RU2816447C1 - Экспрессионный вектор pBMS10 на основе элементов LuxR-LuxI "quorum sensing" системы Aliivibrio logei - Google Patents

Экспрессионный вектор pBMS10 на основе элементов LuxR-LuxI "quorum sensing" системы Aliivibrio logei Download PDF

Info

Publication number
RU2816447C1
RU2816447C1 RU2023132063A RU2023132063A RU2816447C1 RU 2816447 C1 RU2816447 C1 RU 2816447C1 RU 2023132063 A RU2023132063 A RU 2023132063A RU 2023132063 A RU2023132063 A RU 2023132063A RU 2816447 C1 RU2816447 C1 RU 2816447C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
expression
luxi
pbms10
luxr
induction
Prior art date
Application number
RU2023132063A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Владимирович Баженов
Екатерина Сергеевна Щеглова
Илья Владимирович Манухов
Дании Игоревич Сахаров
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2816447C1 publication Critical patent/RU2816447C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к экспрессионному вектору pBMS10 на основе элементов LuxR-LuxI системы чувства кворума («quorum sensing», QS) морских психрофильных бактерий вида Aliivibrio logei для клонирования и экспрессии целевых генов в клетках Escherichia coli. Изобретение позволяет осуществлять индуцибельную экспрессию, реализуемую двумя способами: автоиндукцией при температуре культивирования 22°C и индукцией посредством экзогенного добавления 3OxoC6-HSL. Изобретение эффективно для биосинтеза рекомбинантных белков в клетках E. coli с возможностью получения количеств целевого белка, составляющих до 50% от общего белка в клетке, и культивированием в температурном диапазоне 22°C–30°C. 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к биотехнологии, биосинтезу рекомбинантных белков в клетках Escherichia coli. Разработан экспрессионный вектор на основе элементов LuxR-LuxI системы чувства кворума («quorum sensing», QS) морских психрофильных бактерий вида Aliivibrio logei. Экспрессия целевого гена, клонированного в векторе pBMS10, возможна в двух режимах индукции: автоиндукция при температуре культивирования 22°C и индукция посредством экзогенного добавления 3OxoC6-HSL, при этом температура может как оставаться 22°C, так и повышаться вплоть до 30°C.
Экспрессионные векторы повсеместно используются биотехнологами и молекулярными биологами для создания бактериальных штаммов-продуцентов и дальнейшего синтеза рекомбинантных белков. Для получения штамма-продуцента в такие векторы встраивается ген, кодирующий целевой белок, после чего результирующей плазмидой трансформируется штамм-реципиент, во многих случаях используются бактерии E. coli. В зависимости от регуляторных элементов экспрессионного вектора, индукция экспрессии целевого гена в клетке может происходить в ответ на различные факторы: как химические (в том числе различные сахара), так и физические. Так, например, существуют системы, в которых индукция происходит за счет изменения температуры [1][2]. Индукция понижением температуры удобна для синтеза термолабильных белков в E. coli, т.к. повышается вероятность получения их в нативном состоянии. Большинство экспрессионных систем, индуцируемых понижением температуры, используют промотор холодового шока и обладают температурой индукции 15-18°С [3].
В основе настоящего изобретения лежит использование регуляторных элементов QS-системы психрофильных люминесцентных морских бактерий вида A. logei. Данные бактерии используют LuxI/LuxR систему “quorum sensing” для регуляции экспрессии lux-оперона, отвечающего за люминесценцию. Белок LuxI синтезирует ацильные производные гомосерин лактона - сигнальные молекулы QS системы, называемые аутоиндукторами (АИ), основным из которых в A. logei является 3OxoC6-HSL. Данные молекулы не токсичны и не включены в основные метаболические пути клеток E. coli, что позволяет использовать их в биотехнологии в качестве индуктора экспрессионных систем. Регуляторные белки LuxR1 и LuxR2 A. logei связываются с молекулой АИ, присоединяются к ДНК и активируют транскрипцию с регулируемого ими промотора за счет прямого взаимодействия с РНК-полимеразой [4]. Ранее было показано, что LuxR2 в гетерологичной системе E. coli обладает значительно большей чувствительностью к 3OxoC6-HSL, чем LuxR1: ответ биосенсора, содержащего LuxR2 в качестве белка-рецептора наблюдается при добавлении 1 нМ АИ, когда как LuxR1 способен детектировать в среде присутствие АИ в концентрациях от 1 мкМ [5][6]. Под контролем LuxR-регулируемых промоторов в клетках A. logei расположены гены люминесценции luxCDABEG и ген аутоиндуктор-синтетазы luxI, за счет чего реализуется положительная обратная связь: в присутствии АИ повышается скорость синтеза АИ.
