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Incorporation of noncanonical amino acids (ncAAs) with bioorthogonal reactive groups by amber suppression allows the generation of synthetic proteins with desired novel properties. Such modified molecules are in high demand for basic research and therapeutic applications such as cancer treatment and in vivo imaging. The positioning of the ncAA-responsive codon within the protein's coding sequence is critical in order to maintain protein function, achieve high yields of ncAA-containing protein, and allow effective conjugation. Cell-free ncAA incorporation is of particular interest due to the open nature of cell-free systems and their concurrent ease of manipulation. In this study, we report a straightforward workflow to inquire ncAA positions in regard to incorporation efficiency and protein functionality in a Chinese hamster ovary (CHO) cell-free system. As a model, the well-established orthogonal translation components Escherichia coli tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS) and tRNATyr(CUA) were used to site-specifically incorporate the ncAA p-azido-l-phenylalanine (AzF) in response to UAG codons. A total of seven ncAA sites within an anti-epidermal growth factor receptor (EGFR) single-chain variable fragment (scFv) N-terminally fused to the red fluorescent protein mRFP1 and C-terminally fused to the green fluorescent protein sfGFP were investigated for ncAA incorporation efficiency and impact on antigen binding. The characterized cell-free dual fluorescence reporter system allows screening for ncAA incorporation sites with high incorporation efficiency that maintain protein activity. It is parallelizable, scalable, and easy to operate. We propose that the established CHO-based cell-free dual fluorescence reporter system can be of particular interest for the development of antibody-drug conjugates (ADCs).
A Cell-free Expression Pipeline for the Generation and Functional Characterization of Nanobodies
(2022)
Cell-free systems are well-established platforms for the rapid synthesis, screening, engineering and modification of all kinds of recombinant proteins ranging from membrane proteins to soluble proteins, enzymes and even toxins. Also within the antibody field the cell-free technology has gained considerable attention with respect to the clinical research pipeline including antibody discovery and production. Besides the classical full-length monoclonal antibodies (mAbs), so-called "nanobodies" (Nbs) have come into focus. A Nb is the smallest naturally-derived functional antibody fragment known and represents the variable domain (VHH, similar to 15 kDa) of a camelid heavy-chain-only antibody (HCAb). Based on their nanoscale and their special structure, Nbs display striking advantages concerning their production, but also their characteristics as binders, such as high stability, diversity, improved tissue penetration and reaching of cavity-like epitopes. The classical way to produce Nbs depends on the use of living cells as production host. Though cell-based production is well-established, it is still time-consuming, laborious and hardly amenable for high-throughput applications. Here, we present for the first time to our knowledge the synthesis of functional Nbs in a standardized mammalian cell-free system based on Chinese hamster ovary (CHO) cell lysates. Cell-free reactions were shown to be time-efficient and easy-to-handle allowing for the "on demand" synthesis of Nbs. Taken together, we complement available methods and demonstrate a promising new system for Nb selection and validation.
Die Fluoreszenz-Calcium-Imaging-Methode wird auch heute noch als gängige Methode verwendet, vor allem wegen der geringeren Kosten für das Wirkstoffscreening in der pharmazeutischen Forschung, wobei Ionenkanäle sowie einige der G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) die Mehrzahl der Wirkstoffziele ansprechen. Die zellfreie Synthese eukaryotischer Proteine hat nicht die Nachteile, die bei der Überexpression dieser ionenpermeablen Proteine in Zellen auftreten können, wie z. B. Zelltoxizität, geringere Proteinexpression und die Beseitigung der exprimierten Proteine aufgrund veränderter Domänen sowie die zeitaufwändige Pflege von Zelllinien. Die Synthese von Ionenkanälen in zellfreien Proteinsyntheseplattformen für das künftige Wirkstoffscreening ist noch in der Grundlagenforschung. Obwohl die Fluoreszenz-Calcium-Imaging-Methode in zellbasierten Assays weit verbreitet ist, wurde diese Methode bisher noch nicht in zellfreien Proteinexpressionssystemen verwendet. Insgesamt ist die neue Anwendung der Calcium-Imaging-Methode in eukaryontischen zellfreien Systemen eine Voraussetzung für die schnelle pharmakologische Analyse von Wirkstoffen. Das erste Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit bestand darin, die grundlegenden Prinzipien der Calcium-Imaging-Methode zur Untersuchung von Ionenkanälen in zellbasierten Systemen zu untersuchen. Hierfür wurden zwei Tumorzelllinien des Auges verwendet, und zwar benigne Pterygiumzellen und maligne Aderhautmelanom 92.1 Zellen. In diesen Studien wurde die Interaktion zwischen den nativ überexprimierten transient-receptor-potential-Ionenkanälen (TRPs) wie TRP Vanilliod 1 (TRPV1) (Capsaicinrezeptor) und TRP Melastatin 8 (TRPM8) (Mentholrezeptor) in diesen Tumorzellen nach Zugabe von verschiedenen Medikamenten und Hormonen untersucht. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, den Calcium-Mechanismus von GPCRs in den Zellen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde Mas, ein GPCR und Angiotensin (1-7) -Hormonrezeptor, aus dem renin-angiotensin-aldosteron-system (RAAS) in der Human Embryonic Kidney-293 (HEK293) Zelllinie überexprimiert. In dieser Studie wurden insbesondere die Aktivierung klassischer GPCR-Signalwege wie Phospholipase C und Proteinkinase C durch Angiotensin-(1-7) über Mas und die Beteiligung von TRP-Kanälen nachgewiesen. Die zellbasierte-Calcium-Imaging-Methode für chemische Calcium-Indikatoren ließ sich aufgrund der Anwesenheit einer großen Menge cytosolischer Carboxylesterasen gut anwenden. Carboxylesterase ist das wichtigste Enzym in der Calcium Imaging Methode, das die Verarbeitung chemischen Calcium-Farbstoffe behandelt. Dieses Enzym fehlt jedoch in Mikrosomen, die als Basismembran für die Integration synthetisierter Ionenkanäle in eukaryontischen zellfreien Systemen verwendet werden. Das dritte Ziel dieser Forschungsarbeit war die Umsetzung der zellbasierten Calcium-Imaging Methode und der Calcium-Signalwege in zellfreie Systeme. Hier wurde die zellfrei synthetisierte Carboxylesterase in Mikrosomen von Spodoptera frugiperda (Sf21) als praktikables Calcium-Imaging-Werkzeug etabliert, um sowohl native ionenpermeable Proteine als auch zellfrei-synthetisierte Ionenkanäle zu untersuchen. Die Enzymaktivität der zellfrei-synthetisierten Carboxylesterase in Mikrosomen wurde durch Esterase-Assays und den Calcium-Fluoreszenzfarbstoff Fluo-5N Acetoxymethylester (Fluo-5N AM) Belastungstests nachgewiesen. Das Calcium-Imaging der nativ vorhandenen Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen/endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und der Ryanodin-Rezeptoren (RyR) in den Mikrosomen sowie der zell-frei exprimierten TRP-Ionenkanäle wurden mit dem Fura-5N-AM- Fluoreszenzfarbstoff in mit Carboxylesterase vorsynthetisierten Mikrosomen nachgewiesen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Prinzip der zellbasierten Calcium-Imaging -Methode vielversprechend an das eukaryotische zellfreie Sf21-System angepasst werden konnte, um Ionenkanäle zu analysieren. Nach entsprechender Forschung könnte die etablierte Methode in Zukunft auch auf andere Membranproteine ausgeweitet werden. Dies umfasst die Untersuchung anderer zell-frei exprimierte GPCRs oder anderer Ionenkanäle wie Kalium-, Natrium- und Chlorid-Ionenkanäle.
Cell-free protein synthesis (CFPS) based on eukaryotic Sf21 lysate is gaining interest among researchers due to its ability to handle the synthesis of complex human membrane proteins (MPs). Additionally Sf21 cell-free systems contain endogenous microsomal vesicles originally derived from the endoplasmic reticulum (ER). After CFPS, MPs will be translocated into the microsomal vesicles membranes present in the lysates. Thus microsomal membranes offer a natural environment for de novo synthesized MPs. Despite the advantage of synthesizing complex MPs with post translational modifications directly into the microsomal membranes without any additional solubilization supplements, batch based Sf21 cell-free synthesis suffers from low yields. The bottleneck for MPs in particular after the synthesis and incorporation into the microsomal membranes is to analyze their functionality. Apart from low yields of the synthesized MPs with batch based cell-free synthesis, the challenges arise in the form of cytoskeleton elements and peripheral endogenous proteins surrounding the microsomes which may impede the functional analysis of the synthesized proteins. So careful sample processing after the synthesis is particularly important for developing the appropriate functional assays. Here we demonstrate how MPs (native and batch synthesized) from ER derived microsomes can be processed for functional analysis by electrophysiology and radioactive uptake assay methods. Treatment of the microsomal membranes either with a sucrose washing step in the case of human serotonin transporter (hSERT) and sarco/endoplasmic reticulum Ca2+/ATPase (SERCA) pump or with mild detergents followed by the preparation of proteoliposomes in the case of the human voltage dependent anionic channel (hVDAC1) helps to analyze the functional properties of MPs.
