisms, it is necessary to develop new drugs based on an integrated approach. One of the most traditional ways of searching for antimicrobial drugs is sequential testing of new natural or synthetic compounds on culture liquids, after which the chemical and spatial structure is determined and the mechanism of action of the inhibitor is searched. At the same time, the search for a molecular target in a pathogen cell, which is affected by the test substance with antimicrobial activity, is one of the most difficult stages.

На современном этапе развития фармакологии, и биотехнологии на её основе, одной из ключевых задач является получение данных о взаимосвязях и взаимодействии частей, составляющих биологическую систему, а также её кинетических параметров – для этого часто используются in vitro подходы и, в частности, бесклеточные системы.At the present stage of development of pharmacology, and biotechnology based on it, one of the key tasks is to obtain data on the relationships and interactions of the parts that make up a biological system, as well as its kinetic parameters - for this, in vitro approaches are often used and, in particular, cell-free systems.

Программирование бесклеточных систем дает множество преимуществ:Programming cell-free systems provides many benefits:

-простоту проведения экспериментов,- ease of experimentation,

-возможность контроля за концентрациями и активностями генов и ферментов,- the ability to control the concentrations and activities of genes and enzymes,

-простоту в получении количественных измерений,- ease of obtaining quantitative measurements,

-возможность управления большим количеством параметров, которые можно оценивать, используя высокопропускные (high-throughput) подходы.- the ability to control a large number of parameters that can be estimated using high-throughput (high-throughput) approaches.

В общем смысле, бесклеточная система синтеза белка — это клетка без мембраны, помещенная в квази-естественную среду, состоящую из буферной системы, метаболитов и ферментов, помогающих метаболизму. В бесклеточной системе синтеза белка воспроизводится набор химических реакций, которые отражают главные метаболические процессы необходимые для синтеза белка. В состав бесклеточной системы синтеза белка входят все компоненты необходимые для транскрипции, трансляции, а также системы синтеза АТФ, обеспечивающие энергию для протекания биохимических реакций. In a general sense, a cell-free protein synthesis system is a cell without a membrane, placed in a quasi-natural environment, consisting of a buffer system, metabolites and enzymes that help metabolism. In a cell-free protein synthesis system, a set of chemical reactions are reproduced that reflect the main metabolic processes necessary for protein synthesis. The cell-free protein synthesis system includes all the components necessary for transcription, translation, as well as ATP synthesis systems that provide energy for biochemical reactions.

Бесклеточная система синтеза белка состоит из четырех основных компонент:The cell-free protein synthesis system consists of four main components:

-клеточного экстракта как основы метаболизма,-cell extract as the basis of metabolism,

-ДНК/РНК,-DNA/RNA,

-субстратов для транскрипции и трансляции,-substrates for transcription and translation,

-системы регенерации AТФ.- ATP regeneration systems.

Соединенные воедино компоненты создают условия для протекания основных этапов синтеза белка in vitro. В силу наличия генетических особенностей в строении аппарата синтеза белка у каждого вида организмов необходимо использовать соответствующий клеточный экстракт для конкретного организма и подбирать индивидуальные условия и концентрации компонент бесклеточных систем синтеза белка.The components joined together create the conditions for the flow of the main stages of protein synthesis in vitro . Due to the presence of genetic features in the structure of the protein synthesis apparatus in each type of organism, it is necessary to use the appropriate cell extract for a particular organism and select individual conditions and concentrations of the components of cell-free protein synthesis systems.

Для скрининга потенциальных ингибиторов исследуемое вещество добавляется в реакционную смесь бесклеточной системы синтеза белка и по количеству сигнального белка, опосредованного через сигнал флюоресценции или люминесценции, оценивается уровень ингибирования синтеза белка. При этом, из-за открытости системы, возможно проводить крупномасштабную проверку и оптимизацию, легко изменяя условия проведения экспериментов, например, концентрацию добавляемого вещества-ингибитора, в рамках одного эксперимента. Также в рамках бесклеточной системы синтеза белка возможно разделять транскрипцию от трансляции и оценивать влияние на отдельные процессы, тем самым уточнять сферу действия вещества-ингибитора. Бесклеточные системы синтеза белка имеют преимущества скорости протекания реакции (от 2 до 10 часов), возможности за один раз автоматизировано проводить большое количество измерений, возможности контролировать реакцию вследствие отсутствия клеточной стенки, возможности добавления любых белков, в том числе токсичных для клетки.To screen for potential inhibitors, the test substance is added to the reaction mixture of the cell-free protein synthesis system and the level of inhibition of protein synthesis is assessed by the amount of signal protein mediated through the fluorescence or luminescence signal. At the same time, due to the openness of the system, it is possible to carry out large-scale verification and optimization by easily changing the experimental conditions, for example, the concentration of the added inhibitor substance, within the framework of one experiment. Also, within the framework of a cell-free protein synthesis system, it is possible to separate transcription from translation and evaluate the effect on individual processes, thereby clarifying the scope of the inhibitor substance. Cell-free protein synthesis systems have the advantages of a reaction rate (from 2 to 10 hours), the ability to automatically carry out a large number of measurements at a time, the ability to control the reaction due to the absence of a cell wall, the ability to add any proteins, including those toxic to the cell.

В настоящее время бесклеточные системы синтеза белка активно используются в сфере синтетической биологии для создания модельных минимальных программируемых систем, дизайна белков, поиска биокатализаторов, для масштабной наработки целевых белков и молекул, для исследований процессов ингибирования синтеза белков.Currently, cell-free protein synthesis systems are actively used in the field of synthetic biology to create model minimal programmable systems, design proteins, search for biocatalysts, for large-scale production of target proteins and molecules, and to study the processes of protein synthesis inhibition.

Высокая стоимость бесклеточных систем ранее делала их непривлекательными для высокопроизводительного скрининга. Однако в последнее время бесклеточные системы привлекли внимание исследователей и из других областей, особенно из сферы синтетической биологии. Сейчас технология используется в сфере синтетической биологии для создания модельных минимальных программируемых систем, дизайна белков, поиска биокатализаторов, для масштабной наработки целевых белков и молекул, для поиска ингибиторов. В отличии от тест-систем, основанных на клеточных культурах, в бесклеточной системе синтеза белка возможно проведение точных кинетических экспериментов с добавлением веществ.The high cost of cell-free systems has previously made them unattractive for high throughput screening. Recently, however, cell-free systems have attracted the attention of researchers from other fields, especially from the field of synthetic biology. Now the technology is used in the field of synthetic biology to create model minimal programmable systems, design proteins, search for biocatalysts, for large-scale development of target proteins and molecules, and search for inhibitors. Unlike test systems based on cell cultures, in a cell-free protein synthesis system, it is possible to conduct accurate kinetic experiments with the addition of substances.

Так, известны источники «An Escherichia coli cell-free expression toolbox: application to synthetic gene circuits and artificial cells» (Бесклеточная система экспрессии на основе клеток кишечной палочки E.coli и ее применение в синтетических генных цепочках и искусственных клетках) [Shin J. Et al. An Escherichia coli Cell-Free Expression Toolbox: Application to Synthetic Gene Circuits and Artificial Cells // ACS Synth. Biol, 2012. Vol.1. N. 1. P. 29–41], «A cell-free protein synthesis system for high-throughput proteomics» (Бесклеточная система синтеза белка для высокопроизводительной протеомики) [Sawasaki T. et al. A cell-free protein synthesis system for high-throughput proteomics // Proc Natl Acad Sci USA, 2002. Vol. 99(23). P. 14652-14657], «Microscale Adaptation of In Vitro Transcription/Translation for High-Throughput Screening of Natural Product Extract Libraries» (Микромасштабная адаптация экстракорпоральной транскрипции/трансляции для высокопроизводительного скрининга библиотек экстрактов натуральных продуктов) [Lowell, A. N. et al. Microscale Adaptation of In Vitro Transcription/Translation for High-Throughput Screening of Natural Product Extract Libraries // Chem. Biol. Drug Des. 2015. Vol. 86. P. 1331–1338. Сущностью являются бесклеточные системы для тестирования регуляторных элементов и синтеза белка в грамотрицательной бактерии Escherichia coli.Thus, the sources of "An Escherichia coli cell-free expression toolbox: application to synthetic gene circuits and artificial cells" are known (Cell-free expression system based on E. coli cells and its use in synthetic gene chains and artificial cells) [Shin J. Et al. An Escherichia coli Cell-Free Expression Toolbox: Application to Synthetic Gene Circuits and Artificial Cells // ACS Synth. Biol, 2012. Vol.1. N. 1. P. 29–41], “A cell-free protein synthesis system for high-throughput proteomics” [Sawasaki T. et al. A cell-free protein synthesis system for high-throughput proteomics // Proc Natl Acad Sci USA, 2002. Vol. 99(23). P. 14652-14657], "Microscale Adaptation of In Vitro Transcription/Translation for High-Throughput Screening of Natural Product Extract Libraries" [Lowell, AN et al. Microscale Adaptation of In Vitro Transcription/Translation for High-Throughput Screening of Natural Product Extract Libraries // Chem. Biol. Drug Des. 2015. Vol. 86. P. 1331–1338. The essence is cell-free systems for testing regulatory elements and protein synthesis in the gram-negative bacterium Escherichia coli .

Недостатком указанных систем является ограниченность применения только для грамотрицательных бактерий Escherichia coli и невозможность синтеза модифицированных белков бактерии Staphylococcus aureus, в силу отсутствия специфических для Staphylococcus aureus компонент транскрипции и трансляции.The disadvantage of these systems is the limited use only for gram-negative bacteria Escherichia coli and the impossibility of synthesizing modified proteins of the bacterium Staphylococcus aureus due to the absence of transcription and translation components specific for Staphylococcus aureus .

Известен источник «Development of a Bacillus subtilis cell-free transcription-translation system for prototyping regulatory elements» (Разработка бесклеточной системы транскрипции-трансляции на основе клеток Bacillus subtilis для прототипирования регуляторных элементов) [Kelwick R. et al. Development of a Bacillus subtilis cell-free transcription-translation system for prototyping regulatory elements // Metab. Eng, 2016. Vol. 38. P. 370-381]. Сущностью является бесклеточная система синтеза белка на основе штамма WB800N бактерии B. subtilis, способная производить 0,8 мкМ флуоресцентного белка GFP. Показана возможность создания библиотеки промоторов B. subtilis, на основе промотора Pgrac (σA) дикого типа, которые демонстрируют ряд сопоставимых транскрипционных активностей in vitro и in vivo.Known source "Development of a Bacillus subtilis cell-free transcription-translation system for prototyping regulatory elements" (Development of a cell-free transcription-translation system based on Bacillus subtilis cells for prototyping regulatory elements) [Kelwick R. et al. Development of a Bacillus subtilis cell-free transcription-translation system for prototyping regulatory elements // Metab. Eng, 2016. Vol. 38. P. 370-381]. The entity is a cell-free protein synthesis system based on B. subtilis strain WB800N capable of producing 0.8 μM of the fluorescent GFP protein. The possibility of creating a library of B. subtilis promoters based on the wild-type Pgrac (σA) promoter, which demonstrate a number of comparable transcriptional activities in vitro and in vivo , has been shown.

Недостатком указанной системы является ограниченность применения только для бактерии Bacillus subtilis, что не позволяет проводить синтез модифицированных белков бактерии Staphylococcus aureus, в силу отсутствия специфических для Staphylococcus aureus компонент транскрипции и трансляции.The disadvantage of this system is the limited use only for the bacterium Bacillus subtilis , which does not allow the synthesis of modified proteins of the bacterium Staphylococcus aureus , due to the absence of transcription and translation components specific for Staphylococcus aureus .

Так, известно изобретение по патенту РФ №2148649 «Способ получения полипептидов в бесклеточной системе (варианты) и устройство для его осуществления». Сущностью является способ получения полипептидов в бесклеточной системе, предусматривающий приготовление реакционной смеси и питающей смеси, установку внутри реакционного модуля двух пористых барьеров, определяющих границы реакционного объема, введение реакционной смеси в реакционный объем и проведением синтеза при заданных условиях, поддержание синтеза введением питающей смеси, в процессе синтеза выводят из реакционного объема или оставляют внутри реактора синтезируемые целевые полипептиды, отличающийся тем, что перед проведение синтеза подготавливают смесь расходуемых высокомолекулярных компонентов, выбирают соотношение объема питающей смеси и расходуемых высокомолекулярных компонентов к объему фракции, содержащей целевой полипептид, устанавливают режим ввода питающей смеси и расходуемых высокомолекулярных компонентов в реакционный объем, в процессе синтеза продукты синтеза разделяют на фракцию, содержащую низкомолекулярные компоненты, и фракцию, содержащую высокомолекулярные компоненты синтеза, включая целевой полипептид, а основную часть фракции, содержащей низкомолекулярные компоненты, выводят из реакционного объема через одну или обе части второго пористого барьера.So, the invention is known according to the patent of the Russian Federation No. 2148649 "Method for obtaining polypeptides in a cell-free system (variants) and a device for its implementation." The essence is a method for obtaining polypeptides in a cell-free system, which involves preparing a reaction mixture and a feed mixture, installing two porous barriers inside the reaction module that define the boundaries of the reaction volume, introducing the reaction mixture into the reaction volume and carrying out synthesis under specified conditions, maintaining synthesis by introducing a feed mixture into during the synthesis process, synthesized target polypeptides are removed from the reaction volume or left inside the reactor, characterized in that before the synthesis, a mixture of consumable high-molecular components is prepared, the ratio of the volume of the feed mixture and consumable high-molecular components to the volume of the fraction containing the target polypeptide is selected, the feed mixture input mode is set, and of consumable high molecular weight components into the reaction volume, during the synthesis, the synthesis products are separated into a fraction containing low molecular weight components and a fraction containing high molecular weight components of the synthesis, including the target polypeptide, and the main part of the fraction containing low molecular weight components is removed from the reaction volume through one or both parts second porous barrier.

Недостатком известного технического решения является ограничения по времени биосинтеза белков из-за вымывания компонент бесклеточной системы, отсутствующих в питающей смеси.The disadvantage of the known technical solution is the time limit for the biosynthesis of proteins due to the leaching of the components of the cell-free system that are absent in the feed mixture.