Наиболее близкие экспрессионные системы описаны в работах [7-9]. В работе [7] описано конструирование экспрессионного вектора для клеток E. coli на основе luxR-luxI генов Aliivibrio fischeri, однако у него отсутствует возможность осуществлять температурно-зависимую регуляцию. В патентной заявке [8] и статье [9] описан способ использования элементов LuxI/LuxR QS систем психрофильных бактерий рода Aliivibrio для управления экспрессией целевого гена в клетках E. coli. Патентная заявка [8] является прототипом настоящего изобретения. В ней описано, что присутствие в клетках E. coli гена luxR2 под контролем собственного промотора и целевого гена под контролем LuxR2-регулируемого промотора обеспечивает возможность регуляции экспрессии целевого гена при помощи варьирования температуры культивирования и концентрации 3OxoC6-HSL. Понижение температуры до 2 °C индуцирует экспрессию в присутствии АИ, при повышении температуры культивирования до 3 °C экспрессия целевого белка прекращается. Однако в перечисленных работах экспрессионные векторы не показывали продукции целевого белка более 30% от общего клеточного белка, к тому же для них не была описана возможность использования индукции экзогенным АИ при температурах выше 2 °C.
Техническим результатом предложенного изобретения является экспрессионный вектор pBMS10, предназначенный для клонирования и экспрессии белок-кодирующих генов в клетках E. coli. Плазмида pBMS10 содержит ориджин репликации pBR322 и ген резистентности к канамицину. Для температуро- и АИ-зависимой экспрессии рекомбинантных белков в векторе содержатся luxR2 и luxI гены под контролем собственных промоторов, изолированные из хромосомальной ДНК A. logei K18-44. Ниже гена luxI находится участок SEQ ID NO 1, обеспечивающий инициацию транскрипции и трансляции встраиваемого в экспрессионный вектор целевого гена. SEQ ID NO 1 включает в себя промотор PBMS (нуклеотиды 1-54 SEQ ID NO 1) с полностью палиндромным lux-боксом (нуклеотиды 1-20) и консенсусной последовательностью -10 (нуклеотиды 42-47). За промотором PBMS в плазмиде расположены консенсусная последовательность Шайна-Дальгарно (нуклеотиды 109-115), старт-кодон (нуклеотиды 121-123). На фигуре 1 приведена карта экспрессионного вектора pBMS10.
За счет присутствия гена luxI под контролем LuxR2-регулируемого промотора, а также за счет свойств LuxR2, LuxI и PBMS продуценты на основе данного вектора обладают двумя режимами индукции: автоиндукция при температуре культивирования 22°C и индукция посредством экзогенного добавления 3OxoC6-HSL при температурах не выше 30°C. Данный вектор также обладает низким базовым уровнем экспрессии в условиях отсутствия индукции и способностью к отключению уже запущенной индукции при повышении температуры до 37°C, за счет чего появляется возможность зафиксировать определенное количество целевого белка в клетке.
Пример:
Для апробации изобретения в вектор pBMS10 был встроен ген, кодирующий GFP с His-tag меткой, в качестве целевого. Клетки E. coli MC1061 были трансформированы полученной плазмидой pBMS10-gfpHis. Культуры клеток E. coli MC1061 pBMS10-gfpHis выращивали до OD≈0,5 при 37°C, 200 об/мин в жидкой питательной среде LB в объеме 24 мл и делили на 2 части. К половине культуры добавляли 3OxoC6-HSL до концентрации 1 мкМ. Затем клетки с АИ и без него делили на 4 части по 3 мл и инкубировали при 22, 30, 33, 37°C, 200 об/мин. Через 1 час и через 20 часов были отобраны пробы для оценки экспрессии GFP с помощью флюорометрии и денатурирующего гель-электрофореза.
