Name: light-driven enzymatic decarboxylation
Uploaded: 2016-05-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 58 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Light-driven Enzymatic Decarboxylation at JoVE.com

R.K. and F.H. are grateful for the EU-commision for financial support within the Marie-Sklodowska ITN Biocascades (Nr. 634200).

זהירות: יש להתייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים רלוונטיים (MSDS) לפני השימוש. כמה כימיקלים המשמשים סינתזות אלה בחריפות רעילים ומסרטנים. כל הצעדים מעורבים ממיסים אורגניים מזיקים, במיוחד החילוץ של תוצרי התגובה ואת derivatization של חומצות שומן חייב להתבצע תחת במנדף שימוש בציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות, חלוק, מכנסיים באורך מלא, נעליים סגורות ). כל הפעולות הכרוכות אורגניזמים מהונדסים גנטית בעבודה זו דורשת התקנות שאושרו לטיפול של אורגניזמים מהונדסים גנטית של S1 בטיחות ברמה. 1. הביטוי של JE רקומביננטי decarboxylase OleT ב E. coli <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנה של זן הייצור <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן גן סינתטי של OleT JE מ Jeotgalicoccus ו משובטים לתוך וקטור ביטוי Pask-IBA37plus כמתואר. 8 </sup&gt; הערה: כדי למנוע השפלה של חומצות שומן על ידי אנזימים מן מטבוליזם בקטריאלי, E. coli זן JW5020 מאוסף Keio עם מסלול מתפקד שפלת חומצות שומן היה בשימוש. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טיפוח ואינדוקצית ביטוי אנזים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן-תרבות מראש על ידי לחסן את E. coli JW5020 OleT מוטציה מהצלחת LB-(המכיל 100 מיקרוגרם מ&quot;ל -1 אמפיצילין) בשני 3 מ&quot;ל LB-בינוני במבחנות. אמפיצילין פיפטה (100 מיקרוגרם מ&quot;ל -1) מפתרון המניות לתוך המדיום לבחירה לדגור על 37 מעלות צלזיוס למשך 15 שעות בתוך חממה רועד ב 180 סל&quot;ד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הוסף 2 מ&quot;ל של תרבויות-מראש לשני 200 מ&quot;ל LB-בינוני, אמפיצילין המכיל (100 מיקרוגרם מ&quot;ל -1), צלוחיות שייק 1 L. הדגירה ממשיכה ב 37 מעלות צלזיוס, 180 סל&quot;ד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפקח על שינוי 600nm OD לאחר החיסון. כאשר OD 600 מגיע לערך בין 0.6ד 0.8 להשרות את הביטוי על ידי הוספת טטרציקלין (0.2 מיקרוגרם מ&quot;ל -1). דגירת התרבויות במשך 15 שעות בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, 180 סל&quot;ד. הערה: מאז OleT JE מכיל פקטור heme, תוספת של δ-אמינו חומצה levulinic (0.5 מ&quot;מ) לפני אינדוקציה שצריך כדי לספק תרבות עם מבשר לסינתזה פקטור. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תמוגה Cell <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבצע את הפעולות הבאות על קרח. מעביר את התרבויות באמצעות אחסון או pipetting לתוך צינורות צנטריפוגות ולהשתמש סולם כדי להבטיח חלוקה שווה. צנטריפוגה התרבויות במשך 20 דקות ב XG 12,000 ב 4 ° C.. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בזהירות להתעלמות supernatant ו resuspend את כדורי ב 50 מ&quot;ל חיץ (טריס 50 מ&quot;מ, 200 מ&quot;מ NaCl, pH 7.5) על ידי pipetting ולהעביר את ההשעיה בתוך שפופרת צנטריפוגות חרוטי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר צנטריפוגה במשך 15 דקות ב 4000 XG ב 4 ° C וזורקים supernatant, resuspend כל גלולה ב 3 מ&quot;ל חיץ ידי pipetting. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצע תמוגה התא על ידי כךnicating פתרונות על קרח (שלושה המחזורים x 30 שניות) עוזבים הפסקת דקות 1 בין המחזורים. צנטריפוגה הפתרונות במשך 20 דקות ב 15,000 XG ב 4 ° C כדי להסיר פסולת התא ולהעביר את supernatant לתוך צינור צנטריפוגה חרוטי מבלי להפריע גלולה ידי pipetting. וזורק את הכדור. הערה: חלק ממס אחת ישמש ישירות Biocatalysis לאחר מולקולות קטנות יוסרו. השבר השני ישמש טיהור של JE OleT שלו מתויג. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסרת מולקולות קטנות של תמציות תא <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפני השימוש בתמצית הגולמית Biocatalysis להסיר מולקולות קטנות אשר עלול להפריע לתהליך היווצרות מי חמצן או העברת אלקטרונים על ידי pipetting 3 מיליליטר של תמצית תא ללא ליחידת מסנן צנטריפוגות עם קרום צנטריפוגות 10 kDa ב 4000 XG ב 4 מעלות צלזיוס. Resuspend החלבון שנותרו 3 מ&quot;ל טריס-HCl חיץ. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טיהור OleT </strong&gt; <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל 3 מ&quot;ל של תמצית התא השני לעמודות ספין Ni-נ.ת.ע פור שלו, אשר כבר equilibrated לפני עם חיץ איזון (טריס 20 מ&quot;מ, NaCl 300 מ&quot;מ, 10 מ&quot;מ imidazole). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותם את העמודות עם האטם התחתון וכובעים-בורג עליונים ולנער אותם קל עד השרף מחולק באופן שווה עם תמצית התא ללא. דגירת העמודות נטענות במשך 30 דקות בתוך שייקר תקורה ב 4 ° C.. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שטפו את העמודות עם 1 מ&quot;ל של חיץ כביסה (טריס 20 מ&quot;מ, NaCl 300 מ&quot;מ, 20 מ&quot;מ imidazole, pH 7.4) על ידי צנטריפוגה ב XG 700 במשך 2 דקות. חזור על פעולה זו פעמיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את עמודות לתוך צינור צנטריפוגה חרוטי טרי ולהוסיף 1 מ&quot;ל של חיץ elution (טריס 20 מ&quot;מ, NaCl 300 מ&quot;מ, 250 מ&quot;מ imidazole, pH 7.4) OleT י&quot;א. צנטריפוגה ב XG 700 במשך 2 דקות וחזור על שלב זה פעמיים. הערה: Imidazole יהיה לאגד ניקל ובכך להסיר OleT JE מהעמודה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מעבירים את elution ליחידה מסנן צנטריפוגות (10 ממ kDaטאי טען כי) ו צנטריפוגות ב 4000 XG ב 4 ° C כדי להסיר imidazole. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את הטוהר של האנזים על ידי SDS-PAGE (15%). 9 מערבבים 3 μl של elution עם (1x הריכוז הסופי) SDS-חיץ דגירה הפתרון על 95 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות עבור denaturation. בהמשך להחיל את הסכום הכולל על SDS-PAGE. הפעל את הג&#39;ל על 35 מילי-אמפר שימוש בתקן חלבון מסחרי. זיהוי החלבון ב 50 kDa. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לקבוע את ריכוז החלבון להשתמש-kit BSA מסחרי זמין. פיפטה 50 μl של דגימות חלבון מדולל (1: 100, 1: 200, 1: 500) ורמת BSA (0, 20, 30, 40,50, 60, 80, 100 מ&quot;ג מ&quot;ל -1) בצלחת 96-היטב . הוסף 200 μl של מגיב ברדפורד, למדוד את הספיגה ב 595 ננומטר לאחר 15 דקות עם fluorimeter ולחשב ריכוזים באמצעות עקומת הסטנדרט. </li></ol></li></ol> 2. biotransformation אור-catalyzed <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תגובות biocatalytic ללא תוספת מי חמצן<ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן פתרון 10 מיליליטר מלאה של 10 מ&quot;מ חומצה סטארית (M r 284.5 גרם mol -1) על ידי הוספת 10% (v / v) tergitol וחומצת 0.0284 גרם סטארית למים מזוקקים. מחמם את הפתרון בתא חימום עד 60 מעלות צלזיוס עד חומצת השומן נמסה לגמרי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Biocatalysis ודגימה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכינו שתי 2 מ&quot;ל תערובות התגובה המכיל 50 mM EDTA, 0.01 מ&quot;מ FMN, 0.5 חומצה סטארית מ&quot;מ טריס-HCl חיץ. הוספת בר בחישה מגנטית לאספקת חמצן מספיק והמקום צינורות זכוכית באמבט מים, מחומם ל -25 מעלות צלזיוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הוספת 200 מיקרוגרם מ&quot;ל -1 של האנזים מטוהרים או 10% (v / v) תמצית התא ללא כל של תערובות התגובה ולהאיר אותם עם נורת זכוכית שקופה (120 W) במרחק 15 ס&quot;מ של צינורות התגובה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח 200 דגימות μl בנקודות זמן מסוימות (0, 10, 30, 60 ו -120 דקות ושוב ללילה) לעצור את התגובה עם 20 μl 37% HCl. הוסף 5 μl חומצה myristic (המניה 10 מ&quot;מ כךlution) כסטנדרט פנימי. </li></ol></li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ניתוח של תוצרי התגובה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפקת להוסיף אתיל אצטט 500 μl על דגימות פעמיים, להפוך את הצינורות צנטריפוגות דקות 1 ב 13,000 x ז. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תוריד 400 μl של supernatant ולתת ממס להתאדות לגמרי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Derivatize חומצות קרבוקסיליות לחומצה trimethylsilylcarboxylic על ידי הוספת 200 μl N -methyl- N - (trimethylsilyl) trifluoro acetamide (MSTFA). דגירת הפתרון על 60 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות כדי להמיר קבוצות הידרוקסיל כדי trimethylsilyl אתרים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קביעת ההמרה על ידי GC / FID הערה: בדוק את היווצרות של 1-heptadecene (RT: 8.34 דק &#39;), חומצה סטארית α- ו β-הידרוקסי (RT: 12.05 ו 12.1 דקות) וירידה של המצע (RT: 11.15 דק&#39;) באמצעות GC / FID. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את פרופיל הטמפרטורה מתואר להלן להגדיר את טמפרטורת ההזרקה 340 מעלות צלזיוס. לְהַחזִיקאת טמפרטורת התנור הראשונית היא ב -90 מעלות צלזיוס במשך 3.5 דקות ולאחר מכן להגדיל עם 45 מעלות צלזיוס דקות -1. ב 220 מעלות צלזיוס, להחזיק את הטמפרטורה במשך 2 דקות. לאחר עלייה חוזרת של 45 ° C דקות -1, להחזיק את הטמפרטורה ב 280 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות ולאחר מכן להגדיל עם 60 מעלות צלזיוס דקות -1. הערה: טמפרטורה מרבית של 330 ° C הוא מוחזק 1.44 min. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להזריק 4 μl של המדגם, עם יחס הפיצול של 5 כדי לקבל volatilization מהירה ערבוב הומוגני עם הליום גז המוביל. הערה: תלות טמפרטורת הגדלת המצע והמוצרים ייכנסו שלב הגז. החומרים מזוהים על ידי גלאי GC / FID לאחר שעבר את הטור פעמי שמירה ספציפיות מוצגים כמו פסגות על המסך. לצפות את היווצרות שיא בצג. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חשב את הריכוז של המוצר שנוצר על פי הנוסחה הבאה: <img alt="משוואה 1" src="/files/ftp_upload/53439/53439eq1.jpg"/&gt; הערה: הגורם הכיול נקבע במיוחד עבור עמודה זו עבור כל מצע מוצר על ידי חישוב עקום הסטנדרט מן לסכומים ידועים של חומרי derivatized ואזור השיא המקביל שלהם. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לזהות פסגות חומצה אולפינים ו β-הידרוקסי ידי GC / MS. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לזהות פסגות חומצה אולפינים ו β-הידרוקסי ידי GC / MS. הגדר את פרופיל הטמפרטורה. הגדר את הטמפרטורה הזרקת 250 מעלות צלזיוס. החזק את הטמפרטורה בתנור ב 100 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ולאחר מכן להגדיל עם 20 מעלות צלזיוס דקות -1. הערה: טמפרטורה מרבית מוחזק עבור 7.5 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הטמפרטורה גלאי ספקטרומטר מסה עד 250 ° C ו לסרוק 50 עד 500 מ &#39;/ z במצב השפעה אלקטרונים. הערה: יינון השפעה אלקטרונים מסירה אלקטרון בודד וכתוצאה מכך היווצרות של קטיון רדיקלי אשר יועברו קדימה לניתוח המוני. בשל קשרי קוולנטיים אנרגית intramolar גבוהים בתוךהפסקת מולקולת יצירה שברי m / z הנמוך. שברים אלה יוצרים טביעת אצבע ספציפית חומר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להזריק 1 μl של המדגם. זיהוי 1-Heptadecene לאחר זמן שמירה 11.4 דקות על ידי טביעת האצבע המקבילה (איור 2). </li></ol></li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Kourist, R., Dom&#236;nguez de Mar&#236;a, P., Miyamoto, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biocatalytic+strategies+for+the+asymmetric+synthesis+of+profens+-+recent+trends+and+developments.">Biocatalytic strategies for the asymmetric synthesis of profens - recent trends and developments.</a> Green Chem. , 2607-2618 (2011).</li><li>Holtmann, D., Fraaije, M. W., Arends, I. W., Opperman, D. J., Hollmann, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+taming+of+oxygen:+biocatalytic+oxyfunctionalisations.">The taming of oxygen: biocatalytic oxyfunctionalisations.</a> Chemical Comm. 50, 13180-13200 (2014).</li><li>Churakova, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specific+photobiocatalytic+oxyfunctionalization+reactions.">Specific photobiocatalytic oxyfunctionalization reactions.</a> Ang. Chem. In. Ed. 123, 10904-10907 (2011).</li><li>Hollmann, F., Arends, I., Buehler, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biocatalytic+Redox+Reactions+for+Organic+Synthesis:+Nonconventional+Regeneration+Methods.">Biocatalytic Redox Reactions for Organic Synthesis: Nonconventional Regeneration Methods.</a> ChemCatChem. 2, 762-782 (2010).</li><li>Girhard, M., Kunigk, E., Tihovsky, S., Shumyantseva, V. V., Urlacher, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-driven+biocatalysis+with+cytochrome+P450+peroxygenases.">Light-driven biocatalysis with cytochrome P450 peroxygenases.</a> Biotechnol. Appl. Biochem. 60, 111-118 (2013).</li><li>Bartsch, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photosynthetic+production+of+enantioselective+biocatalysts.">Photosynthetic production of enantioselective biocatalysts.</a> Microb. Cell. Fact. 14, 53 (2015).</li><li>Rude, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Terminal+olefin+(1-alkene)+biosynthesis+by+a+novel+P450+fatty+acid+decarboxylase+from+Jeotgalicoccus+species.">Terminal olefin (1-alkene) biosynthesis by a novel P450 fatty acid decarboxylase from Jeotgalicoccus species.</a> Appl. Environ. Microbiol. 77, 1718-1727 (2011).</li><li>Zachos, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photobiocatalytic+decarboxylation+for+olefin+synthesis.">Photobiocatalytic decarboxylation for olefin synthesis.</a> Chem. Comm. 51, 1918-1921 (2015).</li><li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+peroxide-independent+production+of+&#945;-alkenes+by+OleTJE+P450+fatty+acid+decarboxylase.">Hydrogen peroxide-independent production of &#945;-alkenes by OleTJE P450 fatty acid decarboxylase.</a> Biotechnol. Biofuels. 7, 28 (2014).</li><li>Perez, D. I., Grau, M. M., Arends, I. W., Hollmann, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visible+light-driven+and+chloroperoxidase-catalyzed+oxygenation+reactions.">Visible light-driven and chloroperoxidase-catalyzed oxygenation reactions.</a> Chem. Comm. 40 (44), 6848-6850 (2009).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