Известно изобретение по патенту РФ № 2162104 «Способ синтезирования флуоресцентно-меченого белка». Сущностью является способ синтезирования флуоресцентно-меченого белка в прокариотической бесклеточной системе белкового синтеза, предусматривающий следующие стадии: (а) инкубирование пробы рибосом, полученных из бесклеточного экстракта, с плазмидной ДНК, содержащей кодирующую последовательность для представляющего интерес белка, причем пробу инкубируют в среде для сопряженной транскрипции/трансляции вместе с аминоацил-тРНК, имеющей флуоресцентную метку, (б) частичную очистку указанного флуоресцентно-меченого белка отделением вновь синтезированного флуоресцентно-меченого белка от других флуоресцентных компонентов в этой пробе, (в) измерение количества синтезированного белка, (г) определение флуоресценции вновь синтезированного белка, (д) определение биологической активности вновь синтезированного белка.An invention is known according to the RF patent No. 2162104 "Method of synthesizing a fluorescently labeled protein". The essence is a method for synthesizing a fluorescently labeled protein in a prokaryotic cell-free protein synthesis system, which includes the following steps: (a) incubation of a sample of ribosomes obtained from a cell-free extract with plasmid DNA containing a coding sequence for a protein of interest, and the sample is incubated in a medium for conjugated transcription/translation together with a fluorescently labeled aminoacyl-tRNA, (b) partial purification of said fluorescently labeled protein by separating the newly synthesized fluorescently labeled protein from other fluorescent components in this sample, (c) measuring the amount of synthesized protein, (d) determining fluorescence of the newly synthesized protein; (e) determination of the biological activity of the newly synthesized protein.

Недостатком известного технического решения является необходимость дополнительного этапа очистки синтезированного флуоресцентно-меченого белка от других флуоресцентных компонентов в пробе.The disadvantage of the known technical solution is the need for an additional step of purification of the synthesized fluorescently labeled protein from other fluorescent components in the sample.

Известно изобретение по патенту РФ №2620074 «Рекомбинантная плазмидная ДНК pDUALREP2 и штамм, трансформированный ею для выявления веществ и смесей, ингибирующих биосинтез белка и/или вызывающих SOS-ответ у бактерий». Сущностью является рекомбинантная плазмидная ДНК pDualrep2, предназначенная для идентификации соединений, ингибирующих биосинтез белка и/или вызывающих SOS-ответ у бактерий, включающая: ориджин репликации, способный поддерживать стабильное число копий плазмиды в клетке; селективный маркер для отбора клеток, содержащих плазмиду; гены флюоресцентных белков с различимыми спектрами флюоресценции RFP и Katushka2S; аттенюатор триптофанового оперона, в котором произведены замены триптофановых кодонов UGG на аланиновые кодоны GCG; промотор гена sulA Е. coli, активирующийся при инактивации репрессора SOS-ответа LexA.An invention is known according to RF patent No. 2620074 "Recombinant plasmid DNA pDUALREP2 and a strain transformed by it to identify substances and mixtures that inhibit protein biosynthesis and/or cause an SOS response in bacteria." The essence is recombinant plasmid DNA pDualrep2, designed to identify compounds that inhibit protein biosynthesis and/or cause an SOS response in bacteria, including: an origin of replication capable of maintaining a stable number of copies of the plasmid in the cell; a selective marker for selecting cells containing the plasmid; genes for fluorescent proteins with distinct RFP and Katushka2S fluorescence spectra; an attenuator of the tryptophan operon, in which the UGG tryptophan codons were replaced with the GCG alanine codons; E. coli sulA gene promoter activated upon inactivation of the SOS response repressor LexA.

Недостатком известного технического решения является ограниченность применения только для грамотрицательных бактерий Escherichia coli и невозможность синтеза модифицированных белков бактерии Staphylococcus aureus, в силу отсутствия специфических для Staphylococcus aureus компонент транскрипции и трансляции.The disadvantage of the known technical solution is the limited use only for gram-negative Escherichia coli bacteria and the impossibility of synthesizing modified proteins of the bacterium Staphylococcus aureus due to the absence of transcription and translation components specific to Staphylococcus aureus .

Известно изобретение (WO 2019035955 A1 опубл. 21.02.2019) «Высокопроизводительная система, использующая бесклеточную систему экспрессии и секвенирование in situ» («High-throughput system using a cell-free expression system and in situ sequencing»). Сущностью является cпособ скрининга множества матричных последовательностей нуклеиновых кислот на продукцию малых молекул, включающий добавление матричной последовательности нуклеиновой кислоты из множества в каждый реакционный объем из множества реакционных объемов, при этом каждый реакционный объем включает бесклеточную систему экспрессии в условиях транскрипции и трансляции; обнаружение образования малой молекулы в целевом реакционном объеме; и секвенирование матричной последовательности нуклеиновой кислоты целевого реакционного объема.The invention is known (WO 2019035955 A1 publ. 21.02.2019) "High-throughput system using a cell-free expression system and in situ sequencing". The essence is a method for screening a plurality of template nucleic acid sequences for the production of small molecules, including adding a template nucleic acid sequence from a plurality to each reaction volume from a plurality of reaction volumes, each reaction volume includes a cell-free expression system under conditions of transcription and translation; detecting the formation of a small molecule in the target reaction volume; and sequencing the template nucleic acid sequence of the target reaction volume.

Недостатком известного технического решения является применение клеточных лизатов из актинобактерий Streptomyces lividans, Streptomyces violaceoruber, Streptomyces coelicolor, Streptomyces albovinaceus, грамотрицательных бактерий Vibrio natriegens, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa и отсутствие описания оптимизированного протокола синтеза белка в грамположительной бактерии Staphylococcus aureus.The disadvantage of the known technical solution is the use of cell lysates from the actinobacteria Streptomyces lividans , Streptomyces violaceoruber, Streptomyces coelicolor, Streptomyces albovinaceus, gram-negative bacteria Vibrio natriegens , Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and the lack of a description of the optimized protein synthesis protocol in the gram-positive bacterium Staphylococcus aure us .

Известен источник «Staphylococcus aureus cell extract transcription-translation assay: firefly luciferase reporter system for evaluating protein translation inhibitors» (Анализ транскрипции-трансляции клеточного экстракта Staphylococcus aureus: репортерная система люциферазы светлячка для оценки ингибиторов трансляции белков) [Murray R. W. et al. Staphylococcus aureus cell extract transcription-translation assay: firefly luciferase reporter system for evaluating protein translation inhibitors // Antimicrob Agents Chemother. 2001. Vol. 45(6). P. 1900-1904], описывающий репортерную систему Staphylococcus aureus, состоящую из лизата экстракта клеток Staphylococcus aureus штамма RN4220, выращенных на питательной среде Brain heart, предварительно последовательно промытых в 500 мл холодного буфера А (10 мМ Трис-ацетат, pH 8,0, 14 мМ Mg-ацетат, 1 мМ дитиотреитол), содержащего 1 М KCl, а затем 250 мл буфера A, содержащего 50 мМ KCl, после чего суспензия клеток ресуспендировалась до конечного объема 99 мл буфера B (10 мМ Трис-ацетат, pH 8,0, 20 мМ Mg-ацетат, 50 мМ KCl, 1 мМ дитиотреитол) с последующей инкубацией раствора с коммерческим препаратом фермента лизостафина для разрушения клеточной стенки, далее суспензия инкубировалась при 37 °C в течение 45-60 минут, после чего раствор трижды осаждали центрифугированием при 4°C при 16 000 об/мин (30 000 3 g) в течение 30 мин и отбиралось две трети супернатанта, после чего добавлялось 0,25 объема буфера для преинкубации (670 мМ Трис-ацетат, pH 8,0, 20 мМ Mg-ацетат, 7 мМ Na3-фосфоенолпируват, 7 мМ дитиотреитол, 5,5 мМ АТФ, 70 мМ смеси 20 протеиногенных аминокислот, 75 мг/мл пируваткиназы) и проводилась инкубация смеси при 37°C в течение 30 мин для увеличения активных рибосом после прочтения ими всех имеющихся мРНК в растворе; после чего для дополнительно инкубированного супернатанта проводился диализ в течение 12 часов при 4°C в 2 л диализного буфера (10 мМ Трис-ацетат, pH 8.0, 14 мМ Mg-ацетат, 60 мМ K-ацетат, 1 мМ дитиотреитол) с однократной сменой буфера; для концентрирования до 10 мг/мл (очищенный) лизат подвергали диализу в мешках (Spectra- Por 7; с нижней границей молекулярной массы 3500 Да), содержащих предварительно охлажденный полиэтиленгликоль 8000 (Sigma) при 4 °C; в полученную реакционную смесь добавлялся ПЦР-продукт, содержащий ген люциферазы под контролем промотора гена синтеза капсульного полисахарида Staphylococcus aureus (cap1A), и коммерческого набора Luciferase Assay Reagent (Promega Corporation) для реакции синтеза люминесцентного белка, на конечном этапе регистрировался сигнал люминесценции.A known source is " Staphylococcus aureus cell extract transcription-translation assay: firefly luciferase reporter system for evaluating protein translation inhibitors" [Murray RW et al. Staphylococcus aureus cell extract transcription-translation assay: firefly luciferase reporter system for evaluating protein translation inhibitors // Antimicrob Agents Chemother. 2001 Vol. 45(6). P. 1900-1904], which describes the Staphylococcus aureus reporter system, consisting of a lysate of an extract of Staphylococcus aureus strain RN4220 cells grown on a nutrient medium Brain heart, previously sequentially washed in 500 ml of cold buffer A (10 mM Tris-acetate, pH 8.0 , 14 mM Mg-acetate, 1 mM dithiothreitol) containing 1 M KCl, followed by 250 ml of buffer A containing 50 mM KCl, after which the cell suspension was resuspended to a final volume of 99 ml of buffer B (10 mM Tris-acetate, pH 8 ,0, 20 mM Mg-acetate, 50 mM KCl, 1 mM dithiothreitol) followed by incubation of the solution with a commercial preparation of the enzyme lysostaphin to destroy the cell wall, then the suspension was incubated at 37 °C for 45-60 minutes, after which the solution was precipitated three times centrifugation at 4°C at 16,000 rpm (30,000 3 g) for 30 min and two-thirds of the supernatant was removed, after which 0.25 volumes of preincubation buffer (670 mM Tris-acetate, pH 8.0, 20 mM Mg-acetate, 7 mM Na3-phosphoenolpyruvate, 7 mM dithiothreitol, 5.5 mM ATP, 70 mM mixture of 20 proteinogenic amino acids, 75 mg/ml pyruvate kinase) and the mixture was incubated at 37°C for 30 min to increase active ribosomes after they read all available mRNA in solution; after which, the additionally incubated supernatant was dialyzed for 12 hours at 4°C in 2 L of dialysis buffer (10 mM Tris-acetate, pH 8.0, 14 mM Mg-acetate, 60 mM K-acetate, 1 mM dithiothreitol) with a single change buffer; for concentration to 10 mg/mL, the (purified) lysate was dialyzed in bags (Spectra-Por 7; LMW 3500 Da) containing pre-chilled polyethylene glycol 8000 (Sigma) at 4°C; the resulting reaction mixture was supplemented with a PCR product containing the luciferase gene under the control of the Staphylococcus aureus (cap1A) capsular polysaccharide synthesis gene promoter and the Luciferase Assay Reagent (Promega Corporation) commercial kit for the luminescent protein synthesis reaction; at the final stage, a luminescence signal was recorded.

Недостатками известной системы является необходимость проведения этапа инкубации лизата для увеличения активных рибосом после прочтения ими всех имеющихся мРНК в растворе, необходимость применения коммерческого препарата лизостафина для лизирования клеток, необходимость добавления коммерческого набора Luciferase Assay Reagent (Promega Corporation) в реакционную смесь для возможности регистрации сигнала люминесценции, отсутствие возможности синтеза флуоресцентного белка и возможности регистрации флюоресценции.The disadvantages of the known system are the need for a stage of incubation of the lysate to increase active ribosomes after reading all the available mRNA in solution, the need to use a commercial preparation of lysostaphin for cell lysis, the need to add a commercial set of Luciferase Assay Reagent (Promega Corporation) to the reaction mixture to be able to register the luminescence signal , the lack of the possibility of synthesis of a fluorescent protein and the possibility of registering fluorescence.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является расширение арсенала средств и способов для синтеза белка, а также для скрининга веществ на способность ингибировать синтез белка бактерий, в том числе Staphylococcus aureus.The technical problem to be solved by the claimed group of inventions is the expansion of the arsenal of means and methods for protein synthesis, as well as for screening substances for the ability to inhibit protein synthesis of bacteria, including Staphylococcus aureus .

Технический результат заявленной группы изобретений заключается в The technical result of the claimed group of inventions is

– возможности синтеза белков грамположительной бактерии Staphylococcus aureus в естественном генетическом и метаболическом окружении, что позволяет получать функциональные белки Staphylococcus aureus с посттрансляционными модификациями за счет наличия в экстракте всех необходимых ферментов Staphylococcus aureus;– the possibility of synthesizing proteins of the gram-positive bacterium Staphylococcus aureus in a natural genetic and metabolic environment, which makes it possible to obtain functional proteins of Staphylococcus aureus with post-translational modifications due to the presence of all the necessary Staphylococcus aureus enzymes in the extract;

- оптимальном составе реакционной смеси, что обеспечивает возможность получения экстракта без этапа инкубации смеси для увеличения активных рибосом после прочтения ими всех имеющихся мРНК в растворе;- the optimal composition of the reaction mixture, which makes it possible to obtain an extract without the stage of incubation of the mixture to increase active ribosomes after they have read all the available mRNA in solution;

- возможности регистрации ингибирующей активности химических соединений как с помощью регистрации сигнала флуоресценции репортерного белка, так и люминесценции.- the possibility of recording the inhibitory activity of chemical compounds both by recording the fluorescence signal of the reporter protein and luminescence.

