前言

大腸桿菌素(coliins)是由大腸桿菌產生的抗菌蛋白質。它通過物理損壞發揮細胞殺傷活性，這與大多數常規抗生素不同，大多數常規抗生素通過抑制蛋白質合成(如卡那霉素)、細胞壁生物合成(如青霉素)和DNA復制/修復(如環丙沙星)來抑制細菌生長。而且，大腸桿菌素可能對人類沒有毒性，因為它們的細胞毒性只對產生受體蛋白如BtuB、Cir、FhuA和OmpF的細菌有效，而這些受體蛋白不存在于人類細胞中。由于其的細胞殺傷活性，被認為是傳統抗生素的可行替代品。此外，大腸桿菌素存在多個結構域，通過將它們和其他細菌素結合，為設計新型的絞痛蛋白提供了靈活性。

因此，大腸桿菌素的進一步工程可能提供具有新功能和結構特性的新蛋白質，可用于控制細菌感染。有研究證明大腸桿菌素或許有能力殺死被稱為持久存留細胞的非生長細胞，這些細胞可以通過進入代謝休眠狀態在抗生素治療下存活。然而，大腸桿菌素的重組生產需要共同生產免疫蛋白來保護宿主細胞;否則，大腸桿菌素對宿主細胞是致命的。

傳統的基于細胞的合成方法受限于細胞生長、維護、污染等因素，特別是一些難表達的毒性蛋白。為了突破這些限制以及為高效蛋白質制備和研究提供更多選擇，無細胞蛋白表達技術應運而生。與活細胞系統相比，CFPS是一個更靈活、可控的實驗平臺，為研究人員提供了以下優勢：

1.開放的反應環境為新合成的蛋白質帶來了以前沒有的控制水平和設計自由度;

2.通過使用PCR產生的線性DNA模板，無細胞系統可以省去耗時的克隆步驟;

3.無細胞系統可以在沒有細胞的情況下產生有毒蛋白質。

今天小編和大家分享一篇發表在Synthetic Biology期刊上的文章“Rapid production and characterization of antimicrobialcolicins usingEscherichia coli-based cell-free protein synthesis(基于大腸桿菌的無細胞蛋白質合成法快速生產抗菌大腸桿菌素及其特性研究)"，旨在為大家介紹一種可以用于快速表達毒性蛋白的方法。

研究背景

無細胞蛋白質合成(CFPS)是一個很有前途的靈活表達和篩選酶的平臺。CFPS已被用于構建抗微生物肽庫，表征腸道菌素L50A和L50B，并鑒定Col E1質粒DNA產生的大腸桿菌素E1。CFPS還用于產生毒性蛋白質，如癌癥治療癌酶。

在這項研究中，作者使用基于大腸桿菌的CFPS系統，用于大腸桿菌素的快速合成和表征。研究報道，大腸桿菌素E1和E2能有效地清除藥物持久存留細胞。進一步證明了CFPS系統用于毒性蛋白質合成和表征的可行性，并為開發大腸桿菌素作為下一代抗菌藥物提供了新的平臺。

結果

1.“無細胞"提取物的制備

細胞裂解物使用超聲處理法從大腸桿菌BL21(DE3) Star菌株的培養物中制備。通過注射器過濾的方法從提取物中去除在離體制備過程中通過離心未分離的活細胞。并使用這種過濾方法得到的“無細胞"提取物來合成大腸桿菌素。

2.CFPS合成大腸桿菌素

研究人員合成了具有不同功能的不同類型大腸桿菌素，包括肽聚糖生物合成抑制的大腸桿菌素M、成孔的腸絞痛素Ia和E1以及核酸酶大腸桿菌素E2 。CFPS不受細胞活力限制，使研究人員能夠在沒有免疫蛋白的情況下產生高滴度的大腸桿菌素，使用CFPS的可溶性大腸桿菌素的產量是體內大腸桿菌素產量的10倍，通常約為24-28μg/ml。與耗時的克隆相比，研究選擇使用大腸桿菌素基因的線性DNA模板來更快地生產大腸桿菌素。通過增加PCR模板的量(與200 ng pCC1-cia質粒相比，200 ng Ia基因PCR產物)將Ia產量提高到與質粒模板Ia生產幾乎相似的水平。

圖1：無細胞大腸桿菌素合成

3.大腸桿菌素核酸酶E2通過不含免疫蛋白的CFPS合成

為了避免宿主細胞毒性，大腸桿菌素必須通過同源免疫蛋白與細胞毒性結構域的結合來阻斷。例如，大腸桿菌素E2作為DNA酶發揮作用，E2免疫蛋白在體內同一操縱子中共同產生。在沒有E2免疫蛋白的情況下，研究人員使用CFPS產生了260±10μg/ml的E2(圖1A)。結果表明，在不存在免疫蛋白的情況下，可以使用CFPS生產核酸酶E2大腸桿菌素，而不考慮合成的大腸桿菌素E2對DNA模板的降解。