דור מונחים-האור של מי חמצן יכול להיות מיושם עבור טרנספורמציות חיזור טווח, כולל peroxygenases 3, chloroperoxidases 10 ו P450 monooxygenases 5. זוהי גישה קלה מבחינה מעשית. בטווח הארוך, את השימוש של אור הנראה פותח המבט לנצל את אור שמש טרנספורמציות כימיות, המהווה חלופה בת קיימא לתגובות אנרגיה עשירה. השיטה ישימה עם אנזים מטוהר או עם תמצית תא ללא. בעוד שהאחרון דורש פחות עלות ועבודה, יש לציין כי מולקולות קטנות בקטע הגולמי עלולות להפריע המרה היה זרז האור. גישה מעשית היא להסיר רכיבים קטנים אלה עם micromembrane (כלומר, על ידי צנטריפוגה ביחידה מסננת צנטריפוגלי או על ידי דיאליזה). ריכוז של המולקולה אור-קציר FMN קובע את הריכוז של מי חמצן. בהתאם affinity של oxidoreductase, ריכוז זה יש משקל מכריע הפעילות האנזימטית. גורם חשוב נוסף הוא הריכוז של EDTA תורם אלקטרון ההקרבה. הפרמטר החשוב ביותר, לעומת זאת, הוא היציבות התפעולית הפעילות של האנזים. Olefinization של חומצות שומן הוא תגובה אלגנטית עבור ההמרה של חומצות שומן ביו המבוסס לתוך אולפינים ששייכים הסחורות הגדולות לתעשייה הכימית. Decarboxylation biocatalytic מונחה האור יכול להתבצע בטמפרטורת החדר ב- pH נייטרלי, אשר מציעה יתרונות ברורים במונחים של אחריות סביבתית. התוצאות שלנו מראות כי בדור באתרו של מי חמצן היא אסטרטגיה לספק את הפקטור מבלי לפגוע ביציבות אנזים, אשר מוביל להמרה גבוהה. שיטות הווה להתחדשות פקטור להשתמש במוצרים חקלאיים או כימיקלים מבוססי נפט. אור מונע תגובות הם מתעוררים כמו אלטרנטיבה מתחדשת. עתידמחקר יוקדש שיטות ההחלפה של EDTA מגיב ההקרבה ידי מולקולות זולות כדי להפחית את הכמות של FMN המולקולה-קציר אור.