Указанная техническая проблема решается, и технический результат достигается заявляемой бесклеточной системой синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, полученной путем смешения компонентов реакционной смеси в следующем порядке и в следующем объемном соотношении (об.%):The specified technical problem is solved, and the technical result is achieved by the claimed cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, obtained by mixing the components of the reaction mixture in the following order and in the following volume ratio (vol.%):

вода – 7,85,water - 7.85,

100 мМ HEPES-KOH pH 8,0 – 5,00,100 mM HEPES-KOH pH 8.0 - 5.00,

2% полиэтиленгликоль 8000 – 4,00,2% polyethylene glycol 8000 - 4.00,

0,1 мМ ЭДТА pH 8,0 – 0,5,0.1 mM EDTA pH 8.0 - 0.5,

2 мМ дитиотреитол – 0,20,2 mM dithiothreitol - 0.20,

9,1 мМ магний ацетат – 0,91,9.1 mM magnesium acetate - 0.91,

228,5 мМ калий ацетат – 5,71,228.5 mM potassium acetate - 5.71,

0,5 мМ раствор из 20 протеиногенных аминокислот – 12,50,0.5 mM solution of 20 proteinogenic amino acids - 12.50,

16,7 мМ раствор из аминокислот в эквимольном соотношении: аргинин, цистеин, триптофан, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота – 5,99,16.7 mM solution of amino acids in an equimolar ratio: arginine, cysteine, tryptophan, methionine, aspartic acid, glutamic acid - 5.99,

0,05% азид натрия – 1,67,0.05% sodium azide - 1.67,

1% раствор ингибитора протеаз Complete – 1,00,1% protease inhibitor solution Complete - 1.00,

ингибитор РНКаз RNasine – 0,75,RNase inhibitor RNasine - 0.75,

тотальная тРНК из Escherichia coli – 1,25,total tRNA from Escherichia coli – 1.25,

2,11 мМ фолиновая кислота – 1,00,2.11 mM folinic acid - 1.00,

20 мМ ацетил фосфат литиево-калиевая соль – 4,00,20 mM acetyl phosphate lithium-potassium salt - 4.00,

20 мМ фосфоенолпируват дикалиевая соль – 4,0,20 mM phosphoenolpyruvate dipotassium salt - 4.0,

NTP микс: 90 мМ АТФ, 60 мМ ЦТФ, 60 мМ ГТФ, 60 мМ УТФ, pH 7,0 – 1,33,NTP mix: 90 mM ATP, 60 mM CTP, 60 mM GTP, 60 mM UTP, pH 7.0 - 1.33,

T7 полимераза – 2,50;T7 polymerase - 2.50;

S30 экстракт клеток Staphylococcus aureus RN4220 – 35;S30 extract of Staphylococcus aureus RN4220 cells - 35;

плазмидная ДНК – 4,44.plasmid DNA - 4.44.

Состав заявляемой бесклеточной системы синтеза белка является оптимальным, его изменение или иной, чем заявлен, порядок добавления компонентов приводит к ухудшению работы системы и снижению уровня синтеза белка. Заявляемый состав также обеспечивает возможность получения экстракта без этапа инкубации смеси для увеличения активных рибосом после прочтения ими всех имеющихся мРНК в растворе.The composition of the claimed cell-free protein synthesis system is optimal, its change or other than the stated order of adding components leads to deterioration of the system and a decrease in the level of protein synthesis. The inventive composition also makes it possible to obtain an extract without the stage of incubation of the mixture to increase active ribosomes after they have read all the available mRNA in solution.

Также техническая проблема решается, и технический результат достигается заявляемым способом синтеза белка в бесклеточной системе синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, включающий инкубацию при температуре 37°С вышеописанной бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus. Also, the technical problem is solved, and the technical result is achieved by the claimed method of protein synthesis in a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, including incubation at a temperature of 37°C of the above-described cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells.

Кроме того, техническая проблема решается, и технический результат достигается заявляемым способом скрининга ингибиторов синтеза белка, включающим инкубацию при 37°С потенциальных ингибиторов синтеза белка совместно с заявляемой бесклеточной системой синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, количественное измерение синтезированного белка по сигналу люминесцентного или флуоресцентного излучения и определение способности к ингибированию синтеза белка по падению светового сигнала.In addition, the technical problem is solved, and the technical result is achieved by the claimed method for screening protein synthesis inhibitors, including incubation at 37°C of potential protein synthesis inhibitors together with the claimed cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, quantitative measurement of the synthesized protein by a luminescent or fluorescent signal radiation and determination of the ability to inhibit protein synthesis by the fall of the light signal.

В случае использования люминесценции после инкубирования потенциальных ингибиторов синтеза белка совместно с заявляемой бесклеточной системой в реакционную смесь добавляют люциферин.In the case of using luminescence, luciferin is added to the reaction mixture after incubation of potential inhibitors of protein synthesis together with the inventive cell-free system.

Предложенная группа изобретений может стать платформой для поиска ингибиторов синтеза белка, в том числе селективных в отношении бактерии Staphylococcus aureus. The proposed group of inventions can become a platform for the search for inhibitors of protein synthesis, including selective ones against the bacterium Staphylococcus aureus.

Заявленные изобретения имеют следующие преимущества:The claimed inventions have the following advantages:

- уменьшается количество этапов получения бесклеточной системы синтеза белка, что снижает расходы и трудозатраты;- the number of stages for obtaining a cell-free protein synthesis system is reduced, which reduces costs and labor costs;

- возможность применения не только люминесценции, но и флуоресценции при количественном определении белка, что позволяет оценить синтез белка в динамике;- the possibility of using not only luminescence, but also fluorescence in the quantitative determination of protein, which makes it possible to evaluate protein synthesis in dynamics;

- отсутствие необходимости использования коммерческого препарата люциферина для люминесценции за счет собственного синтеза флуоресцентного белка.- no need to use a commercial preparation of luciferin for luminescence due to its own synthesis of a fluorescent protein.

Также расходы на получение заявленной бесклеточной системы могут быть снижены за счет самостоятельного синтеза рекомбинантного белка лизостафина без использования коммерческого препарата лизостафина для лизиса клеток.Also, the cost of obtaining the claimed cell-free system can be reduced by self-synthesis of the recombinant lysostaphin protein without using a commercial preparation of lysostaphin for cell lysis.

Заявленное техническое решение иллюстрируется фигурами 1 и 2, где представлены результаты тестирования заявляемой бесклеточной системы синтеза белка Staphylococcus aureus в отсутствии и присутствии известных трансляционных ингибиторов:The claimed technical solution is illustrated by figures 1 and 2, which show the results of testing the claimed cell-free protein synthesis system of Staphylococcus aureus in the absence and presence of known translational inhibitors:

на фиг. 1 – хлорамфеникола, где: K- – реакция с H2O вместо репортерной плазмиды (негативный контроль); K-, luc – реакция с добавлением нерепортерной плазмиды (используется, чтобы исключить влияние добавления нерепортеной плазмиды на уровень флюоресценции); K+ – реакция с репортерной плазмидой sfGFP (сигнал принимается за 100% уровень синтеза белка); 2-100 мкМ – образцы с добавлением хлорамфеникола в различных концентрациях. При увеличении концентрации хлорамфеникола подавляется синтез белка GFP и снижается уровень флуоресценции. Измерение проводили по финальной точке через 8 часов после начала реакции. AFU – относительные единицы флюоресценции (Arbitrary Fluorescence Units). in fig. 1 - chloramphenicol, where: K - - reaction with H 2 O instead of a reporter plasmid (negative control); K-, luc - reaction with the addition of a non-reporter plasmid (used to exclude the effect of the addition of a non-reporter plasmid on the fluorescence level); K + , reaction with sfGFP reporter plasmid (signal is taken as 100% level of protein synthesis); 2-100 μM - samples with the addition of chloramphenicol in various concentrations. With an increase in the concentration of chloramphenicol, the synthesis of the GFP protein is suppressed and the level of fluorescence decreases. The measurement was carried out at the final point 8 hours after the start of the reaction. AFU - relative units of fluorescence (Arbitrary Fluorescence Units).

на фиг. 2 – тетрациклина, где Tet 20 mM – контроль флюоресценции раствора тетрациклина с концентрацией 20 мМ; K- – реакция с H2O вместо репортерной плазмидой (негативный контроль); K+ – реакция с репортерной плазмидой sfGFP (сигнал принимается за 100% уровень синтеза белка); СН – хлорамфеникол, Т – тетрациклин, в скобках указана концентрация в мкМ. При увеличении концентрации тетрациклина подавляется синтез белка GFP и снижается уровень флуоресценции. AFU – относительные единицы флюоресценции (Arbitrary Fluorescence Units). in fig. 2 - tetracycline, where Tet 20 mM - control of the fluorescence of a solution of tetracycline with a concentration of 20 mM; K - reaction with H 2 O instead of reporter plasmid (negative control); K + , reaction with sfGFP reporter plasmid (signal is taken as 100% level of protein synthesis); CH, chloramphenicol; T, tetracycline; concentration in μM is given in parentheses. With an increase in the concentration of tetracycline, the synthesis of the GFP protein is suppressed and the level of fluorescence decreases. AFU - relative units of fluorescence (Arbitrary Fluorescence Units).

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.Further, the applicant provides a description of the claimed technical solution.

Заявленные изобретения предназначены для синтеза белков в бесклеточной системе Staphylococcus aureus, выявления ингибиторов синтеза белка на основе бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus. The claimed inventions are intended for protein synthesis in the cell-free system of Staphylococcus aureus , detection of protein synthesis inhibitors based on the cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells.

Заявленный технический результат в целом достигается тем, что на основе клеток Staphylococcus aureus штамма RN4220 подготавливают экстракт, смешивают компоненты реакционной смеси, проводят реакцию синтеза белка и используют синтезированный белок, например, для детекции сигнала с целью оценки эффективности синтеза.The claimed technical result is generally achieved by the fact that on the basis of cellsStaphylococcus aureusstrain RN4220 an extract is prepared, the components of the reaction mixture are mixed, a protein synthesis reaction is carried out, and the synthesized protein is used, for example, for signal detection in order to evaluate the synthesis efficiency.

Все используемые реагенты являются коммерчески доступными.All reagents used are commercially available.

Заявленная бесклеточная система синтеза белка без учета порядка добавления компонентов включает, об.%:The claimed cell-free protein synthesis system, without regard to the order of addition of components, includes, vol.%:

- S30 экстракт клеток Staphylococcus aureus RN4220 – 35;- S30 extract of Staphylococcus aureus RN4220 cells - 35;

- оптимизированный набор компонентов для проведения реакции синтеза – 56,16, в состав которого входит:- an optimized set of components for carrying out the synthesis reaction - 56.16, which includes:

вода – 7,85,water - 7.85,

100 мМ HEPES-KOH pH 8,0 – 5,00,100 mM HEPES-KOH pH 8.0 - 5.00,

2% полиэтиленгликоль 8000 – 4,00,2% polyethylene glycol 8000 - 4.00,

0,1 мМ ЭДТА pH 8,0 – 0,5,0.1 mM EDTA pH 8.0 - 0.5,

2 мМ дитиотреитол – 0,20,2 mM dithiothreitol - 0.20,

9,1 мМ магний ацетат – 0,91,9.1 mM magnesium acetate - 0.91,

228,5 мМ калий ацетат – 5,71,228.5 mM potassium acetate - 5.71,

0,5 мМ раствор из 20 протеиногенных аминокислот – 12,50,0.5 mM solution of 20 proteinogenic amino acids - 12.50,

16,7 мМ раствор из аминокислот в эквимольном соотношении: аргинин, цистеин, триптофан, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота – 5,99,16.7 mM solution of amino acids in an equimolar ratio: arginine, cysteine, tryptophan, methionine, aspartic acid, glutamic acid - 5.99,

0,05% азид натрия – 1,67,0.05% sodium azide - 1.67,

1% раствор ингибитора протеаз Complete – 1,00,1% protease inhibitor solution Complete - 1.00,

ингибитор РНКаз RNasine – 0,75,RNase inhibitor RNasine - 0.75,

тотальная тРНК из Escherichia coli – 1,25,total tRNA from Escherichia coli – 1.25,

2,11 мМ фолиновая кислота – 1,00,2.11 mM folinic acid - 1.00,

20 мМ ацетил фосфат литиево-калиевая соль – 4,00,20 mM acetyl phosphate lithium-potassium salt - 4.00,

NTP микс: 90 мМ АТФ, 60 мМ ЦТФ, 60 мМ ГТФ, 60 мМ УТФ, pH 7,0 – 1,33,NTP mix: 90 mM ATP, 60 mM CTP, 60 mM GTP, 60 mM UTP, pH 7.0 - 1.33,

T7 полимераза – 2,50;T7 polymerase - 2.50;

плазмидная ДНК – 4,44;plasmid DNA - 4.44;

система регенерации АТФ – 4,4, включающая:ATP regeneration system - 4.4, including:

20 мМ фосфоенолпируват дикалиевую соль – 4,0,20 mM phosphoenolpyruvate dipotassium salt - 4.0,

0,18 мМ пируваткиназу – 0,4.0.18 mM pyruvate kinase - 0.4.