Die funktionelle Charakterisierung von therapeutisch relevanten Proteinen kann bereits durch die Bereitstellung des Zielproteins in adäquaten Mengen limitierend sein. Dies trifft besonders auf Membranproteine zu, die aufgrund von zytotoxischen Effekten auf die Produktionszelllinie und der Tendenz Aggregate zu bilden, in niedrigen Ausbeuten an aktivem Protein resultieren können. Der lebende Organismus kann durch die Verwendung von translationsaktiven Zelllysaten umgangen werden- die Grundlage der zellfreien Proteinsynthese. Zu Beginn der Arbeit wurde die ATP-abhängige Translation eines Lysates auf der Basis von kultivierten Insektenzellen (Sf21) analysiert. Für diesen Zweck wurde ein ATP-bindendes Aptamer eingesetzt, durch welches die Translation der Nanoluziferase reguliert werden konnte. Durch die dargestellte Applizierung von Aptameren, könnten diese zukünftig in zellfreien Systemen für die Visualisierung der Transkription und Translation eingesetzt werden, wodurch zum Beispiel komplexe Prozesse validiert werden können.
Neben der reinen Proteinherstellung können Faktoren wie posttranslationale Modifikationen sowie eine Integration in eine lipidische Membran essentiell für die Funktionalität des Membranproteins sein. Im zweiten Abschnitt konnte, im zellfreien Sf21-System, für den G-Protein-gekoppelten Rezeptor Endothelin B sowohl eine Integration in die endogen vorhandenen Endoplasmatisch Retikulum-basierten Membranstrukturen als auch Glykosylierungen, identifiziert werden.
Auf der Grundlage der erfolgreichen Synthese des ET-B-Rezeptors wurden verschiedene Methoden zur Fluoreszenzmarkierung des Adenosin-Rezeptors A2a (Adora2a) angewandt und optimiert. Im dritten Abschnitt wurde der Adora2a mit Hilfe einer vorbeladenen tRNA, welche an eine fluoreszierende Aminosäure gekoppelt war, im zellfreien Chinesischen Zwerghamster Ovarien (CHO)-System markiert. Zusätzlich konnte durch den Einsatz eines modifizierten tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paares eine nicht-kanonische Aminosäure an Position eines integrierten Amber-Stopcodon in die Polypeptidkette eingebaut und die funktionelle Gruppe im Anschluss an einen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden. Aufgrund des offenen Charakters eignen sich zellfreie Proteinsynthesesysteme besonders für eine Integration von exogenen Komponenten in den Translationsprozess. Mit Hilfe der Fluoreszenzmarkierung wurde eine ligandvermittelte Konformationsänderung im Adora2a über einen Biolumineszenz-Resonanzenergietransfer detektiert. Durch die Etablierung der Amber-Suppression wurde darüber hinaus das Hormon Erythropoetin pegyliert, wodurch Eigenschaften wie Stabilität und Halbwertszeit des Proteins verändert wurden.
Zu guter Letzt wurde ein neues tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paar auf Basis der Methanosarcina mazei Pyrrolysin-Synthetase etabliert, um das Repertoire an nicht-kanonischen Aminosäuren und den damit verbundenen Kopplungsreaktionen zu erweitern. Zusammenfassend wurden die Potenziale zellfreier Systeme in Bezug auf der Herstellung von komplexen Membranproteinen und der Charakterisierung dieser durch die Einbringung einer positionsspezifischen Fluoreszenzmarkierung verdeutlicht, wodurch neue Möglichkeiten für die Analyse und Funktionalisierung von komplexen Proteinen geschaffen wurden.