השינוי באקלים ואת הדלדול הנראה לעין של משאבים מתחדשים מהווים איום רציני על החברה שלנו. בהקשר זה, קטליזה אנזים מייצג פוטנציאל עדיין לא מנוצל במלואו לפיתוח בר קיימא &quot;ירוקה&quot; כימית 1. Oxidoreductases יש את היכולת לזרז את כניסתה ושינוי של קבוצות פונקציונליות בתנאי תגובות עדינים שייכים biocatalysts החשוב ביותר 2. רוב טרנספורמציות החיזור דורשות האספקה ​​החיצונית של קו-פקטורים כגון NAD (P) H. שיטות התחדשות פקטור יושמו בקנה מידה תעשייתי. עם זאת, הם עדיין לגרום עלויות גבוהות תהליך, אשר מגבילות את בקשתם בעיקר למוצרים בעלי ערך גבוה. מעניין, כמה peroxidases 3,4 ו monooxygenases P450 5 לקבל אלקטרונים מן מי חמצן דרך המחלף מי שנקרא. בעוד H 2 O 2 הוא שיתוף מגיב זול, זה הוא מדווח harmful עבור אנזימים רבים. יציב במבנה באתרו ריכוזים נמוכים של של מי חמצן הוא גישה מעשית לנהוג התגובה מבלי לפגוע היציבות התפעולית של אנזים. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/53439/53439fig1.jpg" /> איור 1. ניסיוני הגדרה של decarboxylation photobiocatalytic חומצות שומן על ידי OleT JE. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53439/53439fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> השימוש באור כמקור אנרגיה עבור תהליכים כימיים וביולוגיים כבר מושך תשומת לב גוברת בשנים האחרונות 6. אור מונחה הדור של מי חמצן התפתח שיטה קלה חזקה כדי לספק חמצן עבור טרנספורמציות חיזור (איור 1). Photocatalyst כגון פלבין אדנין mononucleotide (FMN) מאפשרת הסרה של חמצן מולקולרי למי חמצן, אשר לאחר מכן משמש פקטור עבור התגובה oxyfunctionalization האנזימטית. תורם אלקטרונים אפשריים הם חומצת ethylenediaminetetraacetic (EDTA), ascorbate או formiate הזול. השיטה ישימה בדרך כלל H 2 O 2 אנזימים תלויים, כולל peroxidases 3,4 ו P450 monooxygenases 5. חקרנו לאחרונה היישום של decarboxylase חיידקי הרומן 7 עבור הטרנספורמציה של שומנים טבעיים לתוך אולפינים 8. זה יהיה מסלול קיימא לסינתזה של כימיקלי פלטפורמה בשימוש נרחב ממקור ביו מבוסס. Decarboxylase OleT JE מן sp Jeotgalicoccus חיידק חיובי גרם. מזרז את חמצוני decarboxylation של חומצות שומן ויוצר 1-אלקנים כמוצרים. OleT JE קשורה קשר הדוק monooxygenases P450 חיידקים ועליו אלקטרוני from מי חמצן עבור התגובה. למרבה הצער, תוספת של H 2 O 2 פתרון של מצע אנזים שהסתיימה בהמרות נמוכות שחזור עניים של התוצאות, ככל הנראה עקב השפעה מזיקה של מי חמצן על יציבות OleT י&quot;א. דור של חלבון היתוך עם רדוקטאז NADPH RhFred עשה NADPH התלוי decarboxylation אפשרי. 9 עם זאת, המחיר הגבוה של NADPH והאפשרויות המוגבלות עבור התחדשות וחסכונית מתבקשים לנו לחקור תורמי אלקטרונים זולים. בהשראת הדמיון של OleT JE עם monooxygenases P450, השתמשנו דור אור היה הזרז של H 2 O 2. שמחנו לקבל המרות גבוהות (עד&gt; 95%) באמצעות תמציות תא חינם או פתרונות אנזים מטוהרים. עם הדוגמא של decarboxylation חומצות שומן, אנו מציגים פרוטוקול כללי enzym מונחים-אורטרנספורמציות חיזור atic באמצעות FMN כמו מי photocatalyst ומימן כמו-פקטור. השיטות שהוצגו כוללים את הייצור של האנזים בתא רקומביננטי של E. coli, טיהור של האנזים, היישום לסינתזה של 1-אלקנים ועל הניתוח של תוצרי התגובה.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Chemicals&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ampicillin</td><td>Sigma Aldrich</td><td>69-52-3</td><td></td></tr><tr><td>Bradford reagent</td><td>Roth</td><td>K015.1</td><td></td></tr><tr><td>BSA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>90604-29-8</td><td></td></tr><tr><td>DMSO</td><td>Sigma Aldrich</td><td>67-68-5</td><td></td></tr><tr><td>Ethyl acetate</td><td>Fisher Chemical</td><td>141-78-6</td><td></td></tr><tr><td>Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA)</td><td>Roth</td><td>8043.1</td><td></td></tr><tr><td>Riboflavin 5-monophosphate sodium salt hydrate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>130-40-5</td><td></td></tr><tr><td>Hydrochlorid acid 37%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>7647-01-0</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen peroxide 30%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>7722-84-1</td><td></td></tr><tr><td>&amp;delta;-Amino levulinic acid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>5451-09-2</td><td></td></tr><tr><td>&lt;em&gt;N&lt;/em&gt;-Methyl-&lt;em&gt;N&lt;/em&gt;-(Trimethylsilyl)trifluoro acetamide (MSTFA)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>24589-78-4</td><td></td></tr><tr><td>Myristic acid &gt;99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>208-875-2&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Imidazole</td><td>Sigma Aldrich</td><td>288-32-4</td><td></td></tr><tr><td>Sodium chloride</td><td>Fisher Chemical</td><td>7647-14-5</td><td></td></tr><tr><td>Stearic acid &gt;99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>57-11-4</td><td></td></tr><tr><td>Tetracycline</td><td>Sigma Aldrich</td><td>60-54-8&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Tergitol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>MFCD01779855&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Tris(hydroxymethyl)-aminomethan</td><td>Sigma Aldrich</td><td>77-86-1</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Device&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Incubator shaker</td><td>G-25CK</td><td>New Brunswick Scientific</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Ecotron</td><td>Infors HT</td><td></td></tr><tr><td>Centrifugation</td><td>Labofuge 400R</td><td>Heraeus</td><td></td></tr><tr><td></td><td>RC 5B Plus</td><td>Sorvall</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Fresco 17</td><td>Thermo Scientific</td><td></td></tr><tr><td>Centrifugation rotors</td><td>SS34</td><td>Sorvall</td><td></td></tr><tr><td></td><td>SLA</td><td>Sorvall</td><td></td></tr><tr><td>Clean bench</td><td>Envirco</td><td>Ceag Schirp Reinraum technik</td><td></td></tr><tr><td>Column GC-FID&amp;nbsp;</td><td>CP-Sil 5CB (30 m x 0.25&amp;nbsp;mm x 0.25 &amp;micro;m)&amp;nbsp;</td><td>Agilent Technologies</td><td></td></tr><tr><td>Column GC-MS</td><td>FactorFour Capillary Coloumn (VF-5 ms + 5 m EZ Guard)&amp;nbsp;</td><td>Varian</td><td></td></tr><tr><td>GC-FID</td><td>GC-2010 plus</td><td>Shimadzu</td><td></td></tr><tr><td>GC-MS</td><td>IST-40</td><td>Varian</td><td></td></tr><tr><td>Magnetic stirrer</td><td>RCT classic</td><td>IKA</td><td></td></tr><tr><td>pH meter</td><td>SevenEasy</td><td>Mettler toledo</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson Sonifier 250</td><td>Branson</td><td></td></tr><tr><td>Spectral photometer</td><td>FLUOstar Omega</td><td>BMG Labtech</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Affinity chromatography column</td><td>His Pur Ni-NTA spin column</td><td>Thermo Scientific</td><td></td></tr><tr><td>Centricon</td><td>Vivaspin turbo 15</td><td>VWR International</td><td></td></tr><tr><td>Microtiter plates</td><td>96 Well Multiply&amp;reg;PCR Plates</td><td>Sarstedt</td><td></td></tr></tbody></table>