При реализации изобретения были использованы следующие реактивы и оборудование:When implementing the invention, the following reagents and equipment were used:

вода (>99,9999%, ОСТ 11.029.003-80), HEPES-KOH (≥99.5%, арт. H0527, Sigma-Aldrich), полиэтиленгликоль 8000 (≥99.0%, арт. HR2-535, Hampton Research), ЭДТА (>99.0%, арт. H-E5134-0.1, Хеликон), дитиотреитол (≥ 99.0 %, арт. R0861, Thermo Scientific), магний ацетат (>99.0%, арт. Am-O131-0.5, Хеликон), калий ацетат (>99.0%, арт. P1190-100G, Sigma-Aldrich), раствор из 20 протеиногенных аминокислот (>98%, арт. L4461, Promega), аминокислоты: аргинин (≥99.0%, арт. 1015420100, Sigma-Aldrich), цистеин (≥99.0%, арт. 1028380025, Sigma-Aldrich), триптофан (≥99.0%, арт. 1083740010, Sigma-Aldrich), метионин (≥99.0%, арт. 1057070025, Sigma-Aldrich), аспарагиновая кислота (≥99.0%, арт. 1001260100, Sigma-Aldrich), глутаминовая кислота (≥99.0%, арт. 1002910250, Sigma-Aldrich), азид натрия (≥99.5%, арт. 71289-5G, Sigma-Aldrich), ингибитор протеаз Complete (>95%, арт. 11697498001, Roche), ингибитор РНКаз RNasine (>95%, арт. N2111, Promega), тотальная тРНК из Escherichia coli (арт. rnamrero, Roche), фолиновая кислота (≥99.0%, арт. 47612-250MG, Sigma-Aldrich), ацетил фосфат литиево-калиевая соль (≥85% арт. A0262-5G, Sigma-Aldrich), NTP микс: АТФ (≥99.0%, арт. R0441, Thermo Scientific), ЦТФ(≥99.0%, арт. R0451, Thermo Scientific), ГТФ (≥99.0%, арт. R0461, Thermo Scientific), УТФ (≥99.0%, арт. R0471, Thermo Scientific), T7 полимераза (>95%, арт. EP0113, Thermo Scientific), Плазмидная ДНК (#102634, Addgene), 20 мМ фосфоенолпируват дикалиевая соль (99%, арт. 860077-1G, Sigma-Aldrich), Пируваткиназа (>95%, арт. P1506-1KU, Sigma-Aldrich), планшетный спектрофотометр-люминометр Varioskan LUX (Thermo Scientific).water (>99.9999%, OST 11.029.003-80), HEPES-KOH (≥99.5%, art. H0527, Sigma-Aldrich), polyethylene glycol 8000 (≥99.0%, art. HR2-535, Hampton Research), EDTA (>99.0%, art. H-E5134-0.1, Helicon), dithiothreitol (≥ 99.0%, art. R0861, Thermo Scientific), magnesium acetate (>99.0%, art. Am-O131-0.5, Helicon), potassium acetate (>99.0%, art. P1190-100G, Sigma-Aldrich), 20 proteinogenic amino acids solution (>98%, art. L4461, Promega), amino acids: arginine (≥99.0%, art. 1015420100, Sigma-Aldrich) , cysteine (≥99.0%, art. 1028380025, Sigma-Aldrich), tryptophan (≥99.0%, art. 1083740010, Sigma-Aldrich), methionine (≥99.0%, art. 1057070025, Sigma-Aldrich), aspartic acid (≥ 99.0%, art. 1001260100, Sigma-Aldrich), glutamic acid (≥99.0%, art. 1002910250, Sigma-Aldrich), sodium azide (≥99.5%, art. 71289-5G, Sigma-Aldrich), protease inhibitor Complete ( >95%, art. 11697498001, Roche), RNase inhibitor RNasine (>95%, art. N2111, Promega), total tRNA from Escherichia coli (art. rnamrero, Roche), folinic acid (≥99.0%, art. 47612-250MG, Sigma-Aldrich), acetyl phosphate lithium potassium salt (≥85% art. A0262-5G, Sigma-Aldrich), NTP mix: ATP (≥99.0%, art. R0441, Thermo Scientific), CTP (≥ 99.0%, art. R0451, Thermo Scientific), GTP (≥99.0%, art. R0461, Thermo Scientific), UTP (≥99.0%, art. R0471, Thermo Scientific), T7 polymerase (>95%, art. EP0113, Thermo Scientific), Plasmid DNA (#102634, Addgene), 20 mM phosphoenolpyruvate dipotassium salt (99%, art. 860077-1G, Sigma-Aldrich), Pyruvate kinase (>95%, art. P1506-1KU, Sigma-Aldrich), tablet spectrophotometer-luminometer Varioskan LUX (Thermo Scientific).

Представленные выше исходные компоненты заявленной системы получают следующим образом:The above source components of the claimed system are obtained as follows:

- экстракт на основе клеток Staphylococcus aureus штамма RN4220 подготавливают с помощью ферментативного лизиса лизостафином, ультрацентрифугирования и диализа, без проведения этапа дотранслирования; - an extract based on Staphylococcus aureus strain RN4220 cells is prepared using enzymatic lysis with lysostaphin, ultracentrifugation and dialysis, without the stage of additional translation;

- плазмидную ДНК-репортер получают из трансформированных клеток Escherichia coli штамма DH5a (#102634, Addgene), с помощью метода щелочного лизиса и переосаждения в этиловом спирте и ПЭГ/СaCl2;- plasmid DNA reporter obtained from transformed cells of Escherichia coli strain DH5a (#102634, Addgene), using the method of alkaline lysis and reprecipitation in ethanol and PEG/CaCl 2 ;

- оптимизированный набор компонентов для проведения реакции синтеза получают путем растворения компонентов в деионизованной воде.- an optimized set of components for carrying out the synthesis reaction is obtained by dissolving the components in deionized water.

Световой сигнал детектируют с помощью измерения флюоресценции или люминесценции в планшетном спектрофотометре Varioskan LUX (Thermo Scientific).The light signal is detected by measuring fluorescence or luminescence in a Varioskan LUX plate spectrophotometer (Thermo Scientific).

Таким образом, заявленное техническое решение включает этапы подготовки экстракта клеток Staphylococcus aureus штамма RN4220, проведения реакции синтеза и детекции сигнала. Экстракт для проведения реакций изготавливают из клеток Staphylococcus aureus штамма RN4220 путем ферментативного лизиса лизостафином, полученным рекомбинантным способом. Полученный экстракт выступает основой для проведения программируемой реакции по синтезу белка. Для программирования системы используется плазмидная ДНК, кодирующая репортерный белок (например, флуоресцентный белок sfGFP). Описание изобретения содержит протокол проведения реакции синтеза с оптимизированным набором реагентов, добавляемых в реакцию синтеза, условия проведения реакции и условия измерения сигнала эквивалентному количеству репортерного белка по уровню флюоресценции на планшетном спектрофотометре.Thus, the claimed technical solution includes the steps of preparing an extract of Staphylococcus aureus strain RN4220 cells, carrying out a synthesis reaction and signal detection. The extract for carrying out the reactions is made from cells of Staphylococcus aureus strain RN4220 by enzymatic lysis with lysostaphin obtained by a recombinant method. The resulting extract is the basis for a programmable reaction for protein synthesis. To program the system, plasmid DNA encoding a reporter protein (for example, the fluorescent protein sfGFP) is used. The description of the invention contains a protocol for carrying out a synthesis reaction with an optimized set of reagents added to the synthesis reaction, reaction conditions, and conditions for measuring a signal equivalent to the amount of reporter protein in terms of fluorescence level on a plate spectrophotometer.

Далее заявителем приведен способ получения заявленной бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, заявленный способ синтеза белка на основе бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus и заявленный способ выявления ингибиторов синтеза белка на основе бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus. Further, the applicant provides a method for obtaining the claimed cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, the claimed method for protein synthesis based on the cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells and the claimed method for detecting protein synthesis inhibitors based on the cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells.

Штамм Staphylococcus aureus RN4220 высевают в агаризированную твердую среду и инкубируют в течение 12 часов при 37 °C. Одиночную колонию клеток Staphylococcus aureus высевают в среду LB и выращивают клеточную массу в течение 12 ч. Далее культуру инокулируют в свежую среду и выращивают клеточную массу до достижения середины логарифмической фазы роста. Затем клеточную массу осаждают центрифугированием и удаляют супернатант. Полученный преципитат ресуспендируют в буфере А (10мМ Tрис-Aцетат pH 8.2, 14 мМ Mg(CH3COO)2, 60 мM KСl, 1 мМ DTT) и проводят отмывку клеток. Полученный осадок хранят при температуре -80 °С.The Staphylococcus aureus RN4220 strain is plated on agar solid medium and incubated for 12 hours at 37°C. A single colony of Staphylococcus aureus cells is seeded in LB medium and the cell mass is grown for 12 hours. Next, the culture is inoculated into fresh medium and the cell mass is grown until the middle of the logarithmic growth phase is reached. The cell mass is then pelleted by centrifugation and the supernatant is removed. The resulting precipitate is resuspended in buffer A (10 mM Tris-Acetate pH 8.2, 14 mM Mg(CH 3 COO) 2 , 60 mM KCl, 1 mM DTT) and the cells are washed. The resulting precipitate is stored at -80 °C.

Для препаративного выделения плазмидной ДНК-репортера используют комбинированный протокол, состоящий из стандартного протокола выделения плазмидной ДНК и протокола выделения плазмидной ДНК с помощью CaCl2 и ПЭГ 8000. Данный протокол позволяет получить плазмидную ДНК без примесей РНК, без использования РНКаз и в достаточной концентрации (1 мкг/мкл) для бесклеточной системы в короткий промежуток времени (48 часов). Для in vivo экспрессии репортерного белка sfGFP (superfolded GFP) под контролем Т7 промотора используется плазмидная ДНК pJL1-sfGFP от компании AddGene (Plasmid #102634), кодирующая последовательность белка sfGFP, который применятся в качестве стандартного репортерного высокостабильного и быстро фолдирующегося белка. Предпочтительно использовать плазмидные ДНК, кодирующие флуоресцентные белки — GFP, YFP, CFP, mCherry и их аналоги. При использовании других плазмидных ДНК необходимо использовать векторы высокой копийности, с целью увеличения выхода плазмидной ДНК при выделении.For preparative isolation of reporter plasmid DNA, a combined protocol is used, consisting of a standard protocol for isolation of plasmid DNA and a protocol for isolation of plasmid DNA using CaCl 2 and PEG 8000. This protocol allows obtaining plasmid DNA without RNA impurities, without the use of RNases and in sufficient concentration (1 μg/μl) for a cell-free system in a short period of time (48 hours). For in vivo expression of the sfGFP reporter protein (superfolded GFP) under the control of the T7 promoter, pJL1-sfGFP plasmid DNA from AddGene (Plasmid #102634) is used, encoding the sfGFP protein sequence, which is used as a standard reporter, highly stable and rapidly folding protein. It is preferable to use plasmid DNA encoding fluorescent proteins - GFP, YFP, CFP, mCherry and their analogues. When using other plasmid DNA, it is necessary to use high copy number vectors in order to increase the yield of plasmid DNA during isolation.

Трансформация клеток Escherichia coli штамма DH5a производится целевой плазмидной ДНК. Далее культуру клеток выращивают в течение 8 ч и инокулируют в свежую среду в колбах большего объема и выращивают клеточную массу до OD600 равной 0,5. Клетки осаждают центрифугированием и ресуспендируют осадок первоначально в растворе для ресуспендирования, затем в лизирующем растворе NaOH и SDS, после чего в образец добавляют ацетат аммония для нейтрализации. Образец осаждают центрифугированием и добавляют изопропиловый спирт, инкубируют и центрифугируют. Преципитат ресуспендируют в TЕ буфере и добавляют ацетат аммония, после чего смесь инкубируют и центрифугируют. К полученному супернатанту добавляют изопропиловый спирт, инкубируют и далее осаждают образец центрифугированием. Образец отмывают этиловым спиртом и высушивают. Полученный осадок ресуспендируют в высокоочищенной деионнизированной воде (mQ). Для удаления высокомолекулярной РНК обрабатывают образец с помощью CaCl2, после чего центрифугируют, отбирают супернатант, и проводят осаждение с помощью изопропилового спирта и ацетата калия, осадок промывают этиловым спиртом и сушат. Для удаления низкомолекулярной РНК осадок растворяют в буфере TE с ПЭГ/NaCl, перемешивают и центрифугируют. Осадок промывают этиловым спиртом и высушивают. Плазмидную ДНК растворяют в малом объёме высокоочищенной деионнизированной воды (mQ). Для бесклеточных систем также можно использовать плазмидные ДНК, очищенные при помощи наборов со спин-колонками – в этом случае необходимо провести дополнительный этап очистки фенол-хлороформом, для удаления РНКазы.Transformation of cells of Escherichia coli strain DH5a is performed by target plasmid DNA. The cell culture is then grown for 8 hours and inoculated into fresh medium in larger flasks and the cell mass is grown to an OD 600 of 0.5. The cells are pelleted by centrifugation and the pellet is resuspended initially in resuspension solution, then in NaOH and SDS lysing solution, after which ammonium acetate is added to the sample to neutralize. The sample is precipitated by centrifugation and isopropyl alcohol is added, incubated and centrifuged. The precipitate is resuspended in TE buffer and ammonium acetate is added, after which the mixture is incubated and centrifuged. Isopropyl alcohol is added to the resulting supernatant, incubated, and then the sample is precipitated by centrifugation. The sample is washed with ethyl alcohol and dried. The resulting pellet is resuspended in highly purified deionized water (mQ). To remove high molecular weight RNA, the sample is treated with CaCl 2 , after which it is centrifuged, the supernatant is taken, and precipitation is carried out with isopropyl alcohol and potassium acetate, the precipitate is washed with ethyl alcohol and dried. To remove low molecular weight RNA, the pellet is dissolved in TE buffer with PEG/NaCl, mixed and centrifuged. The precipitate is washed with ethyl alcohol and dried. Plasmid DNA is dissolved in a small volume of highly purified deionized water (mQ). For cell-free systems, it is also possible to use plasmid DNA purified using spin column kits - in this case, an additional purification step with phenol-chloroform is necessary to remove RNase.