В таблице 1 приведены коэффициенты индукции флуоресценции MC1061 pBMS10-gfpHis в зависимости от времени инкубации и экзогенного добавления АИ, посчитанные как отношение флуоресценции (в расчете на 1 OD) индуцированных клеток к флуоресценции клеток E. coli без экспрессионной плазмиды, инкубированных то же время при 37°C. Следует отметить, что базовый уровень флуоресценции обусловлен флуоресценцией прочих клеточных компонентов и компонентов питательной среды, на спектре флуоресценции MC1061 pBMS10-gfpHis, выращенных при 37°C, пик GFP полностью отсутствовал. При 22°C не наблюдается значимых различий флуоресценции между образцами с и без экзогенного 3OxoC6-HSL. При этом добавление 1 мкМ 3OxoC6-HSL позволяет использовать pBMS10 для экспрессии целевого белка при температуре как 22°C, так и 30°. При этом при 22°C скорость роста клеток меньше, что отражается на значениях в таблице 1, и для достижения того же абсолютного выхода белка может потребоваться большее время инкубации.
Таблица 1.
Коэффициент
индукции
без АИ с АИ
22°C 30°C 37°C 22°C 30°C 33 °C 37°C
1 час индукции 1 1 1 34 50 16 1
20 часов индукции 3600 1 1 4600 5500 600 1
На фигуре 2 приведены результаты гель-электрофореза лизата клеток MC1061 pBMS10-gfpHis, индуцируемых в течение различных промежутков времени при различных температурах после добавления 1 мкМ 3OxoC6-HSL.
Анализ белкового фореза с последующей обработкой результатов при помощи программы TotalLab показал, что экспрессия gfp при клонировании в вектор pBMS10 пропорциональна времени инкубации и зависит от температуры: максимальна при 22°C, существенна при 30°C и незначительна при 33°C. Содержание GFP в лизатах клеток MC1061 pBMS10-gfpHis, культивируемых при 22°C в течение 20 часов после добавления 1 мкМ АИ, максимально и достигает 50 % от общего белка.
Список источников
[1] Menart V., and Pavko A., “Constitutive versus thermoinducible expression of heterologous proteins in Escherichia coli based on strong PR,PL promoters from phage lambda,” Biotechnol. Bioeng., vol. 83, no. 2, pp. 181-190, Jul. 2003, doi: 10.1002/BIT.10660.
[2] Rosano G. L. and Ceccarelli E. A., “Recombinant protein expression in Escherichia coli: Advances and challenges,” Front. Microbiol., vol. 5, no. APR, p. 79503, Apr. 2014, doi: 10.3389/FMICB.2014.00172.
[3] Vera A., Arís A., and Villaverde A., “The conformational quality of insoluble recombinant proteins is enhanced at low growth temperatures,” Biotechnol. Bioeng., vol. 96, no. 6, pp. 1101-1106, Apr. 2007, doi: 10.1002/BIT.21218.
[4] Stevens A. M., Dolan K. M., and Greenberg E. P., “Synergistic binding of the Vibrio fischeri LuxR transcriptional activator domain and RNA polymerase to the lux promoter region (autoinduction/DNA binding/luminescence/quorum sensing),” Biochemistry, vol. 91, pp. 12619-12623, 1994/
[5] Khrulnova S. A. et al., “Lux-operon of the marine psychrophilic bacterium aliivibrio logei: A comparative analysis of the LuxR1/LuxR2 regulatory activity in escherichia coli cells,” Microbiol. (United Kingdom), vol. 162, no. 4, pp. 717-724, Apr. 2016, doi: 10.1099/mic.0.000253.
[6] Bazhenov S. et al., “Influence of the luxR Regulatory Gene Dosage and Expression Level on the Sensitivity of the Whole-Cell Biosensor to Acyl-Homoserine Lactone,” Biosens. 2021, Vol. 11, Page 166, vol. 11, no. 6, p. 166, May 2021, doi: 10.3390/BIOS11060166.
[7] Nocadello, S.; Swennen, E.F. The new pLAI (lux regulon based auto-inducible) expression system for recombinant protein production in Escherichia coli. Microb. Cell Fact. 2012, 11, 3, doi:10.1186/1475-2859-11-3.