light-driven enzymatic decarboxylation

Oxidoreductases שייך האנזימים התעשייתיים ביותר להחיל. אף על פי כן, הם צריכים אלקטרונים חיצוניים אשר מספק בדרך כלל יקר ומאתגר. מחזור של NADH תורם אלקטרונים או NADPH מחייב השימוש של אנזימים נוספים מצעי הקרבה. מעניין, כמה oxidoreductases לקבל חמצן כתורם אלקטרונים. בעת היותו זול, מגיב זה לעתים קרובות מקטין את היציבות של אנזימים. פתרון לבעיה זו הוא הדור באתרו של הפקטור. האספקה ​​הרציפה של הפקטור בריכוז נמוך שמניעה את התגובה מבלי לפגוע ביציבות אנזים. מסמך זה מדגים שיטה לייצור האור-catalyzed באתרו של מי חמצן עם הדוגמא של decarboxylase חומצת שומן תלוי heme OleT י&quot;א. Decarboxylase חומצות שומן OleT JE התגלה בשל היכולת הייחודית שלנו להפיק 1-אלקנים ארוכי שרשרת מחומצות שומן, אנזימטי עד כה לא ידועתְגוּבָה. 1-אלקנים משמשים תוספים נרחבים plasticizers וחומרי סיכה. OleT JE הוכח לקבל אלקטרונים מן מי חמצן עבור decarboxylation חמצוני. בעוד תוספת של נזקים מי חמצן האנזים וכתוצאה מכך תשואות נמוכות, בדור באתרו של פקטור עוקף את הבעיה הזאת. מערכת photobiocatalytic תערוכות יתרונות ברורים לגבי פעילות אנזים ואת התשואה, וכתוצאה מכך מערכת פשוטה ויעילה עבור decarboxylation חומצות שומן.

<html> בעוד התוספת של מי חמצן לתערובת התגובה הביאה נמוך עד בינוני מרות (&lt;10%), בדור באתרו של מי חמצן מוגבר ההמרה עד מרת 80%. ניתוח על פי GC / MS מציג את ההיווצרות של אולפינים מחומצות שומן (איור 2). <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/53439/53439fig2.jpg" /> איור 2. (א) פרופיל טמפרטורה למדידות GC / MS. (ב) טביעות אצבע של משחררי 1-heptadecene אחרי 11.4 דקות. (C) יונים שבר מאפיין משני C n H 2n-1 של למופת אולפינים מסוף המוצגים עבור 1-heptadecene. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53439/53439fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> -together.within-page = &quot;1&quot;&gt; תגובת האור-catalyzed השיגה המרות גבוהות עם תמציות ללא תאים של E. coli. פתרון אנזים מטוהר הראה מתאם ברור בין ריכוז אנזים ומר. הגדלת הריכוז של עופרת FMN מולקולת אור-קציר להמרות גבוהה. עם זאת, להגדיל את הריכוז מעל 10 מ&quot;מ לא נוספת להאיץ את התגובות, המציין את כמות מי חמצן זמין מספיק כבר לא הגורם המגביל. בנוסף decarboxylation של חומצות שומן, OleT JE גם מזרז hydroxylation in-העמדה β. המרה של חומצה סטארית, את decarboxylation הוא מהיר בערך פי שלושה מאשר hydroxylation. בניסוי טיפוסי באמצעות פתרון של חומצה סטארית 0.5 מ&quot;מ ו 10 מיקרומטר FMN, 99% של המצע הוסבו תערובת של 1-heptadecene וחומצה 2-hydroxystearic עם יחס של3.3: 1 (איור 3) 8. מבדיקה של הספקטרום המצע של Biocatalysis מונחי-האור הראו כי חומצות שומן עם שרשראות acyl עוד, OleT JE מועדף מזרז את decarboxylation, בעוד הכמות היחסית של חומצות שומן הידרוקסיל בתערובת המוצר גדל עם אורך שרשרת קצר. חומצות שומן קצרות יותר חומצת myristic (C14) שלא עברו decarboxylation. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53439/53439fig3.jpg" /> איור 3. ניתוח chromatographic גז של OleT JE בתיווך decarboxylation של חומצה סטארית (11.15 דק &#39;) לתוך 1-heptadecene (8.4 דק&#39;), חומצה סטארית-הידרוקסי α (12.04 דק &#39;) חומצה סטארית β-הידרוקסי (12.1 דק&#39;). השינוי של אזורי השיא ממדגמים השתלטו קורס פעמי של 2 hr מוצג. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53439/53439fig3large.jpg" target="_blank">נא ללחוץ כאן vie</a>ווה גרסה גדולה יותר של דמות זו. באופן מפתיע, חומצה אולאית בלתי רוויות חומצות (C18: 1d9 cis) וחומצה לינולאית (C18: 2d9d12) לא נתקבלו כמו מצעים, המציין כי תצורת המעוות של קשרים כפולים ציס לא ניתן לאכלס מצב מחייב פרודוקטיבי האנזים. תוספת של חומצה אולאית (10%) גם מנעה את ההמרה של חומצה סטארית. מעניין, חומצה סטארית (C18: 1d9 טרנס) הוסב על ידי OleT JE, עדיין עם פעילות נמוכה מעט ואז חומצה סטארית.

Watch this Scientific Journal Video about Light-driven Enzymatic Decarboxylation at JoVE.com

Light-driven Enzymatic Decarboxylation

אנו מתארים פרוטוקול עבור דור האור היה זרז של מי חמצן - גורם-שותף עבור טרנספורמציות חמצונים.

אור מונחה אנזימתי Decarboxylation

Oxidoreductases belong to the most-applied industrial enzymes. Nevertheless, they need external electrons whose supply is often costly and challenging. ...

Universidad San Sebastian

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Organic Chemistry

Chemistry

Unit 1

Carboxylic Acids

SCIENTISTS IN ACTION

10.6K Views.  Ruhr Universität Bochum.  אנו מתארים פרוטוקול עבור דור האור היה זרז של מי חמצן - גורם-שותף עבור טרנספורמציות חמצונים. 