Экстракт для бесклеточной системы получают путем разрушения клеточной стенки Staphylococcus aureus с помощью фермента лизостафина. Лизостафин получают с помощью рекомбинантного синтеза в клетках Escherichia coli, что снижает затраты на приобретение коммерческих препаратов. Гены, кодирующие аминокислотные последовательности лизостафина без сигнального пептида и Т7 полимеразы, клонируются в вектор pET28A для экспрессии в Escherichia coli Bl21. Одиночная колония клеток Escherichia coli штамма BL21, трансформированного плазмидной ДНК, с чашки Петри высевается в 25 мл среды LB с соответствующими маркеру устойчивости антибиотиками. Клеточная масса выращивается в течение 12 ч при интенсивном перемешивании 180 об/мин и 37°С. Далее 20 мл «ночной» культуры пересевается в 1 литр среды LВ и растят клеточную массу до OD600 0,5 при 180 об/мин и 37 °С. Экспрессию индуцируют добавлением 0,5 мМ IPTG и растят при перемешивании в течение 4 ч при 180 об/мин и 37 °С. Осаждение клеточной массы производят центрифугированием в течение 15 мин при 5 400 об/мин. Клеточную массу Escherichia coli, содержащую рекомбинантный белок лизостафин, ресуспендируют в 50 мл буфера CRB (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 0,5 M NH4Cl) и осаждают центрифугированием 15 мин при 3220 об/мин. Клетки Escherichia coli, содержащие рекомбинантный белок лизостафин, размораживают в бане со льдом и ресуспендируют 5 мл холодного буфера CRB (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 0,5 M NH4Cl), в который добавляется смесь ингибиторов протеиназ Complete (1 таблетка на 1 мл) и PMSF (0,5 мМ). Клетки лизируют при помощи ультразвукового гомогенизатора (амплитуда 40%, 3 раза по 8 минут, чередовали 3 минуты ультразвук включен, 5 минут пауза). Лизат осветляют центрифугированием при 25000 об/мин в течение 30 мин. Надосадочную жидкость переносят в новые пробирки и повторно очищают центрифугированием при 45000 об/мин в течение 45 мин. Далее проводят очистку рекомбинантных белков методом металл хелатной аффинной хроматографии. В колонку, содержащую Ni-NTA- агарозу, вносится лизат клеток Escherichia coli, содержащих рекомбинантный белок лизостафин, и промывается 15 мл буфера “wash А” (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 1 M NH4Cl), затем 15 мл буфера “wash B” (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 0,5 M NH4Cl, 5 мМ имидазол). Белок смывают с сорбента 5 мл элюирующего буфера (20 мМ Tris-HCl (pH 7,8), 250 мM NH4Cl, 300 мМ имидазол). Дополнительную очистку лизостафина проводят с помощью эксклюзионной хроматографии на FPLC хроматографе NGC Discover (BioRad) и колонке Superdex 75 10/300 (производитель GE, Великобритания). Эксклюзионную хроматографию проводят в потоке фосфатного буфера (25 мМ NaH2PO4, 25 мМ Na2HPO4, 250 мM NH4Cl) при 4 °C со скоростью нанесения 0,8 мл/мин, и собирают фракции объемом 1 мл. За разделением белков следят по профилю поглощения А280. Фракции концентрируют с помощью концентраторов Amicon-Ultra (Merck Millipore, Германия).The extract for the cell-free system is obtained by destroying the cell wall of Staphylococcus aureus with the enzyme lysostaphin. Lysostaphin is obtained by recombinant synthesis in Escherichia coli cells, which reduces the cost of acquiring commercial drugs. The genes encoding the amino acid sequences of lysostaphin without the signal peptide and T7 polymerase are cloned into the pET28A vector for expression in Escherichia coli Bl21. A single colony of Escherichia coli strain BL21 cells transformed with plasmid DNA is seeded from a Petri dish in 25 ml of LB medium with antibiotics corresponding to the resistance marker. The cell mass is grown for 12 h with vigorous stirring at 180 rpm and 37°C. Next, 20 ml of the “overnight” culture is subcultured into 1 liter of LV medium and the cell mass is grown to OD 600 0.5 at 180 rpm and 37 °C. Expression was induced by adding 0.5 mM IPTG and grown with stirring for 4 h at 180 rpm and 37°C. The sedimentation of the cell mass is carried out by centrifugation for 15 minutes at 5400 rpm. Escherichia coli cell mass containing recombinant lysostaphin protein is resuspended in 50 ml of CRB buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 0.5 M NH 4 Cl) and pelleted by centrifugation for 15 min at 3220 rpm. Escherichia coli cells containing the recombinant lysostaphin protein are thawed in an ice bath and resuspended with 5 ml of cold CRB buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 0.5 M NH 4 Cl) supplemented with Proteinase Inhibitors Complete (1 tablet per 1 ml) and PMSF (0.5 mm). Cells are lysed using an ultrasonic homogenizer (amplitude 40%, 3 times for 8 minutes, alternated 3 minutes ultrasound on, 5 minutes pause). The lysate is clarified by centrifugation at 25,000 rpm for 30 minutes. The supernatant is transferred to new tubes and re-purified by centrifugation at 45,000 rpm for 45 minutes. Next, the recombinant proteins are purified by metal chelate affinity chromatography. A lysate of Escherichia coli cells containing recombinant lysostaphin protein is added to a column containing Ni-NTA-agarose and washed with 15 ml of wash A buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 1 M NH 4 Cl), then 15 ml wash B buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 0.5 M NH 4 Cl, 5 mM imidazole). The protein is washed off the sorbent with 5 ml of elution buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.8), 250 mM NH 4 Cl, 300 mM imidazole). Additional purification of lysostaphin is carried out using size exclusion chromatography on an NGC Discover FPLC chromatograph (BioRad) and a Superdex 75 10/300 column (GE, UK). Size exclusion chromatography is carried out in a stream of phosphate buffer (25 mM NaH 2 PO 4 , 25 mM Na 2 HPO 4 , 250 mM NH 4 Cl) at 4 °C with a loading rate of 0.8 ml/min and 1 ml fractions are collected. Protein separation is followed by the absorption profile of A 280 . Fractions are concentrated using Amicon-Ultra concentrators (Merck Millipore, Germany).

Замороженные клетки Staphylococcus aureus размораживают и добавляют буфер с лизостафином, объем доводят до 15 мл для достижения финальной концентрация экстракта 30 мг/мл на конечной стадии. На данном этапе для снижения вязкости раствора не применяются ДНКазы, поскольку это приведет к гидролизу кодирующей плазмидной ДНК в получаемой бесклеточной системе. Для лизиса клеток полученную смесь инкубируют на водяной бане. Для уменьшения вязкости и расщепления остаточной ДНК образец гомогенизируют ультразвуком при температуре 4 °C, после чего производят центрифугирование. Полученный клеточный экстракт инкубируют при 37 °C в течение 60 мин в инкубаторе. Для определения концентрации экстракта применяют метод Бредфорда.Frozen Staphylococcus aureus cells are thawed and buffered with lysostaphin is added, the volume is adjusted to 15 ml to achieve a final extract concentration of 30 mg/ml at the final stage. At this stage, DNases are not used to reduce the viscosity of the solution, since this will lead to hydrolysis of the coding plasmid DNA in the resulting cell-free system. For cell lysis, the resulting mixture is incubated in a water bath. To reduce viscosity and cleave residual DNA, the sample is homogenized with ultrasound at a temperature of 4 °C, after which centrifugation is performed. The resulting cell extract is incubated at 37°C for 60 min in an incubator. The Bradford method is used to determine the concentration of the extract.

Для проведения реакции в бесклеточной системе синтеза белка Staphylococcus aureus производится последовательное добавление реагентов согласно оптимизированному набору компонентов, а именно: вода, HEPES-KOH pH 8,0, полиэтиленгликоль 8000, ЭДТА pH 8,0, дитиотреитол, магний ацетат, калий ацетат, раствор из 20 протеиногенных аминокислот, смесь аминокислот в эквимольном соотношении: аргинин, цистеин, триптофан, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, азид натрия, ингибитор протеаз Complete, ингибитор РНКаз RNasine, тотальная тРНК из Escherichia coli, фолиновая кислота, ацетил фосфат литиево-калиевая соль, фосфоенолпируват дикалиевая соль, NTP микс, пируваткиназа, T7 полимераза, S30 экстракт клеток Staphylococcus aureus RN4220, плазмидная ДНК, разделяют реакционную смесь по 15 мкл в 384 луночный планшет, выдерживают при температуре 37 °С и измеряют флюоресценцию или люминесценцию, получают значение количества синтезированного белка. Способность к ингибированию синтеза белка химическими соединениями, потенциально являющимися ингибиторами синтеза белка, определяют по падению сигнала флуоресценции.To carry out the reaction in the cell-free protein synthesis system of Staphylococcus aureus , sequential addition of reagents is carried out according to an optimized set of components, namely: water, HEPES-KOH pH 8.0, polyethylene glycol 8000, EDTA pH 8.0, dithiothreitol, magnesium acetate, potassium acetate, solution of 20 proteinogenic amino acids, an equimolar mixture of amino acids: arginine, cysteine, tryptophan, methionine, aspartic acid, glutamic acid, sodium azide, protease inhibitor Complete, RNase inhibitor RNasine, total tRNA from Escherichia coli , folinic acid, lithium potassium acetyl phosphate salt, phosphoenolpyruvate dipotassium salt, NTP mix, pyruvate kinase, T7 polymerase, S30 extract of Staphylococcus aureus RN4220 cells, plasmid DNA, separate the reaction mixture in 15 µl in a 384 well plate, incubate at a temperature of 37 ° C and measure the fluorescence or luminescence, obtain the value of the amount synthesized protein. The ability to inhibit protein synthesis by chemical compounds that are potentially inhibitors of protein synthesis, is determined by the fall of the fluorescence signal.

Далее приведены примеры конкретного осуществления изобретения и реализации назначения, при этом заявитель подразумевает, что приведенные примеры не ограничивают предполагаемый объем заявленного технического решения.The following are examples of a specific implementation of the invention and the implementation of the purpose, while the applicant implies that the examples given do not limit the intended scope of the claimed technical solution.

Пример 1. Example 1 Получение заявленной бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Preparation of the Claimed Cell-Based Cell-Based Protein Synthesis System Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus ..

1. Получают экстракт из клеток Staphylococcus aureus – компонент заявленной системы.1. An extract is obtained from Staphylococcus aureus cells - a component of the claimed system.

Клетки Staphylococcus aureus штамма RN4220, в котором имеются мутации по генам sau1 hsdR, что позволяет трансформировать данный штамм плазмидными ДНК из Escherichia coli, высевают в агаризированную твердую среду BHI (Difco) на чашки Петри и инкубируют в течение 12 часов при 37 °C. Одиночную колонию клеток Staphylococcus aureus высевают в 20 мл среды Lysogeny broth (LB) и растят клеточную массу в течение 12 ч при интенсивном перемешивании 180 об/мин и 37 °С. Далее культуру инокулируют в свежую среду в колбы большего объема в соотношении 1:100 к свежей среде LB и растят клеточную массу до OD600 = 1,0 (до достижения середины логарифмической фазы роста) при 180 об/мин и 37 °С. Для остановки роста клеток колбы переносят на 15 мин в ледяную баню. Затем клеточную массу осаждают центрифугированием при 4 °C в течение 15 мин при 2500 g и удаляют супернатант. Полученный преципитат ресуспендируют в 50 мл буфера А (10мМ Tрис-Aцетат pH 8.2, 14 мМ Mg(CH3COO)2, 60 мM KСl, 1 мМ DTT), центрифугируют при 4 °C в течение 15 мин при 2500 g, и повторяют данную процедуру трижды для удаления из раствора остатков компонент питательной среды. Полученный осадок взвешивают и хранят при температуре -80 °С.Cells of Staphylococcus aureus strain RN4220, which has mutations in the sau 1 hsd R genes, which makes it possible to transform this strain with plasmid DNA from Escherichia coli , are seeded in BHI agar solid medium (Difco) on Petri dishes and incubated for 12 hours at 37 °C . A single colony of Staphylococcus aureus cells is seeded in 20 ml of Lysogeny broth (LB) and the cell mass is grown for 12 h with vigorous stirring at 180 rpm and 37°C. Next, the culture is inoculated into fresh medium in larger flasks at a ratio of 1:100 to fresh LB medium and the cell mass is grown to OD 600 = 1.0 (until reaching the middle of the logarithmic growth phase) at 180 rpm and 37 °C. To stop cell growth, the flasks were transferred to an ice bath for 15 min. Then the cell mass is precipitated by centrifugation at 4°C for 15 min at 2500 g and the supernatant is removed. The resulting precipitate is resuspended in 50 ml of buffer A (10 mM Tris-Acetate pH 8.2, 14 mM Mg(CH 3 COO)2, 60 mM KCl, 1 mM DTT), centrifuged at 4 °C for 15 min at 2500 g, and repeat this procedure three times to remove the remains of the components of the nutrient medium from the solution. The resulting precipitate is weighed and stored at -80 °C.

В заявленном техническом решении лизис клеток Staphylococcus aureus получают с помощью обработки рекомбинантно синтезированным в клетках Escherichia coli ферментом лизостафином, что снижает затраты на приобретение коммерческого препарата (например, L7386-1MG, Sigma).In the claimed technical solution, the lysis of Staphylococcus aureus cells is obtained by treatment with lysostaphin enzyme recombinantly synthesized in Escherichia coli cells, which reduces the cost of purchasing a commercial drug (for example, L7386-1MG, Sigma).