[8] Баженов С.В., Щеглова Е.С., Михайлов А.Э., Манухов И.В. Способ управляемой экспрессии рекомбинантных генов в клетках Escherichia coli с использованием элементов LuxR-LuxI «quorum sensing» системы психрофильных бактерий рода Aliivibrio. Заявка на патент РФ №2022110580/10(022319) от 19.04.2022
[9] Bazhenov, S. V.; Scheglova, E.S.; Utkina, A.A.; Kudryavtseva, A.A.; Al Ebrahim, R.; Manukhov, I. V. New temperature-switchable acyl homoserine lactone-regulated expression vector. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2023, 107, 807–818, doi:10.1007/s00253-022-12341-y.
--->
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE ST26SequenceListing PUBLIC "-//WIPO//DTD Sequence Listing
1.3//EN" "ST26SequenceListing_V1_3.dtd">
<ST26SequenceListing dtdVersion="V1_3" fileName="pBMS10.xml"
softwareName="WIPO Sequence" softwareVersion="2.2.0"
productionDate="2023-11-24">
<ApplicationIdentification>
<IPOfficeCode>RU</IPOfficeCode>
<ApplicationNumberText></ApplicationNumberText>
<FilingDate></FilingDate>
</ApplicationIdentification>
<ApplicantFileReference>Description file</ApplicantFileReference>
<ApplicantName languageCode="ru">МФТИ, Физтех</ApplicantName>
<ApplicantNameLatin>MIPT</ApplicantNameLatin>
<InventorName languageCode="ru">Баженов Сергей
Владимирович</InventorName>
<InventorNameLatin>Bazhenov Sergey Vladimirovich</InventorNameLatin>
<InventionTitle languageCode="ru">Экспрессионный вектор pBMS10 на
основе элементов LuxR-LuxI «quorum sensing» системы Aliivibrio
logei</InventionTitle>
<SequenceTotalQuantity>1</SequenceTotalQuantity>
<SequenceData sequenceIDNumber="1">
<INSDSeq>
<INSDSeq_length>123</INSDSeq_length>
<INSDSeq_moltype>DNA</INSDSeq_moltype>
<INSDSeq_division>PAT</INSDSeq_division>
<INSDSeq_feature-table>
<INSDFeature>
<INSDFeature_key>source</INSDFeature_key>
<INSDFeature_location>1..123</INSDFeature_location>
<INSDFeature_quals>
<INSDQualifier>
<INSDQualifier_name>mol_type</INSDQualifier_name>
<INSDQualifier_value>other DNA</INSDQualifier_value>
</INSDQualifier>
<INSDQualifier id="q2">
<INSDQualifier_name>organism</INSDQualifier_name>
<INSDQualifier_value>Escherichia coli</INSDQualifier_value>
</INSDQualifier>
</INSDFeature_quals>
</INSDFeature>
</INSDSeq_feature-table>
<INSDSeq_sequence>acctgtaagatcttacaggtttacctaaataattaccctgctataattt
tctaaaattataaattagtcatttaataaaaatttaacattattttaaatatattaataaggaggtatca
tatg</INSDSeq_sequence>
</INSDSeq>
</SequenceData>
</ST26SequenceListing>
<---

Claims (1)

  1. Экспрессионный вектор на основе регуляторных элементов системы чувства кворума бактерий A. logei, позволяющий проводить экспрессию целевого гена в клетках E. coli, состоящий из: ориджина репликации pBR322, гена резистентности к канамицину, luxR2-luxI генов A. logei под собственными промоторами, а также промоторного участка по последовательности SEQ ID NO: 1, включающего LuxR2-регулируемый промотор PBMS с полностью палиндромным lux-боксом и консенсусной последовательностью -10 и консенсусный сайт посадки рибосомы перед мультиклональным сайтом рестрикции для клонирования целевого гена под контроль LuxR2-регулируемого промотора.