Video: Light-driven Enzymatic Decarboxylation

A Toolkit to Enable Hydrocarbon Conversion in Aqueous Environments

This work puts forward a toolkit that enables the conversion of alkanes by Escherichia coli and presents a proof of principle of its applicability. The toolkit consists of multiple standard interchangeable parts (BioBricks)9 addressing the conversion of alkanes, regulation of gene expression and survival in toxic hydrocarbon-rich environments.
A three-step pathway for alkane degradation was implemented in E. coli to enable the conversion of medium- and long-chain alkanes to their respective alkanols, alkanals and ultimately alkanoic-acids. The latter were metabolized via the native &beta;-oxidation pathway. To facilitate the oxidation of medium-chain alkanes (C5-C13) and cycloalkanes (C5-C8), four genes (alkB2, rubA3, rubA4and rubB) of the alkane hydroxylase system from Gordonia sp. TF68,21 were transformed into E. coli. For the conversion of long-chain alkanes (C15-C36), theladA gene from Geobacillus thermodenitrificans was implemented. For the required further steps of the degradation process, ADH and ALDH (originating from G. thermodenitrificans) were introduced10,11. The activity was measured by resting cell assays. For each oxidative step, enzyme activity was observed.
To optimize the process efficiency, the expression was only induced under low glucose conditions: a substrate-regulated promoter, pCaiF, was used. pCaiF is present in E. coli K12 and regulates the expression of the genes involved in the degradation of non-glucose carbon sources.
The last part of the toolkit - targeting survival - was implemented using solvent tolerance genes, PhPFD&alpha; and &beta;, both from Pyrococcus horikoshii OT3. Organic solvents can induce cell stress and decreased survivability by negatively affecting protein folding. As chaperones, PhPFD&alpha; and &beta; improve the protein folding process e.g. under the presence of alkanes. The expression of these genes led to an improved hydrocarbon tolerance shown by an increased growth rate (up to 50%) in the presences of 10% n-hexane in the culture medium were observed.
Summarizing, the results indicate that the toolkit enables E. coli to convert and tolerate hydrocarbons in aqueous environments. As such, it represents an initial step towards a sustainable solution for oil-remediation using a synthetic biology approach.

A sustainable auto regulating bacterial system for the remediation of oil pollutions was designed using standard interchangeable DNA parts (BioBricks). An engineered E. coli strain was used to degrade alkanes via &beta;-oxidation in toxic aqueous environments. The respective enzymes from different species showed alkane degradation activity. Additionally, an increased tolerance to n-hexane was achieved by introducing genes from alkane-tolerant bacteria.

Toolkit כדי לאפשר גיור פחמימן בסביבות מימיות

This work puts forward a toolkit that enables the conversion of alkanes by Escherichia coli and presents a proof of principle of its applicability. The ...

Bioengineering

Mapping Metabolism: Monitoring Lactate Dehydrogenase Activity Directly in Tissue

Mapping enzymatic activity in space and time is critical for understanding the molecular basis of cell behavior in normal tissue and disease. In situ metabolic activity assays can provide information about the spatial distribution of metabolic activity within a tissue. We provide here a detailed protocol for monitoring the activity of the enzyme lactate dehydrogenase directly in tissue samples. Lactate dehydrogenase is an important determinant of whether consumed glucose will be converted to energy via aerobic or anaerobic glycolysis. A solution containing lactate and NAD is provided to a frozen tissue section. Cells with high lactate dehydrogenase activity will convert the provided lactate to pyruvate, while simultaneously converting provided nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) to NADH and a proton, which can be detected based on the reduction of nitrotetrazolium blue to formazan, which is visualized as a blue precipitate. We describe a detailed protocol for monitoring lactate dehydrogenase activity in mouse skin. Applying this protocol, we found that lactate dehydrogenase activity is high in the quiescent hair follicle stem cells within the skin. Applying the protocol to cultured mouse embryonic stem cells revealed higher staining in cultured embryonic stem cells than mouse embryonic fibroblasts. Analysis of freshly isolated mouse aorta revealed staining in smooth muscle cells perpendicular to the aorta. The methodology provided can be used to spatially map the activity of enzymes that generate a proton in frozen or fresh tissue.

We describe a protocol for mapping the spatial distribution of enzymatic activity for enzymes that generate nicotinatmide adenine dinucleotide phosphate (NAD(P)H) + H+ directly in tissue samples.

מיפוי החומרים: פיקוח על פעילות לקטט דהידרוגנאז ישירות בתוך הרקמה

Mapping enzymatic activity in space and time is critical for understanding the molecular basis of cell behavior in normal tissue and disease. In situ ...

Biochemistry

Anaerobic Protein Purification and Kinetic Analysis via Oxygen Electrode for Studying DesB Dioxygenase Activity and Inhibition

Oxygen-sensitive proteins, including those enzymes which utilize oxygen as a substrate, can have reduced stability when purified using traditional aerobic purification methods. This manuscript illustrates the technical details involved in the anaerobic purification process, including the preparation of buffers and reagents, the methods for column chromatography in a glove box, and the desalting of the protein prior to kinetics. Also described are the methods for preparing and using an oxygen electrode to perform kinetic characterization of an oxygen-utilizing enzyme. These methods are illustrated using the dioxygenase enzyme DesB, a gallate dioxygenase from the bacterium Sphingobium sp. strain SYK-6.

Here we present a protocol for anaerobic protein purification, anaerobic protein concentration, and subsequent kinetic characterization using an oxygen electrode system. The method is illustrated using the enzyme DesB, a dioxygenase enzyme which is more stable and active when purified and stored in an anaerobic environment.

חלבון אנאירובית טיהור וניתוח קינטי באמצעות אלקטרודה חמצן ללמוד DesB Dioxygenase פעילות וניגוד

Oxygen-sensitive proteins, including those enzymes which utilize oxygen as a substrate, can have reduced stability when purified using traditional aerobic ...

Enzymatic Cascade Reactions for the Synthesis of Chiral Amino Alcohols from L-lysine

Amino alcohols are versatile compounds with a wide range of applications. For instance, they have been used as chiral scaffolds in organic synthesis. Their synthesis by conventional organic chemistry often requires tedious multi-step synthesis processes, with difficult control of the stereochemical outcome. We present a protocol to enzymatically synthetize amino alcohols starting from the readily available L-lysine in 48 h. This protocol combines two chemical reactions that are very difficult to conduct by conventional organic synthesis. In the first step, the regio- and diastereoselective oxidation of an unactivated C-H bond of the lysine side-chain is catalyzed by a dioxygenase; a second regio- and diastereoselective oxidation catalyzed by a regiodivergent dioxygenase can lead to the formation of the 1,2-diols. In the last step, the carboxylic group of the alpha amino acid is cleaved by a pyridoxal-phosphate (PLP) decarboxylase (DC). This decarboxylative step only affects the alpha carbon of the amino acid, retaining the hydroxy-substituted stereogenic center in a beta/gamma position. The resulting amino alcohols are therefore optically enriched. The protocol was successfully applied to the semipreparative-scale synthesis of four amino alcohols. Monitoring of the reactions was conducted by high performance liquid chromatography (HPLC) after derivatization by 1-fluoro-2,4-dinitrobenzene. Straightforward purification by solid-phase extraction (SPE) afforded the amino alcohols with excellent yields (93% to &#62;95%).