Гены, кодирующие аминокислотные последовательности лизостафина без сигнального пептида и Т7 полимеразы, клонируются в вектор pET28A для экспрессии в Escherichia coli Bl21. Одиночная колония клеток Escherichia coli штамма BL21, трансформированного плазмидной ДНК, с чашки Петри высевается в 25 мл среды LB с соответствующими маркеру устойчивости антибиотиками. Клеточная масса выращивается в течение 12 ч при интенсивном перемешивании 180 об./мин и 37°С. Далее 20 мл «ночной» культуры пересевается в 1 литр среды LВ и растят клеточную массу до OD600 0,5 при 180 об/мин и 37°С. Экспрессию индуцируют добавлением 0,5 мМ IPTG и растят при перемешивании в течение 4 ч при 180 об/мин и 37 °С. Осаждение клеточной массы производят центрифугированием в течение 15 мин при 5400 об/мин. Клеточную массу Escherichia coli, содержащую рекомбинантный белок лизостафин, ресуспендируют в 50 мл буфера CRB (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 0,5 M NH4Cl) и осаждают центрифугированием 15 мин при 3220 об/мин. Клетки Escherichia coli, содержащие рекомбинантный белок лизостафин, размораживают в бане со льдом и ресуспендируют 5 мл холодного буфера CRB (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 0,5 M NH4Cl), в который добавляется смесь ингибиторов протеиназ Complete (1 таблетка на 1 мл) и PMSF (0,5 мМ). Клетки лизируют при помощи ультразвукового гомогенизатора (амплитуда 40%, 3 раза по 8 минут, чередовали 3 минуты ультразвук включен, 5 минут пауза). Лизат осветляют центрифугированием при 25000 об/мин в течение 30 мин. Надосадочную жидкость переносят в новые пробирки и повторно очищают центрифугированием при 45000 об/мин в течение 45 мин. Далее проводят очистку рекомбинантных белков методом металл хелатной аффинной хроматографии. В колонку, содержащую Ni-NTA- агарозу, вносится лизат клеток Escherichia coli, содержащих рекомбинантный белок лизостафин, и промывается 15 мл буфера “wash А” (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 1 M NH4Cl), затем 15 мл буфера “wash B” (20 мМ Tris-HCl (pH 7,6), 0,5 M NH4Cl, 5 мМ имидазол). Белок смывают с сорбента 5 мл элюирующего буфера (20 мМ Tris-HCl (pH 7,8), 250 мM NH4Cl, 300 мМ имидазол). Дополнительную очистку лизостафина проводят с помощью эксклюзионной хроматографии на FPLC хроматографе NGC Discover (BioRad) и колонке Superdex 75 10/300 (производитель GE, Великобритания). Эксклюзионную хроматографию проводят в потоке фосфатного буфера (25 мМ NaH2PO4, 25 мМ Na2HPO4, 250 мM NH4Cl) при 4°C со скоростью нанесения 0,8 мл/мин, и собирают фракции объемом 1 мл. За разделением белков следят по профилю поглощения А280. Фракции концентрируют с помощью концентраторов Amicon-Ultra (Merck Millipore, Германия).The genes encoding the amino acid sequences of lysostaphin without the signal peptide and T7 polymerase are cloned into the pET28A vector for expression in Escherichia coli Bl21. A single colony of Escherichia coli strain BL21 cells transformed with plasmid DNA is seeded from a Petri dish in 25 ml of LB medium with antibiotics corresponding to the resistance marker. The cell mass is grown for 12 hours with vigorous stirring at 180 rpm and 37°C. Next, 20 ml of "overnight" culture is inoculated into 1 liter of LV medium and the cell mass is grown to OD 600 0.5 at 180 rpm and 37°C. Expression was induced by adding 0.5 mM IPTG and grown with stirring for 4 h at 180 rpm and 37°C. The sedimentation of the cell mass is carried out by centrifugation for 15 minutes at 5400 rpm. Escherichia coli cell mass containing recombinant lysostaphin protein is resuspended in 50 ml of CRB buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 0.5 M NH 4 Cl) and pelleted by centrifugation for 15 min at 3220 rpm. Escherichia coli cells containing the recombinant lysostaphin protein are thawed in an ice bath and resuspended with 5 ml of cold CRB buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 0.5 M NH 4 Cl) supplemented with Proteinase Inhibitors Complete (1 tablet per 1 ml) and PMSF (0.5 mm). Cells are lysed using an ultrasonic homogenizer (amplitude 40%, 3 times for 8 minutes, alternated 3 minutes ultrasound on, 5 minutes pause). The lysate is clarified by centrifugation at 25,000 rpm for 30 minutes. The supernatant is transferred to new tubes and re-purified by centrifugation at 45,000 rpm for 45 minutes. Next, the recombinant proteins are purified by metal chelate affinity chromatography. A lysate of Escherichia coli cells containing recombinant lysostaphin protein is added to a column containing Ni-NTA-agarose and washed with 15 ml of wash A buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 1 M NH 4 Cl), then 15 ml wash B buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.6), 0.5 M NH 4 Cl, 5 mM imidazole). The protein is washed off the sorbent with 5 ml of elution buffer (20 mM Tris-HCl (pH 7.8), 250 mM NH 4 Cl, 300 mM imidazole). Additional purification of lysostaphin is carried out using size exclusion chromatography on an NGC Discover FPLC chromatograph (BioRad) and a Superdex 75 10/300 column (GE, UK). Size exclusion chromatography is carried out in a stream of phosphate buffer (25 mM NaH 2 PO 4 , 25 mM Na 2 HPO 4 , 250 mM NH 4 Cl) at 4° C. with a loading rate of 0.8 ml/min and 1 ml fractions are collected. Protein separation is followed by the absorption profile of A 280 . Fractions are concentrated using Amicon-Ultra concentrators (Merck Millipore, Germany).

Для приготовления экстракта используют подготовленные клетки Staphylococcus aureus штамма RN4220. Замороженные клетки размораживают и добавляют буфер с лизостафином, объем доводят до 5-15 мл для достижения финальной концентрация экстракта 10-30 мг/мл на конечной стадии. На данном этапе для снижения вязкости раствора не применяются ДНКазы, поскольку это приведет к гидролизу кодирующей плазмидной ДНК в получаемой бесклеточной системе. Для лизиса клеток полученную смесь инкубируют на водяной бане. Для уменьшения вязкости и расщепления остаточной ДНК образец гомогенизируют ультразвуком при температуре 4 °C, после чего производят центрифугирование. Полученный клеточный экстракт инкубируют при 37 °C в течение 60 мин в инкубаторе. На данном этапе вместо дополнительного проведения этапа инкубации лизата для увеличения активных рибосом после прочтения ими всех имеющихся мРНК в растворе и применения многокомпонентных растворов с ферментами и системой регенерации АТФ, проводят диализ экстракта в финальном буфере в диализных мешках c мембраной 14 кДа, центрифугируют и замораживают в жидком азоте. Для определения концентрации экстракта применяют метод Бредфорда. Поскольку индивидуальные аминокислоты плохо растворяются, используют суспензии, которые добавляются после тщательного перемешивания в финальный объем реакционной смеси. To prepare the extract, prepared cells of Staphylococcus aureus strain RN4220 are used. Frozen cells are thawed and buffer with lysostaphin is added, the volume is adjusted to 5-15 ml to achieve a final extract concentration of 10-30 mg/ml at the final stage. At this stage, DNases are not used to reduce the viscosity of the solution, since this will lead to hydrolysis of the coding plasmid DNA in the resulting cell-free system. For cell lysis, the resulting mixture is incubated in a water bath. To reduce viscosity and cleave residual DNA, the sample is homogenized with ultrasound at a temperature of 4 °C, after which centrifugation is performed. The resulting cell extract is incubated at 37°C for 60 min in an incubator. At this stage, instead of an additional stage of incubation of the lysate to increase the active ribosomes after reading all the available mRNA in the solution and using multicomponent solutions with enzymes and an ATP regeneration system, the extract is dialyzed in the final buffer in dialysis bags with a 14 kDa membrane, centrifuged and frozen in liquid nitrogen. The Bradford method is used to determine the concentration of the extract. Since individual amino acids are poorly soluble, suspensions are used, which are added after thorough mixing to the final volume of the reaction mixture.

2. Получают плазмидную ДНК – компонент заявленной системы.2. Get plasmid DNA - a component of the claimed system.

В заявленном техническом решении для in vivo экспрессии репортерного белка sfGFP (superfolded GFP) под контролем Т7 промотора используется плазмидная ДНК pJL1-sfGFP от компании AddGene (Plasmid #102634), кодирующая последовательность белка sfGFP, который применятся в качестве стандартного репортерного высокостабильного и быстро фолдирующегося белка. Для приготовления плазмидной ДНК-репортера используется комбинированный протокол, состоящий из стандартного протокола выделения плазмидной ДНК и протокола выделения плазмидной ДНК с помощью CaCl2 и ПЭГ 8000. Данный протокол позволяет получить плазмидную ДНК без примесей РНК, без использования РНКаз и концентрации 1 мкг/мкл для бесклеточной системы в 48 часов.The claimed technical solution for in vivo expression of the sfGFP (superfolded GFP) reporter protein under the control of the T7 promoter uses pJL1-sfGFP plasmid DNA from AddGene (Plasmid #102634), which encodes the sfGFP protein sequence, which is used as a standard reporter, highly stable and rapidly folding protein . For the preparation of a plasmid DNA reporter, a combined protocol is used, consisting of a standard plasmid DNA isolation protocol and a plasmid DNA isolation protocol using CaCl 2 and PEG 8000. This protocol allows you to obtain plasmid DNA without RNA impurities, without the use of RNases and a concentration of 1 μg / μl for cell-free system in 48 hours.

Одиночную колонию клеток Escherichia coli штамма DH5a, трансформированного плазмидой pJL1-sfGFP, с чашки Петри с твердой агаризированной средой LB высевают в 25 мл среды LB с соответствующими маркеру устойчивости антибиотиками. Клеточную массу выращивают в течение 8 ч при интенсивном перемешивании 180 об/мин и 37 °С. Далее культуру инокулируют в свежую среду в колбах большего объема в соотношении 1:100 к свежей среде LB и наращивают клеточную массу до OD600 0,5 при 180 об/мин и 37 °С. Для осаждения клеточной массы применяют центрифугирование при 4 °C в течение 15 мин при 4000 g, удаляют супернатант и работают с преципитатом. Затем клеточную массу Escherichia coli ресуспендируют в 40 мл буфера Раствора I (5 мМ Tris-HCl pH 8,0, 10 мМ ЭДТА, 50 мМ глюкозы) и инкубируют на льду в течение 5 мин. Далее добавляют 80 мл Раствора II (0,2 М NaOH, 1% SDS), перемешают раствор и повторно проводят инкубацию на льду в течение 5 мин. Затем в образец добавляют 80 мл охлажденного (0 °С) 10 М ацетата аммония и перемешивают раствор до гомогенного состояния. Затем образец инкубируют на льду в течение 5 мин и осаждают центрифугированием при 4 °C в течение 30 мин при 15000 об/мин. Супернатант фильтруют через стерильный медицинский бинт и добавляют к 0,6 объема изопропилового спирта, после чего инкубируют на комнатной температуре в течение 10 мин. Далее производят центрифугирование при 4 °C в течение 30 мин при 15000 об/мин, супернатант удаляют и преципитат ресуспендируют в 0,8 мл среды TЕ. Затем добавляют 0,2 мл 10 М ацетата аммония и инкубируют смесь на льду в течение 5 мин, после чего производят центрифугирование при 4 °C в течение 5 мин при 15000 об/мин и отбирают супернатант. К полученному образцу добавляют 0,6 объема изопропилового спирта для преципитации плазмидной ДНК и инкубируют при комнатной температуре в течение 10 мин. Далее осаждают центрифугированием при 15000 об/мин, после чего пробирки с образцом переворачивают над фильтровальной бумагой и остатки жидкости удаляют с помощью пипетки. Затем образец отмывают 70% этиловым спиртом, и высушивают при 50 °C в пробирках с открытой крышкой. Полученный сухой осадок ресуспендируют в высокоочищенной деионнизированной воде и инкубируют в течение 15 мин при 50 °C до полного растворения осадка. Для удаления остаточной РНК применяют протокол для выделения плазмид с помощью CaCl2 и ПЭГ 8000. Для этого сначала преципитируют высокомолекулярную РНК с помощью добавления CaCl2 до 1,4 M и перемешивают раствор, после производится центрифугирование при комнатной температуре при 15000 об/мин в течение 10 мин и отбирают супернатант. Затем в супернатант добавляют 0,6 объема изопропилового спирта и 0,1 объем 3 M ацетата калия, образец перемешивают и снова осаждают центрифугированием при комнатной температуре в течение 10 мин при 15000 об/мин. Полученный осадок промывают 70% этиловым спиртом и высушивают на воздухе в инкубаторе при 37 °C. Далее растворяют осадок в среде TE и добавляют 1 объем раствора ПЭГ/NaCl (20% ПЭГ 8000, 500 мМ NaCl), перемешивают и центрифугируют при комнатной температуре течение 10 мин при 14000 об/мин. Затем осадок промывают холодным (0 °С) 70% этиловым спиртом, высушивают на воздухе в инкубаторе при 37 °C и повторяют данную процедуру дважды. Полученную таким образом плазмидную ДНК растворяют в объёме 100 мкл высокоочищенной деионнизированной воды и инкубируют при 37 °C в течение 15 минут до полного растворения. Концентрацию плазмидной ДНК определяют на спектрофотометре для нано объёмов по поглощению на длине волны 260 нм. Чистоту образца и соответствие молекулярной массе определяют по картине электрофореза в агарозном геле.A single colony of Escherichia coli strain DH5a cells transformed with the pJL1-sfGFP plasmid from a Petri dish with solid LB agar medium is seeded in 25 ml of LB medium with antibiotics corresponding to the resistance marker. The cell mass is grown for 8 h with vigorous stirring at 180 rpm and 37°C. Next, the culture is inoculated into fresh medium in larger flasks at a ratio of 1:100 to fresh LB medium and the cell mass is increased to OD 600 0.5 at 180 rpm and 37°C. To precipitate the cell mass, centrifugation is used at 4 °C for 15 min at 4000 g, the supernatant is removed and the precipitate is processed. The Escherichia coli cell mass is then resuspended in 40 ml of Solution I buffer (5 mM Tris-HCl pH 8.0, 10 mM EDTA, 50 mM glucose) and incubated on ice for 5 minutes. Next, 80 ml of Solution II (0.2 M NaOH, 1% SDS) is added, the solution is mixed, and the incubation is repeated on ice for 5 minutes. Then, 80 ml of chilled (0 °C) 10 M ammonium acetate are added to the sample and the solution is stirred until a homogeneous state. The sample is then incubated on ice for 5 min and pelleted by centrifugation at 4°C for 30 min at 15,000 rpm. The supernatant is filtered through a sterile medical bandage and added to 0.6 volume of isopropyl alcohol, after which it is incubated at room temperature for 10 minutes. Next, centrifugation is performed at 4 °C for 30 min at 15000 rpm, the supernatant is removed and the precipitate is resuspended in 0.8 ml of TE medium. Then 0.2 ml of 10 M ammonium acetate is added and the mixture is incubated on ice for 5 minutes, after which centrifugation is performed at 4 °C for 5 minutes at 15,000 rpm and the supernatant is taken. 0.6 volume of isopropyl alcohol is added to the resulting sample to precipitate plasmid DNA and incubated at room temperature for 10 minutes. Further precipitated by centrifugation at 15,000 rpm, after which the tubes with the sample are inverted over filter paper and the remaining liquid is removed with a pipette. Then the sample is washed with 70% ethanol and dried at 50°C in test tubes with an open lid. The resulting dry precipitate is resuspended in highly purified deionized water and incubated for 15 min at 50°C until the precipitate is completely dissolved. To remove residual RNA, a protocol is used to isolate plasmids with CaCl 2 and PEG 8000. To do this, high molecular weight RNA is first precipitated by adding CaCl 2 to 1.4 M and the solution is stirred, then centrifugation is performed at room temperature at 15,000 rpm for 10 min and collect the supernatant. Then, 0.6 volumes of isopropyl alcohol and 0.1 volumes of 3 M potassium acetate are added to the supernatant, the sample is mixed and again precipitated by centrifugation at room temperature for 10 minutes at 15,000 rpm. The resulting precipitate is washed with 70% ethanol and dried in air in an incubator at 37°C. Dissolve the precipitate in TE medium and add 1 volume of PEG/NaCl solution (20% PEG 8000, 500 mM NaCl), mix and centrifuge at room temperature for 10 min at 14000 rpm. Then the precipitate is washed with cold (0°C) 70% ethanol, dried in air in an incubator at 37°C, and this procedure is repeated twice. The thus obtained plasmid DNA is dissolved in a volume of 100 μl of highly purified deionized water and incubated at 37 °C for 15 minutes until complete dissolution. The concentration of plasmid DNA is determined on a nano volume spectrophotometer by absorption at a wavelength of 260 nm. Sample purity and compliance with molecular weight is determined by the agarose gel electrophoresis pattern.