RU2023132063A 2023-12-06 Экспрессионный вектор pBMS10 на основе элементов LuxR-LuxI "quorum sensing" системы Aliivibrio logei RU2816447C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816447C1 true RU2816447C1 (ru) 2024-03-29

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022110580A (ru) * 2022-04-19 2023-10-19 Общество с ограниченной ответственностью "Биофизические технологии" Способ управляемой экспрессии рекомбинантных генов в клетках Escherichia coli с использованием элементов LuxR-LuxI "quorum sensing" системы психрофильных бактерий рода Aliivibrio

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022110580A (ru) * 2022-04-19 2023-10-19 Общество с ограниченной ответственностью "Биофизические технологии" Способ управляемой экспрессии рекомбинантных генов в клетках Escherichia coli с использованием элементов LuxR-LuxI "quorum sensing" системы психрофильных бактерий рода Aliivibrio

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
The autoinducer synthases LuxI and AinS are responsible for temperature-dependent AHL production in the fish pathogen Aliivibrio salmonicida, BMC Microbiol., 2015, vol. 15, article number 69. Lux-operon of the marine psychrophilic bacterium Aliivibrio logei: a comparative analysis of the LuxR1/LuxR2 regulatory activity in Escherichia coli cells, 2016, vol. 162, issue 4, pp. 714-724. New temperature-switchable acyl homoserine lactone-regulated expression vector, Appl Microbiol Biotechnol., 2023 Feb, vol. 107, pp. 807-818. The new pLAI (lux regulon based auto-inducible) expression system for recombinant protein production in Escherichia coli, Microb Cell Fact., 2012, vol. 11, article number 3. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kortmann et al. A chromosomally encoded T 7 RNA polymerase‐dependent gene expression system for C orynebacterium glutamicum: construction and comparative evaluation at the single‐cell level
Vasina et al. Expression of aggregation-prone recombinant proteins at low temperatures: a comparative study of theescherichia coli cspaandtacpromoter systems
Wenzel et al. Self-inducible Bacillus subtilis expression system for reliable and inexpensive protein production by high-cell-density fermentation
Csonka et al. The accumulation of glutamate is necessary for optimal growth of Salmonella typhimurium in media of high osmolality but not induction of the proU operon
Junne et al. A two‐compartment bioreactor system made of commercial parts for bioprocess scale‐down studies: impact of oscillations on Bacillus subtilis fed‐batch cultivations
Nomoto et al. Cloning‐free template DNA preparation for cell‐free protein synthesis via two‐step PCR using versatile primer designs with short 3′‐UTR
JP2604478B2 (ja) 遺伝子産物の製造方法
Schu et al. Structure/function analysis of the Pantoea stewartii quorum-sensing regulator EsaR as an activator of transcription
Weng et al. Optimization of the overexpression of glutamate mutase S component under the control of T7 system by using lactose and IPTG as the inducers
RU2816447C1 (ru) Экспрессионный вектор pBMS10 на основе элементов LuxR-LuxI &#34;quorum sensing&#34; системы Aliivibrio logei
Guo et al. The role of the two-component system PhoP/PhoQ in intrinsic resistance of Yersinia enterocolitica to polymyxin
US20110065105A1 (en) Novel transcription factor-based biosensor
Bazhenov et al. New temperature-switchable acyl homoserine lactone-regulated expression vector
Tan et al. The role of lac operon and lac repressor in the induction using lactose for the expression of periplasmic human interferon-α2b by Escherichia coli
JP4304336B2 (ja) タンパク質の折りたたみを監視および調節することにより細菌におけるタンパク質の発現を改善する方法
Nair et al. Yeast extract mediated autoinduction of lacUV5 promoter: an insight
Boström et al. Effect of substrate feed rate on recombinant protein secretion, degradation and inclusion body formation in Escherichia coli
Beshay et al. Increasing the secretion ability of the kil gene for recombinant proteins in Escherichia coli by using a strong stationary-phase promoter
Kim et al. Optimization of staphylokinase production in Bacillus subtilis using inducible and constitutive promoters
Heinz et al. Biotin limitation in Sinorhizobium meliloti strain 1021 alters transcription and translation
Heffernan et al. Effect of araC gene product on catabolite repression in the L-arabinose regulon
Chen et al. Communication to the editor. Application of the cross‐regulation system as a metabolic switch
Blazey et al. Regulation of Salmonella typhimurium ilvYC genes
Landoulsi et al. Initiation of DNA replication in Δcya mutants of Escherichia coli K12
Palaiomylitou et al. A kinetic model describing cell growth and production of highly active, recombinant ice nucleation protein in Escherichia coli