Chiral amino alcohols are versatile molecules for use as scaffolds in organic synthesis. Starting from L-lysine, we synthesize amino alcohols by an enzymatic cascade reaction combining diastereoselective C-H oxidation catalyzed by dioxygenase followed by cleavage of the carboxylic acid moiety of the corresponding hydroxyl amino acid by a decarboxylase.

תגובות אנזימטיות אשד לסינתזה של כהלים אמינו כיראלי מ L-ליזין

Amino alcohols are versatile compounds with a wide range of applications. For instance, they have been used as chiral scaffolds in organic synthesis. ...

Expression, Purification, Crystallization, and Enzyme Assays of Fumarylacetoacetate Hydrolase Domain-Containing Proteins

Fumarylacetoacetate hydrolase (FAH) domain-containing proteins (FAHD) are identified members of the FAH superfamily in eukaryotes. Enzymes of this superfamily generally display multi-functionality, involving mainly hydrolase and decarboxylase mechanisms. This article presents a series of consecutive methods for the expression and purification of FAHD proteins, mainly FAHD protein 1 (FAHD1) orthologues among species (human, mouse, nematodes, plants, etc.). Covered methods are protein expression in E. coli, affinity chromatography, ion exchange chromatography, preparative and analytical gel filtration, crystallization, X-ray diffraction, and photometric assays. Concentrated protein of high levels of purity (&#62;98%) may be employed for crystallization or antibody production. Proteins of similar or lower quality may be employed in enzyme assays or used as antigens in detection systems (Western-Blot, ELISA). In the discussion of this work, the identified enzymatic mechanisms of FAHD1 are outlined to describe its hydrolase and decarboxylase bi-functionality in more detail.

Expression and purification of fumarylacetoacetate hydrolase domain-containing proteins is described with examples (expression in E. coli, FPLC). Purified proteins are used for crystallization and antibody production and employed for enzyme assays. Selected photometric assays are presented to display the multi-functionality of FAHD1 as oxaloacetate decarboxylase and acylpyruvate hydrolase.

ביטוי, טיהור, התגבשות ואנזים אנזימים המכילים חלבונים בתחום הידרוקלז

Fumarylacetoacetate hydrolase (FAH) domain-containing proteins (FAHD) are identified members of the FAH superfamily in eukaryotes. Enzymes of this ...

An Assay for Measuring the Activity of Escherichia coli Inducible Lysine Decarboxyase

Escherichia coli is an enteric bacterium that is capable of growing over a wide range of pH values (pH 5 - 9)1 and, incredibly, is able to survive extreme acid stresses including passage through the mammalian stomach where the pH can fall to as low as pH 1 - 22. To enable such a broad range of acidic pH survival, E. coli possesses four different inducible amino acid decarboxylases that decarboxylate their substrate amino acids in a proton-dependent manner thus raising the internal pH. The decarboxylases include the glutamic acid decarboxylases GadA and GadB3, the arginine decarboxylase AdiA4, the lysine decarboxylase LdcI5, 6 and the ornithine decarboxylase SpeF7. All of these enzymes utilize pyridoxal-5'-phospate as a co-factor8 and function together with inner-membrane substrate-product antiporters that remove decarboxylation products to the external medium in exchange for fresh substrate2. In the case of LdcI, the lysine-cadaverine antiporter is called CadB. Recently, we determined the X-ray crystal structure of LdcI to 2.0 &#197;, and we discovered a novel small-molecule bound to LdcI the stringent response regulator guanosine 5'-diphosphate,3'-diphosphate (ppGpp) 14. The stringent response occurs when exponentially growing cells experience nutrient deprivation or one of a number of other stresses9. As a result, cells produce ppGpp which leads to a signaling cascade culminating in the shift from exponential growth to stationary phase growth10. We have demonstrated that ppGpp is a specific inhibitor of LdcI 14. Here we describe the lysine decarboxylase assay, modified from the assay developed by Phan et al.11, that we have used to determine the activity of LdcI and the effect of pppGpp/ppGpp on that activity. The LdcI decarboxylation reaction removes the &alpha;-carboxy group of L-lysine and produces carbon dioxide and the polyamine cadaverine (1,5-diaminopentane)5. L-lysine and cadaverine can be reacted with 2,4,6-trinitrobenzensulfonic acid (TNBS) at high pH to generate N,N'-bistrinitrophenylcadaverine (TNP-cadaverine) and N,N&#8242;-bistrinitrophenyllysine (TNP-lysine), respectively11. The TNP-cadaverine can be separated from the TNP-lysine as the former is soluble in organic solvents such as toluene while the latter is not (See Figure 1). The linear range of the assay was determined empirically using purified cadaverine.

An Assay for Measuring the Activity of Escherichia coli Inducible Lysine Decarboxyase

The activity of the inducible lysine decarboxylase is monitored by reacting the substrate L-lysine and the product cadaverine with 2,4,6-trinitrobenzensulfonic acid to form adducts that have differential solubility in toluene.

Assay למדידת פעילות Escherichia coli ועין מתנהלת ליזין Decarboxyase

Escherichia coli is an enteric bacterium that is capable of growing over a wide range of pH values (pH 5 - 9)1 and, incredibly, is able to survive extreme ...

Biology

Metabolic Mapping: Quantitative Enzyme Cytochemistry and Histochemistry to Determine the Activity of Dehydrogenases in Cells and Tissues

Altered cellular metabolism is a hallmark of many diseases, including cancer, cardiovascular diseases and infection. The metabolic motor units of cells are enzymes and their activity is heavily regulated at many levels, including the transcriptional, mRNA stability, translational, post-translational and functional level. This complex regulation means that conventional quantitative or imaging assays, such as quantitative mRNA experiments, Western Blots and immunohistochemistry, yield incomplete information regarding the ultimate activity of enzymes, their function and/or their subcellular localization. Quantitative enzyme cytochemistry and histochemistry (i.e., metabolic mapping) show in-depth information on in situ enzymatic activity and its kinetics, function and subcellular localization in an almost true-to-nature situation.
We describe a protocol to detect the activity of dehydrogenases, which are enzymes that perform redox reactions to reduce cofactors such as NAD(P)+ and FAD. Cells and tissue sections are incubated in a medium that is specific for the enzymatic activity of one dehydrogenase. Subsequently, the dehydrogenase that is the subject of investigation performs its enzymatic activity in its subcellular site. In a chemical reaction with the reaction medium, this ultimately generates blue-colored formazan at the site of the dehydrogenase&#39;s activity. The formazan&#39;s absorbance is therefore a direct measure of the dehydrogenase&#39;s activity and can be quantified using monochromatic light microscopy and image analysis. The quantitative aspect of this protocol enables researchers to draw statistical conclusions from these assays.
Besides observational studies, this technique can be used for inhibition studies of specific enzymes. In this context, studies benefit from the true-to-nature advantages of metabolic mapping, giving in situ results that may be physiologically more relevant than in vitro enzyme inhibition studies. In all, metabolic mapping is an indispensable technique to study metabolism at the cellular or tissue level. The technique is easy to adopt, provides in-depth, comprehensive and integrated metabolic information and enables rapid quantitative analysis.