3. Берут оптимизированный набор компонентов для проведения реакции синтеза, включающий систему регенерации АТФ из фосфоенолпируват дикалиевой соли и пируваткиназы.3. Take an optimized set of components for carrying out the synthesis reaction, including an ATP regeneration system from phosphoenolpyruvate dipotassium salt and pyruvate kinase.

4. Смешивают указанные выше компоненты при комнатной температуре согласно последовательности: вода, HEPES-KOH pH 8,0, полиэтиленгликоль 8000, ЭДТА pH 8,0, дитиотреитол, магний ацетат, калий ацетат, раствор из 20 протеиногенных аминокислот, смесь аминокислот в эквимольном соотношении: аргинин, цистеин, триптофан, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, азид натрия, ингибитор протеаз Complete, ингибитор РНКаз RNasine, тотальная тРНК из Escherichia coli, фолиновая кислота, ацетил фосфат литиево-калиевая соль, фосфоенолпируват дикалиевая соль, NTP микс, пируваткиназа, T7 полимераза, S30 экстракт клеток Staphylococcus aureus RN4220, плазмидная ДНК pJL1-sfGFP – до получения однородного раствора. Получают заявленную бесклеточную систему синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus заявленного состава.4. The above components are mixed at room temperature according to the sequence: water, HEPES-KOH pH 8.0, polyethylene glycol 8000, EDTA pH 8.0, dithiothreitol, magnesium acetate, potassium acetate, a solution of 20 proteinogenic amino acids, a mixture of amino acids in an equimolar ratio : arginine, cysteine, tryptophan, methionine, aspartic acid, glutamic acid, sodium azide, protease inhibitor Complete, RNase inhibitor RNasine, total tRNA from Escherichia coli , folinic acid, acetyl phosphate lithium potassium salt, phosphoenolpyruvate dipotassium salt, NTP mix, pyruvate kinase , T7 polymerase, S30 extract of Staphylococcus aureus RN4220 cells, pJL1-sfGFP plasmid DNA until a homogeneous solution is obtained. Get the claimed cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells of the claimed composition.

Пример 2. Example 2 Проведение синтеза белка на основе бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Carrying out protein synthesis based on cell-based protein synthesis system Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus ..

Проводят реакцию по синтезу белка в разрабатываемой бесклеточной системе. Для этого готовят реакционную смесь в черных непрозрачных планшетах на 384 лунки (например, Grenier), объем лунок 20 мкл, объем реакционной смеси в лунке 15 мкл. Список реагентов и последовательность смешения реагентов приведены в Примере 1. Количественное определение синтезируемого белка осуществляют по флуоресцентному сигналу, количество белка зависит от времени синтеза, в данном случае 8 часов. Флуоресценцию можно измерять как в режиме кинетики (в течение 2-10 часов с измерением каждые 30 минут), так и по финальной точке. Измерение флюоресценции производится с помощью спектрофотометра-люминометра, например, Varioskan LUX (Thermo Scientific), на длинах волн 485 нм (возбуждение), 510 нм (испускание) в случае с репортером sfGFP. Помимо регистрации уровня синтеза по флюоресценции также возможно проводить изменение уровня синтеза по сигналу люминесценции. В этом случае используется репортерная плазмидная ДНК, кодирующая последовательность люциферазы, а также добавляется в реакционную смесь люциферин до концентрации 0,1 мМ.The reaction for protein synthesis is carried out in the developed cell-free system. To do this, prepare the reaction mixture in black opaque plates for 384 wells (for example, Grenier), the volume of the wells is 20 μl, the volume of the reaction mixture per well is 15 μl. The list of reagents and the sequence of mixing the reagents are given in Example 1. The quantitative determination of the synthesized protein is carried out by a fluorescent signal, the amount of protein depends on the synthesis time, in this case 8 hours. Fluorescence can be measured both in kinetic mode (within 2-10 hours with measurement every 30 minutes) and in the final point. Fluorescence is measured with a spectrophotometer-luminometer, eg Varioskan LUX (Thermo Scientific), at 485 nm (excitation), 510 nm (emission) in the case of the sfGFP reporter. In addition to recording the synthesis level by fluorescence, it is also possible to change the synthesis level by the luminescence signal. In this case, a reporter plasmid DNA encoding the luciferase sequence is used, and luciferin is added to the reaction mixture to a concentration of 0.1 mM.

Наличие сигнала флуоресценции при внесении плазмидной ДНК, превышающего сигнал без внесения плазмидной ДНК, свидетельствует о наличии флуоресцентного белка sfGFP и, тем самым, об успешном синтезе белка с использованием бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus. The presence of a fluorescence signal with the addition of plasmid DNA that exceeds the signal without the addition of plasmid DNA indicates the presence of the fluorescent sfGFP protein and, thus, successful protein synthesis using a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells.

Пример 3. Example 3 Определение способности хлорамфеникола и тетрациклина ингибировать синтез белка в бесклеточной системе синтеза белка на основе клеток Determination of the Ability of Chloramphenicol and Tetracycline to Inhibit Protein Synthesis in a Cell-Based Cell-Based Protein Synthesis System Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus ..

Проводят синтез флуоресцентного белка GFP в разрабатываемой бесклеточной системе в черных непрозрачных планшетах на 384 лунки (Grenier), объемом лунок 20 мкл и объемом реакционной смеси в лунке 15 мкл. Последовательность действий по приготовлению планшетов в приведена в Примере 2. В разные планшеты в трех повторах, в реакционную смесь добавляли известные ингибиторы синтеза белка – хлорамфеникол (растворенный в ДМСО) и тетрациклин (растворенный в mQ) – в различных концентрациях. Для образца, растворенного в ДМСО, с целью исключения влияния растворителя на процесс трансляции в контрольный образец (К+) также добавляли ДМСО до концентрации 1,66%. Объем реакционной смеси для реакции в 384 луночном планшете составлял 15 мкл на лунку (объем лунки 20 мкл). Флуоресценцию измеряли по финальной точке при температуре 30 °C после 8 часов. Для измерения флюоресценции использовали черные непрозрачные планшеты на 384 лунки (Grenier, США). Измерение флюоресценции производили на длинах волн 485 нм (возбуждение), 510 нм (испускание) (Varioskan LUX, Thermo).The synthesis of the fluorescent GFP protein is carried out in the developed cell-free system in black opaque plates for 384 wells (Grenier), the volume of the wells is 20 μl and the volume of the reaction mixture in the well is 15 μl. The sequence of steps for preparing tablets in is given in Example 2. In different tablets in three repetitions, the known inhibitors of protein synthesis - chloramphenicol (dissolved in DMSO) and tetracycline (dissolved in mQ) - were added to the reaction mixture at various concentrations. For the sample dissolved in DMSO, in order to exclude the influence of the solvent on the translation process, DMSO was also added to the control sample (K+) to a concentration of 1.66%. The volume of the reaction mixture for the reaction in the 384 well plate was 15 μl per well (well volume 20 μl). Fluorescence was measured at the endpoint at 30°C after 8 hours. Fluorescence was measured using black opaque 384-well plates (Grenier, USA). Fluorescence was measured at 485 nm (excitation), 510 nm (emission) (Varioskan LUX, Thermo).

Результаты представлены на фигурах 1 и 2, где приводятся уровни синтеза белка в заявляемой бесклеточной системе трансляции Staphylococcus aureus в отсутствии и присутствии указанных известных трансляционных ингибиторов в различных концентрациях. Для контроля одновременно проводят реакцию с H2O вместо репортерной плазмидной ДНК (негативный контроль) и реакцию с добавлением нерепортерной плазмидной ДНК, чтобы исключить влияние добавления нерепортерной плазмидной ДНК на уровень флюоресценции. Реакция с репортерной плазмидной ДНК sfGFP без добавления ингибиторов, принимается за 100% уровень синтеза. Принимая интенсивность сигнала флуоресценции за 100% уровень синтеза белка для лунки с репортерной плазмидой sfGFP видно, что при инкубировании реакционной смеси с хлорамфениколом с концентрацией 2 мкМ, 3 мкМ, 6 мкМ, 15 мкМ, 25 мкМ, 100 мкМ уровень синтеза белка снижается на 15%, 15%, 22%, 39%, 51% и 87% соответственно. А при инкубировании реакционной смеси с тетрациклином с концентрацией 1 мкМ, 5 мкМ, 10 мкМ, 20 мкМ, 50 мкМ, 100 мкМ уровень синтеза белка снижается на 33%, 74%, 94%, 97%, 97% 97%.The results are presented in figures 1 and 2, which shows the levels of protein synthesis in the claimed cell-free translation system of Staphylococcus aureus in the absence and presence of these known translational inhibitors at various concentrations. As a control, a reaction with H 2 O instead of reporter plasmid DNA (negative control) and a reaction with the addition of non-reporter plasmid DNA were carried out simultaneously in order to exclude the influence of the addition of non-reporter plasmid DNA on the level of fluorescence. The reaction with reporter plasmid DNA sfGFP without the addition of inhibitors is taken as a 100% synthesis level. Taking the intensity of the fluorescence signal as a 100% level of protein synthesis for the well with the sfGFP reporter plasmid, it can be seen that when the reaction mixture is incubated with chloramphenicol at a concentration of 2 μM, 3 μM, 6 μM, 15 μM, 25 μM, 100 μM, the level of protein synthesis decreases by 15 %, 15%, 22%, 39%, 51% and 87% respectively. And when the reaction mixture is incubated with tetracycline at a concentration of 1 μM, 5 μM, 10 μM, 20 μM, 50 μM, 100 μM, the level of protein synthesis decreases by 33%, 74%, 94%, 97%, 97% 97%.

Таким образом, проведение манипуляций в соответствии с описанием выше позволяет достичь заявленной цели – получить бесклеточную систему синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, провести синтез белка, выявить ингибиторы синтеза белка на её основе. Приведенные примеры осуществления заявленного изобретения показывают успешное создание бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, проведение синтеза белка и выявление ингибиторов синтеза белка с её применением, что демонстрирует полезность применения заявленных изобретений в фармакологии, например, для поиска ингибиторов синтеза белка, при этом с использованием стандартного оборудования и материалов.Thus, carrying out manipulations in accordance with the description above makes it possible to achieve the stated goal - to obtain a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, to carry out protein synthesis, and to identify inhibitors of protein synthesis based on it. The examples of implementation of the claimed invention show the successful creation of a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, carrying out protein synthesis and identifying protein synthesis inhibitors with its use, which demonstrates the usefulness of applying the claimed inventions in pharmacology, for example, to search for protein synthesis inhibitors, while using standard equipment and materials.

На основании изложенного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно расширен арсенал средств указанного назначения путем создания бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, проведен синтез белка и выявление ингибиторов синтеза белка на её основе, при этом достигнуто: Based on the foregoing, it can be concluded that the applicant has achieved the claimed technical result, namely, the arsenal of means for the indicated purpose has been expanded by creating a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, protein synthesis has been carried out and inhibitors of protein synthesis based on it have been identified, while achieving:

- возможность синтеза белков грамположительной бактерии Staphylococcus aureus в естественном генетическом и метаболическом окружении;- the possibility of protein synthesis of gram-positive bacteria Staphylococcus aureus in the natural genetic and metabolic environment;

- возможность получения экстракта без этапа инкубации смеси для увеличения активных рибосом после прочтения ими всех имеющихся мРНК в растворе;- the possibility of obtaining an extract without the stage of incubation of the mixture to increase active ribosomes after reading all the available mRNA in solution;

- возможность синтеза рекомбинантного белка лизостафина без использования коммерческого препарата лизостафина для лизиса клеток;- the possibility of synthesizing recombinant lysostaphin protein without using a commercial preparation of lysostaphin for cell lysis;

- возможность регистрации ингибирующей активности химических соединений как с помощью регистрации сигнала флуоресценции репортерного белка, так и люминесценции.- the possibility of recording the inhibitory activity of chemical compounds both by recording the fluorescence signal of the reporter protein and luminescence.

Кроме того, предложенная группа изобретений может стать платформой для поиска ингибиторов синтеза белка у бактерии Staphylococcus aureus.In addition, the proposed group of inventions can become a platform for the search for inhibitors of protein synthesis in the bacterium Staphylococcus aureus .

Заявленное техническое решение удовлетворяет критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлены средства, которым присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле предполагаемого изобретения, включая характеристику назначения.The claimed technical solution satisfies the criterion of "novelty" for inventions, since when determining the level of technology, no means were identified that have features that are identical (that is, they match in the function they perform and the form of execution of these features) to all the features listed in the claims of the alleged invention , including the characteristics of the destination.

Заявленное техническое решение удовлетворяет критерию «изобретательский уровень», поскольку не является очевидным для специалиста в данной области техники – из исследованного уровня техники заявителем не выявлены технические решения, совпадающие по технической сущности с предлагаемым решением, и не установлена известность влияния отличительных признаков на полученный технический результат.The claimed technical solution satisfies the criterion of "inventive step", since it is not obvious to a specialist in this field of technology - from the studied prior art, the applicant has not identified technical solutions that coincide in technical essence with the proposed solution, and the influence of distinctive features on the obtained technical result has not been established .

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов и оборудования.The claimed technical solution complies with the "industrial applicability" patentability requirement for inventions, as it can be manufactured using known materials and equipment.

