Issue
Korean Chemical Engineering Research,
Vol.60, No.3, 398-406, 2022
바이오접합과 자가결합을 이용한 박테리아 세포막의 위치 특이적 형광 표지
Site-specific Dye-labeling of the Bacterial Cell Surface by Bioconjugation and Self-assembly
그람음성균의 외막은 수많은 생물물리학적 및 생화학적 과정이 작용하여 생존력을 유지하도록 설계되어 있는 세포 환경의 가장 바깥 층이다. 세포공학의 발전으로 인해 박테리아의 막 환경을 변경하는 등 유전정보를 원하는 대로 조작 할 수 있게 되었고 이는 박테리아를 특정 목적에 적용시킬 수 있게 하였다. 그중 기능성 분자를 박테리아 외막에 표지 하는 세포 표면공학은 숙주세포가 특정 외부물질이나 자극에 반응하도록 유도하는 전략 중 하나이다. 기능성 펩타이 드 또는 단백질을 세포 표면에 표지하기 위한 방법으로 막 고정 모티프를 융합한 후 세포 내에서 발현하는 방법이 일 반적으로 사용되고 있지만 이는 박테리아 시스템에서 발현할 수 없는 외인성 단백질이나 크기가 큰 단백질에는 적용 할 수 없다는 한계점이 있다. 박테리아 외막의 구성요소에 자연적으로 존재하는 반응성 그룹과 기능성 물질을 화학접 합하는 방법도 있으나 필수 구성 요소의 비특이적 변형으로 인해 세포의 생장이 저해되는 경우가 많다. 본 연구에서는 비천연아미노산 또는 자가결합 도메인을 사용해 대장균의 세포 표면을 부위 특이적으로 형광 표지하는 두 가지의 접 근법을 수행하였다. 첫 번째 접근법은 화학선택적 반응성을 지닌 비천연아미노산이 삽입된 펩타이드를 대장균 표면에 발현하여 위치 특이적으로 형광염료를 접합시키는 방법이다. 두 번째 접근법은 자가결합능력을 지닌 이종 이량체 코 일-코일에서 유래된 α-나선 도메인을 대장균 외막에 발현하고 녹색 형광 단백질이 융합된 상보적인 α-나선 도메인을 막 표면에 특이적으로 고정하는 방법이다. 제시된 방법들은 위치와 시간이 제어된 방식으로 박테리아 외막에 새로운 기능을 부여하는 방법론으로서 유용하다.
The outer membrane of Gram-negative bacteria is the outermost layer of cellular environment in which numerous biophysical and biochemical processes are in action sustaining viability. Advances in cell engineering enable modification of bacterial genetic information that subsequently alters membrane physiology to adapt bacteria to specific purposes. Surface display of a functional molecule on the outer membranes is one of strategies that directs host cells to respond to a specific extracellular matter or stimulus. While intracellular expression of a functional peptide or protein fused to a membrane-anchoring motif is commonly practiced for surface display, the method is not readily applicable to exogenous or large proteins inexpressible in bacteria. Chemical conjugation at reactive groups naturally occurring on the membrane might be an alternative, but often compromises fitness due to non-specific modification of essential components. Herein, we demonstrated two distinct approaches that enable site-specific decoration of the outer membrane with a fluorescent agent in Escherichia coli. An unnatural amino acid genetically incorporated in a surface-exposed peptide could act as a chemoselective handle for bioorthogonal dye labeling. A surface-displayed α-helical domain originating from a part of a selected heterodimeric coiled-coil complex could recruit and anchor a green fluorescent protein tagged with a complementary α-helical domain to the membrane surface in a site- and hetero-specific manner. These methods hold a promise as ondemand tools to confer new functionalities on the bacterial membranes.