圖2：E2免疫蛋白對DNA降解和無細胞E2產生的影響

4.無細胞合成的大腸桿菌素在細胞殺傷中具有活性

作者研究了未經純化的無細胞合成的大腸桿菌素的細胞殺傷活性。首先，使用不同濃度的大腸桿菌素E1進行細胞活力測試，以確定其適合濃度。暴露于250 ng/ml或更高濃度的大腸桿菌素E1后，我們沒有檢測到任何存活細胞(圖3A)。先前有報道稱，大腸桿菌素在1分鐘內迅速使99%以上的靶細胞失活。該研究觀察到無細胞合成的E1(750 ng/ml)僅暴露1分鐘就滅活了99.9%以上的細胞(圖3B)，證實了之前的研究，并且用E1處理的細胞培養物沒有顯示生長。而未經大腸桿菌素的培養物的細胞群(圖3B)和濁度(圖3C)增加。除了大腸桿菌素E1活性外，我們還觀察到在LB培養基中暴露于大腸桿菌素Ia和E2的樣品中的大量細胞死亡(圖3D)。這些結果表明，未經純化的無細胞合成大腸桿菌素是具有活性的，并在富培養基中快速滅活細胞。

圖3：無細胞合成絞痛蛋白的活性(將K361細胞暴露于無細胞合成的大腸桿菌素，未添加大腸桿菌素質粒作為對照組(No.Col)

5.大腸桿菌素在營養豐富和無營養條件下的活性比較

由于大腸桿菌素細胞殺傷機制會物理損傷靶細胞的內膜或切割核酸，研究評估了大腸桿菌素在非生長、無營養條件下對細胞的活性，以確定大腸桿菌素是否能提供優于抗生素的優勢，其中大多數抗生素只能殺死生長中的細胞。研究結果證實，大腸桿菌素的細胞毒性取決于靶細胞的代謝狀態，很可能是因為攝取需要能量。不同類型的腸絞痛蛋白的細胞殺傷活性可能不同，如果營養供應不能充分激發靶細胞，則可能降低細胞殺傷活性(圖3D、3E)。

6.不同濃度大腸桿菌素的細胞毒性比較

為了比較無細胞合成的絞痛蛋白之間的細胞毒性，我們評估了不同濃度大腸桿菌素處理后的細胞活力。細胞毒性實驗結果證實，在本研究其他地方使用的大腸桿菌素濃度(750 ng/ml)在很大細胞毒性范圍內，大腸桿菌素E1和E2具有高細胞毒性，但Ia沒有。此外，研究還證實了無細胞合成的大腸桿菌素E1的細胞毒性與體內產生的大腸桿菌素相當(圖4A、4B)。

圖4：不同濃度大腸桿菌素的細胞殺傷活性

7.大腸桿菌素E1和E2殺死持久存留細胞

由于腸絞痛蛋白E1和E2在0.85%NaCl和LB中殺死細胞(圖3D和E)，我們推斷這些腸絞痛蛋白可能有效殺死持久細胞，持久存留細胞是在應激條件下形成的休眠、非代謝細胞群。由于持久存留細胞不生長，即使沒有獲得耐藥性機制，它們對高濃度的抗生素也不敏感。研究結果表明大腸桿菌素可以以不同的持續狀態穿透靶細胞，并物理損傷內膜(通過E1)或降解DNA(通過E2)，這是抗生素無法實現的。大腸桿菌素的細胞殺傷活性可能使我們開發出控制不生長的持久存留細胞的新策略(圖5)。

圖5：大腸桿菌素除去持久存留細胞

總結

研究發現使用CFPS可以產生抗菌大腸桿菌素，并且無細胞合成的大腸桿菌素可以在不純化的情況下有效殺死靶細胞。CFPS能夠從線性DNA模板快速生產和表征大腸桿菌素，而不需要共同生產免疫蛋白。研究還發現大腸桿菌素E1和E2在無營養條件下表現出細胞殺傷作用，并除掉持久存留細胞。為利用大腸桿菌素作為強大的新工具來解決日益嚴重的抗菌耐藥性問題提供了機會。此外，本研究進一步證明了CFPS在生產有毒蛋白質方面的優勢，并擴展了CFPS平臺在高通量蛋白質合成和表征中的應用。