Here, we present a protocol that can be used to microscopically visualize and quantify activity of dehydrogenases in cells and tissues and its kinetics, function and subcellular localization.

מיפוי מטבולית: אנזים כמותית Cytochemistry ו להסטולוגיה כדי לקבוע את הפעילות של Dehydrogenases של תאים ורקמות

Altered cellular metabolism is a hallmark of many diseases, including cancer, cardiovascular diseases and infection. The metabolic motor units of cells ...

Immunology and Infection

Direct Detection of the Acetate-forming Activity  of the Enzyme Acetate Kinase

Acetate kinase, a member of the acetate and sugar kinase-Hsp70-actin (ASKHA) enzyme superfamily1-5, is responsible for the reversible phosphorylation of acetate to acetyl phosphate utilizing ATP as a substrate. Acetate kinases are ubiquitous in the Bacteria, found in one genus of Archaea, and are also present in microbes of the Eukarya6. The most well characterized acetate kinase is that from the methane-producing archaeon Methanosarcina thermophila7-14. An acetate kinase which can only utilize PPi but not ATP in the acetyl phosphate-forming direction has been isolated from Entamoeba histolytica, the causative agent of amoebic dysentery, and has thus far only been found in this genus15,16.
In the direction of acetyl phosphate formation, acetate kinase activity is typically measured using the hydroxamate assay, first described by Lipmann17-20, a coupled assay in which conversion of ATP to ADP is coupled to oxidation of NADH to NAD+ by the enzymes pyruvate kinase and lactate dehydrogenase21,22, or an assay measuring release of inorganic phosphate after reaction of the acetyl phosphate product with hydroxylamine23. Activity in the opposite, acetate-forming direction is measured by coupling ATP formation from ADP to the reduction of NADP+ to NADPH by the enzymes hexokinase and glucose 6-phosphate dehydrogenase24.
Here we describe a method for the detection of acetate kinase activity in the direction of acetate formation that does not require coupling enzymes, but is instead based on direct determination of acetyl phosphate consumption. After the enzymatic reaction, remaining acetyl phosphate is converted to a ferric hydroxamate complex that can be measured spectrophotometrically, as for the hydroxamate assay. Thus, unlike the standard coupled assay for this direction that is dependent on the production of ATP from ADP, this direct assay can be used for acetate kinases that produce ATP or PPi.

A method for the determination of acetate kinase activity is described. This assay utilizes a direct reaction for determining enzyme activity and kinetics of acetate kinase in the acetate-forming direction with different phosphoryl acceptors. Furthermore, this method can be utilized for assaying other acetyl phosphate or acetyl-CoA utilizing enzymes.

זיהוי ישיר של פעילות Acetate יוצרי של קינאז Acetate אנזימים

Acetate kinase, a member of the acetate and sugar kinase-Hsp70-actin (ASKHA) enzyme superfamily1-5, is responsible for the reversible phosphorylation of ...

Light-Controlled Fermentations for Microbial Chemical and Protein Production

Microbial cell factories offer a sustainable alternative for producing chemicals and recombinant proteins from renewable feedstocks. However, overburdening a microorganism with genetic modifications can reduce host fitness and productivity. This problem can be overcome by using dynamic control: inducible expression of enzymes and pathways, typically using chemical- or nutrient-based additives, to balance cellular growth and production. Optogenetics offers a non-invasive, highly tunable, and reversible method of dynamically regulating gene expression. Here, we describe how to set up light-controlled fermentations of engineered Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae for the production of chemicals or recombinant proteins. We discuss how to apply light at selected times and dosages to decouple microbial growth and production for improved fermentation control and productivity, as well as the key optimization considerations for best results. Additionally, we describe how to implement light controls for lab-scale bioreactor experiments. These protocols facilitate the adoption of optogenetic controls in engineered microorganisms for improved fermentation performance.

Optogenetic control of microbial metabolism offers flexible dynamic control over fermentation processes. The protocol here shows how to set up blue light-regulated fermentations for chemical and protein production at different volumetric scales.

תסיסה מבוקרת אור לייצור כימיקלים וחלבון מיקרוביאליים

Microbial cell factories offer a sustainable alternative for producing chemicals and recombinant proteins from renewable feedstocks. However, ...

Loss of Carboxy Group as CO2: Decarboxylation of &beta;-Ketoacids

Carboxylic acids, upon heating, undergo a decarboxylation reaction by releasing carbon dioxide gas. Monocarboxylic acids do not undergo decarboxylation easily. However, a silver salt of carboxylic acid&#160;reacts with bromine or iodine under high temperature to release carbon dioxide gas and forms halide&#160;with one less carbon. This reaction is called the Hunsdiecker reaction.
<img alt="Figure1" src="/files/ftp_upload/12352/12352_PT_Figure_1.svg" style="text-align: center; height: 55px;" />
Unlike monocarboxylic acids, &#42933;-keto acids bearing a keto group at the &#946; position to the carboxyl group, readily undergo decarboxylation under an acid medium to form a ketone and releases carbon dioxide gas.
<img alt="Figure2" src="/files/ftp_upload/12352/12352_PT_Figure_2.svg" style="text-align: center; height: 60px;" />
Decarboxylation reaction is biologically relevant while oxidizing food materials in the tricarboxylic acid (TCA) cycle. In this cycle, oxalosuccinic acid is formed as an intermediate that bears three carboxyl groups and one carbonyl group. However, as the carbonyl group is at the &#42933;-position to only one carboxyl group, only one of the three carboxyl groups undergoes decarboxylation to produce &#945;-ketoglutaric acid by losing CO2.
<img alt="Figure3" src="/files/ftp_upload/12352/12352_PT_Figure_3.svg" style="text-align: center; height: 128px;" />

Loss of Carboxy Group as CO2: Decarboxylation of &amp;#946;-Ketoacids

אובדן קבוצת Carboxy כמו CO2: Decarboxylation של β-Ketoacids

Carboxylic acids, upon heating, undergo a decarboxylation reaction by releasing carbon dioxide gas. Monocarboxylic acids do not undergo decarboxylation ...