[References]
  1. Read TD, Massey RC, Genome Med., 6(11), 109, 2014
  2. Qing G, Gong N, Chen X, Chen J, Zhang H, Wang Y, Wang R, Zhang S, Zhang Z, Zhao X, Luo Y, Liang XJ, Biophys. Rep., 5(4), 184, 2019
  3. van Bloois E, Winter RT, Kolmar H, Fraaije MW, Trends Biotechnol., 29(2), 79, 2011
  4. Kechagia JZ, Ivaska J, Roca-Cusachs P, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 20(8), 457, 2019
  5. Patel DS, Qi Y, Im W, Curr. Opin. Struct. Biol., 43, 131, 2017
  6. Varki A, Glycobiology, 27(1), 3, 2017
  7. Bond PJ, Sansom MSP, Mol. Membr. Biol., 21(3), 151, 2004
  8. Sousa C, Cebolla A, de Lorenzo V, Nat. Biotechnol., 14(8), 1017, 1996
  9. Jo JH, Han CW, Kim SH, Kwon HJ, Lee HH, J. Microbiol., 52(10), 856, 2014
  10. Jose J, Appl. Microbiol. Biotechnol., 69(6), 607, 2006
  11. Nicchi S, Giuliani M, Giusti F, Pancotto L, Maione D, Delany I, Galeotti CL, Brettoni C, Microb. Cell Fact., 20(1), 33, 2021
  12. Kang SM, Rhee JK, Kim EJ, Han KH, Oh JW, Fems Microbiol. Lett, 226(2), 347, 2003
  13. Fasehee H, Rostami A, Ramezani F, Ahmadian G, AMB Express, 8(1), 107, 2018
  14. Weon BHWC, Jan K, Ashok M, Wilfred C, Appl. Environ. Microbiol., 69(6), 3176, 2003
  15. Bi X, Yin J, Chen CA, Liu CF, Chem.-Eur. J., 24(32), 8042, 2018
  16. Hsiao SC, Shum BJ, Onoe H, Douglas ES, Gartner ZJ, Mathies RA, Bertozzi CR, Francis MB, Langmuir, 25(12), 6985, 2009
  17. Bi X, Yin J, Chen GA, Liu CF, Chem.-Eur. J., 24(32), 8042, 2018
  18. Noren CJ, Anthony-Cahill SJ, Griffith MC, Schultz PG, Science, 244(4901), 182, 1989
  19. Kobayashi T, Nureki O, Ishitani R, Yaremchuk A, Tukalo M, Cusack S, Sakamoto K, Yokoyama S, Nat. Struct. Mol. Biol., 10(6), 425, 2003
  20. Wang L, Xie J, Deniz AA, Schultz PG, J. Org. Chem., 68(1), 174, 2003
  21. Mehl RA, Anderson JC, Santoro SW, Wang L, Martin AB, King DS, Horn DM, Schultz PG, J. Am. Chem. Soc., 125(4), 935, 2003
  22. Utterström J, Naeimipour S, Selegård R, Aili D, Adv. Drug Deliv. Rev., 170, 26, 2021
  23. Walavalkar NM, Gordon N, Williams DC, J. Biol. Chem., 288(5), 3419, 2013
  24. Gnanapragasam MN, Scarsdale JN, Amaya ML, Webb HD, Desai MA, Walavalkar NM, Wang SZ, Zu ZS, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 108(18), 7487, 2011
  25. Kruis IC, Löwik DWPM, Boelens WC, van Hest JCM, Pruijn GJM, Analyst, 141(18), 5321, 2016
  26. Paloni JM, Olsen BD, ACS Appl. Polym. Mater., 2(3), 1114, 2020
  27. Ou B, Yang Y, Tham WL, Chen L, Guo J, Zhu G, Appl. Microbiol. Biotechnol., 100(20), 8693, 2016
  28. Chin JW, Santoro SW, Martin AB, King DS, Wang L, Schultz PG, J. Am. Chem. Soc., 124(31), 9026, 2002
  29. Lutz JF, Angew. Chem.-Int. Edit., 46(7), 1018, 2007
  30. Lim SI, Hahn YS, Kwon I, J. Control. Release, 207, 93, 2015
  31. Lim SI, Mizuta Y, Takasu A, Hahn YS, Kim YH, Kwon I, J. Control. Release, 170(2), 219, 2013
  32. Maruani A, Smith MEB, Miranda E, Chester KA, Chudasama V, Caddick S, Nat. Commun., 6(1), 6645, 2015
  33. Park SH, Zheng JH, Nguyen VH, Jiang SN, Kim DY, Szardenings M, Min JH, Hong Y, Choy HE, Min JJ, Theranostics, 6(10), 1672, 2016
  34. Ali S, Kjeken R, Niederlaender C, Markey G, Saunders TS, Oncologist, 25(2), e321, 2020