Claims (70)

1. Бесклеточная система синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, полученная путем смешения компонентов реакционной смеси в следующем порядке и в следующем объемном соотношении, об.%:1. Cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, obtained by mixing the components of the reaction mixture in the following order and in the following volume ratio, vol.%: вода – 7,85,water - 7.85, 100 мМ HEPES-KOH pH 8,0 – 5,00,100 mM HEPES-KOH pH 8.0 - 5.00, 2% полиэтиленгликоль 8000 – 4,00,2% polyethylene glycol 8000 - 4.00, 0,1 мМ ЭДТА pH 8,0 – 0,5,0.1 mM EDTA pH 8.0 - 0.5, 2 мМ дитиотреитол – 0,20,2 mM dithiothreitol - 0.20, 9,1 мМ магний ацетат – 0,91,9.1 mM magnesium acetate - 0.91, 228,5 мМ калий ацетат – 5,71,228.5 mM potassium acetate - 5.71, 0,5 мМ раствор из 20 протеиногенных аминокислот – 12,50,0.5 mM solution of 20 proteinogenic amino acids - 12.50, 16,7 мМ раствор из аминокислот в эквимольном соотношении: аргинин, цистеин, триптофан, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота – 5,99,16.7 mM solution of amino acids in an equimolar ratio: arginine, cysteine, tryptophan, methionine, aspartic acid, glutamic acid - 5.99, 0,05% азид натрия – 1,67,0.05% sodium azide - 1.67, 1% раствор ингибитора протеаз Complete – 1,00,1% protease inhibitor solution Complete - 1.00, ингибитор РНКаз RNasine – 0,75,RNase inhibitor RNasine - 0.75, тотальная тРНК из Escherichia coli – 1,25,total tRNA from Escherichia coli – 1.25, 2,11 мМ фолиновая кислота – 1,00,2.11 mM folinic acid - 1.00, 20 мМ ацетил фосфат литиево-калиевая соль – 4,00,20 mM acetyl phosphate lithium-potassium salt - 4.00, 20 мМ фосфоенолпируват дикалиевая соль – 4,0,20 mM phosphoenolpyruvate dipotassium salt - 4.0, 0,18 мМ пируваткиназа – 0,4, 0.18 mM pyruvate kinase - 0.4, NTP микс: 90 мМ АТФ, 60 мМ ЦТФ, 60 мМ ГТФ, 60 мМ УТФ, pH 7,0 – 1,33,NTP mix: 90 mM ATP, 60 mM CTP, 60 mM GTP, 60 mM UTP, pH 7.0 - 1.33, T7 полимераза – 2,50;T7 polymerase - 2.50; S30 экстракт клеток Staphylococcus aureus RN4220 – 35;S30 extract of Staphylococcus aureus RN4220 cells - 35; плазмидная ДНК – 4,44.plasmid DNA - 4.44. 2. Бесклеточная система синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus по п.1, отличающаяся тем, что в случае количественного определения синтезированного белка методом флуоресценции в качестве плазмидной ДНК используют pJL1-sfGFP.2. Cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells according to claim 1, characterized in that in the case of quantitative determination of the synthesized protein by fluorescence, pJL1-sfGFP is used as plasmid DNA. 3. Бесклеточная система синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus по п.1, отличающаяся тем, что в случае количественного определения синтезированного белка методом люминисценции в качестве плазмидной ДНК используют pT7luc.3. A cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells according to claim 1, characterized in that in the case of quantitative determination of the synthesized protein by the luminescence method, pT7luc is used as plasmid DNA. 4. Способ синтеза белка в бесклеточной системе синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, включающий инкубацию при температуре 37 °С бесклеточной системы синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, полученной путем смешения компонентов реакционной смеси в следующем порядке и в следующем объемном соотношении, об.%:4. A method for protein synthesis in a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, including incubation at a temperature of 37 ° C of a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, obtained by mixing the components of the reaction mixture in the following order and in the following volume ratio, vol. %: воды – 7,85,water - 7.85, 100 мМ HEPES-KOH pH 8,0 – 5,00,100 mM HEPES-KOH pH 8.0 - 5.00, 2% полиэтиленгликоль 8000 – 4,00,2% polyethylene glycol 8000 - 4.00, 0,1 мМ ЭДТА pH 8,0 – 0,5,0.1 mM EDTA pH 8.0 - 0.5, 2 мМ дитиотреитол – 0,20,2 mM dithiothreitol - 0.20, 9,1 мМ магний ацетат – 0,91,9.1 mM magnesium acetate - 0.91, 228,5 мМ калий ацетат – 5,71,228.5 mM potassium acetate - 5.71, 0,5 мМ раствор из 20 протеиногенных аминокислот – 12,50,0.5 mM solution of 20 proteinogenic amino acids - 12.50, 16,7 мМ раствор из аминокислот в эквимольном соотношении: аргинин, цистеин, триптофан, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота – 5,99,16.7 mM solution of amino acids in an equimolar ratio: arginine, cysteine, tryptophan, methionine, aspartic acid, glutamic acid - 5.99, 0,05% азид натрия – 1,67,0.05% sodium azide - 1.67, 1% раствор ингибитора протеаз Complete – 1,00,1% protease inhibitor solution Complete - 1.00, ингибитор РНКаз RNasine – 0,75,RNase inhibitor RNasine - 0.75, тотальная тРНК из Escherichia coli – 1,25,total tRNA from Escherichia coli – 1.25, 2,11 мМ фолиновая кислота – 1,00,2.11 mM folinic acid - 1.00, 20 мМ ацетил фосфат литиево-калиевая соль – 4,00,20 mM acetyl phosphate lithium-potassium salt - 4.00, 20 мМ фосфоенолпируват дикалиевая соль – 4,0,20 mM phosphoenolpyruvate dipotassium salt - 4.0, 0,18 мМ пируваткиназа – 0,4,0.18 mM pyruvate kinase - 0.4, NTP микс: 90 мМ АТФ, 60 мМ ЦТФ, 60 мМ ГТФ, 60 мМ УТФ, pH 7,0 – 1,33,NTP mix: 90 mM ATP, 60 mM CTP, 60 mM GTP, 60 mM UTP, pH 7.0 - 1.33, T7 полимераза – 2,50;T7 polymerase - 2.50; S30 экстракт клеток Staphylococcus aureus RN4220 – 35;S30 extract of Staphylococcus aureus RN4220 cells - 35; плазмидная ДНК – 4,44.plasmid DNA - 4.44. 5. Способ выявления ингибиторов синтеза белка, включающий инкубацию при 37 °С потенциальных ингибиторов синтеза белка совместно с бесклеточной системой синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus, полученной путем смешения компонентов реакционной смеси в следующем порядке и в следующем объемном соотношении, об.%:5. A method for detecting inhibitors of protein synthesis, including incubation at 37 °C of potential inhibitors of protein synthesis together with a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, obtained by mixing the components of the reaction mixture in the following order and in the following volume ratio, vol.%: воды – 7,85,water - 7.85, 100 мМ HEPES-KOH pH 8,0 – 5,00,100 mM HEPES-KOH pH 8.0 - 5.00, 2% полиэтиленгликоль 8000 – 4,00,2% polyethylene glycol 8000 - 4.00, 0,1 мМ ЭДТА pH 8,0 – 0,5,0.1 mM EDTA pH 8.0 - 0.5, 2 мМ дитиотреитол – 0,20,2 mM dithiothreitol - 0.20, 9,1 мМ магний ацетат – 0,91,9.1 mM magnesium acetate - 0.91, 228,5 мМ калий ацетат – 5,71,228.5 mM potassium acetate - 5.71, 0,5 мМ раствор из 20 протеиногенных аминокислот – 12,50,0.5 mM solution of 20 proteinogenic amino acids - 12.50, 16,7 мМ раствор из аминокислот в эквимольном соотношении: аргинин, цистеин, триптофан, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота – 5,99,16.7 mM solution of amino acids in an equimolar ratio: arginine, cysteine, tryptophan, methionine, aspartic acid, glutamic acid - 5.99, 0,05% азид натрия – 1,67,0.05% sodium azide - 1.67, 1% раствор ингибитора протеаз Complete – 1,00,1% protease inhibitor solution Complete - 1.00, ингибитор РНКаз RNasine – 0,75,RNase inhibitor RNasine - 0.75, тотальная тРНК из Escherichia coli – 1,25,total tRNA from Escherichia coli – 1.25, 2,11 мМ фолиновая кислота – 1,00,2.11 mM folinic acid - 1.00, 20 мМ ацетил фосфат литиево-калиевая соль – 4,00,20 mM acetyl phosphate lithium-potassium salt - 4.00, 20 мМ фосфоенолпируват дикалиевая соль – 4,0,20 mM phosphoenolpyruvate dipotassium salt - 4.0, 0,18 мМ пируваткиназа – 0,4,0.18 mM pyruvate kinase - 0.4, NTP микс: 90 мМ АТФ, 60 мМ ЦТФ, 60 мМ ГТФ, 60 мМ УТФ, pH 7,0 – 1,33,NTP mix: 90 mM ATP, 60 mM CTP, 60 mM GTP, 60 mM UTP, pH 7.0 - 1.33, T7 полимераза – 2,50;T7 polymerase - 2.50; S30 экстракт клеток Staphylococcus aureus RN4220 – 35;S30 extract of Staphylococcus aureus RN4220 cells - 35; плазмидная ДНК – 4,44,plasmid DNA - 4.44, количественное измерение синтезированного белка по сигналу люминесцентного или флуоресцентного излучения и определение способности к ингибированию синтеза белка по падению светового сигнала.quantitative measurement of the synthesized protein by the signal of luminescent or fluorescent radiation and determination of the ability to inhibit protein synthesis by the fall of the light signal. 6. Способ выявления ингибиторов синтеза белка по п.5, отличающийся тем, что в случае количественного измерения синтезированного белка по сигналу люминесцентного излучения после инкубирования потенциальных ингибиторов синтеза белка совместно с бесклеточной системой синтеза белка на основе клеток Staphylococcus aureus в реакционную смесь добавляют люциферин.6. A method for detecting protein synthesis inhibitors according to claim 5, characterized in that in the case of quantitative measurement of the synthesized protein by a luminescent signal, after incubation of potential inhibitors of protein synthesis, together with a cell-free protein synthesis system based on Staphylococcus aureus cells, luciferin is added to the reaction mixture.
RU2022135452A 2022-12-30 Cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells, a method of protein synthesis based on staphylococcus aureus cells using a cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells and a method of detecting protein synthesis inhibitors using it RU2802080C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2802080C1 true RU2802080C1 (en) 2023-08-22

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2162104C2 (en) * 1994-11-03 2001-01-20 Рисерч Дивелопмент Фаундейшн Method of synthesis of protein with fluorescent label

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2162104C2 (en) * 1994-11-03 2001-01-20 Рисерч Дивелопмент Фаундейшн Method of synthesis of protein with fluorescent label

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MURRAY R.W. et al. "Staphylococcus aureus cell extract transcription-translation assay: firefly luciferase reporter system for evaluating protein translation inhibitors"; Antimicrobial agents and chemotherapy, 2001, v.45, N 6, p.1900-1904. ОСТЕРМАН И.А. "Поиск и изучение новых антибиотиков ингибиторов синтеза белка"; автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук, 2018, М., с.1-46. *
КАЗЛОВСКИЙ И.С. "Перспективы использования бесклеточного синтеза белка в биотехнологии"; Сборник научных трудов "Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты", 2021, том.13, с.266-286. УСАЧЕВ К.С. и др. "Система для поиска и оптимизации ингибиторов биосинтеза белка у Staphylococcus aureus на основе бесклеточных систем трансляции и методов структурной биологии"; Сборник тезисов IV Всероссийской с международным участием школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, "Материалы и технологии ХХI века", 8-10 ноября 2020, с.60-61. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Didovyk et al. Rapid and scalable preparation of bacterial lysates for cell-free gene expression
Shin et al. An E. coli cell-free expression toolbox: application to synthetic gene circuits and artificial cells
Maciąg et al. ppGpp inhibits the activity of Escherichia coli DnaG primase
Dedkova et al. β-Puromycin selection of modified ribosomes for in vitro incorporation of β-amino acids
Schaerli et al. The potential of microfluidic water-in-oil droplets in experimental biology
Takada et al. The C-terminal RRM/ACT domain is crucial for fine-tuning the activation of ‘long’RelA-SpoT Homolog enzymes by ribosomal complexes
Ruwe et al. Functional characterization of a small alarmone hydrolase in Corynebacterium glutamicum
Murase et al. In vitro evolution of unmodified 16S rRNA for simple ribosome reconstitution
Kuru et al. Release factor inhibiting antimicrobial peptides improve nonstandard amino acid incorporation in wild-type bacterial cells
Zhu et al. Tagging polyketides/non-ribosomal peptides with a clickable functionality and applications
Pu et al. RNA polymerase tags to monitor multidimensional protein–protein interactions reveal pharmacological engagement of Bcl-2 proteins
Kim et al. Regulation of cid and lrg expression by CcpA in Streptococcus mutans
Wang et al. Peptide formation by N-methyl amino acids in translation is hastened by higher pH and tRNAPro
Gan et al. High-throughput regulatory part prototyping and analysis by cell-free protein synthesis and droplet microfluidics
Monroe et al. Investigating the consequences of mRNA modifications on protein synthesis using in vitro translation assays
Köhler et al. Cell-free protein synthesis and in situ immobilization of deGFP-MatB in polymer microgels for malonate-to-malonyl CoA conversion
RU2802080C1 (en) Cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells, a method of protein synthesis based on staphylococcus aureus cells using a cell-free protein synthesis system based on staphylococcus aureus cells and a method of detecting protein synthesis inhibitors using it
CN109402115A (en) Target Rett mutated gene RNA gRNA and Rett mutated gene detection method, detection kit
Choi et al. Programmable Synthesis of Biobased Materials Using Cell‐Free Systems
Toh et al. A high-yield Streptomyces transcription-translation toolkit for synthetic biology and natural product applications
Rottier et al. Detection of soluble co-factor dependent protein expression in vivo: Application to the 4′-phosphopantetheinyl transferase PptT from Mycobacterium tuberculosis
Qiu et al. Methods for Noncanonical Ubiquitination and Deubiquitination Catalyzed by Legionella pneumophila Effector Proteins
Yang et al. A temperature-controlled cell-free expression system by dynamic repressor
Chiao et al. Development of prokaryotic cell-free systems for synthetic biology
Schmidt et al. Directed evolution of orthogonal pyrrolysyl-tRNA synthetases in Escherichia coli for the genetic encoding of noncanonical amino acids