Кіріспе
Биотехнологиялық модификация процесі молекулаға биотинді қосу үшін. Биохимияда биотинилдеу – биотинді протеинге, нуклеин қышқылына немесе басқа молекулаға ковалентті түрде қосу процесі. Биотинилдеу жылдам, ерекше және биотиннің кішкентай мөлшері (МВ = 244,31 г/моль) молекуланың табиғи функциясына кедері келтірмейді. Биотин стрептавидин мен авидинге өте жоғары байланыс, жылдамдық және жоғары ерекшелікпен байланысады, және осы өзара әрекеттесулер биотехнологияның көптеген салаларында қызығушылық тудыратын биотинилденген молекулаларды бөліп алу үшін қолданылады. Биотиннің стрептавидин мен авидинге байланысуы жоғары температураға, pH деңгейіне және протеолизге төзімді, бұл биотинилденген молекулаларды алуан түрлі жағдайларда алуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бірнеше биотин молекулаларын қызығушылық тудыратын белокқа конъюгациялауға болады, бұл бірнеше стрептавидин, авидин немесе нейтроавидин ақуыз молекулаларын байланыстыруға мүмкіндік береді және қызығушылық тудыратын белокты анықтау сезімталдығын арттырады. Көптеген биотинилдеу реагенттері бар, олар кең ауқымды таңбалау әдістерін пайдаланады. Биотин мен стрептавидин арасындағы мызғыма байланысқа байланысты, биотинилденген белоктарды тазарту молекулалық биологияда белок-белок өзара әрекеттесуін және посттрансляциялық процестерді, мысалы, убиквитиляцияны анықтау үшін кеңінен қолданылатын тәсіл болып табылады.
In biochemistry, biotinylation is the process of covalently attaching biotin to a protein, nucleic acid or other molecule. Biotinylation is rapid, specific and is unlikely to disturb the natural function of the molecule due to the small size of biotin (MW = 244.31 g/mol). Biotin binds to streptavidin and avidin with an extremely high affinity, fast on rate, and high specificity, and these interactions are exploited in many areas of biotechnology to isolate biotinylated molecules of interest. Biotin binding to streptavidin and avidin is resistant to extremes of heat, pH and proteolysis, making capture of biotinylated molecules possible in a wide variety of environments. Also, multiple biotin molecules can be conjugated to a protein of interest, which allows binding of multiple streptavidin, avidin or neutravidin protein molecules and increases the sensitivity of detection of the protein of interest. There is a large number of biotinylation reagents available that exploit the wide range of possible labelling methods. Due to the strong affinity between biotin and streptavidin, the purification of biotinylated proteins has been a widely used approach to identify protein protein interactions and post translational events such as ubiquitylation in molecular biology.
Таңбалау әдістері
Ақуыздар химиялық немесе ферменттік жолмен биотинилденуге болады. Химиялық биотинилдендіру әртүрлі конъюгациялық химияны қолданады, нәтижесінде аминдер, карбоксилаттар, сульфгидрилдер және көмірсулардың белгісіз биотинилденуі жүзеге асырылады (мысалы, NHS байланысы ақуыздағы кез келген біріншілік аминнің биотинилденуін қамтамасыз етеді). Ферменттік биотинилдендіру бактериялық биотин лигазасы арқылы белгілі бір реттіліктегі белгілі бір лизиннің биотинилденуіне әкеледі. Химиялық биотинилдендіру реагенттерінің көпшілігі биотиннің валерин қышқылының тізбегіне байланыстырушы арқылы бекітілген реактивті топтан тұрады. Авидин/стрептавидиндегі биотин байланысу орыны ақуыз бетінің астында жасырылғандықтан, биотин молекуласы нысанасына бекітілгеннен кейін авидин/стрептавидин/Нейтравидин ақуызымен байланысуға оңай қол жеткізу үшін ұзын байланыстырушысы бар биотинилдендіру реагенттері қажет. Бұл байланыстырушы биотинилдендіру реагенттерінің ерігіштігін де арттыра алады; полиэтиленгликоль (PEG) құрамындағы байланыстырушылар суда ерімейтін реагенттерді ерітіп немесе белгілі бір дәрежеде ерігіш биотинилдендіру реагенттерінің ерігіштігін жоғарылата алады.
Ферментті биотинилдендіру
Химиялық биотинилдендіру әдістерінен өзгеше, ферменттік биотинилдендіру ақуыздағы дәл бір қалдыққа биотинді байланыстыруға мүмкіндік береді. Бұл биотинилдену реакциясы толыққанды жүруі мүмкін, яғни өнім жоғары біртектілікпен түзіледі және белгілі бір бағытта стрептавидинмен байланыса алады, мысалы, MHC мультимерлері үшін. Ферменттік биотинилдендіруді көбінесе *E. coli* биотин голофермент синтетазасы, сондай-ақ биотин лигазасы (BirA) жүзеге асырады. Қызығушылық тудыратын ақуызды нысанаға алудың ең көп қолданылатын тәсілі – ақуызды оның N-ұшына, C-ұшына немесе ішкі циклге 15 аминқышқылдық пептидке біріктіру, бұл AviTag немесе Ацептор пептиді (AP) деп аталады. Белгіленгеннен кейін ақуыз BirA-мен инкубацияланады, бұл биотин және АТФ қатысуымен биотинилденуге мүмкіндік береді. Ферменттік биотинилдендіру *in vivo* жағдайында да жүруі мүмкін, әдетте Avitag белгіленген ақуыз бен BirA-ның бірлесіп экспрессиялануы арқылы. BirA-ның табиғи субстраты – биотин карбоксил тасымалдаушы ақуызы (BCCP). Бұрын кішкентайрақ белгілер табылғанға дейін, ақуызды нысанаға алу үшін бүкіл BCCP-ге біріктіру қажет болды. BCCP-ге біріктірілген ақуызды биотин молекулалары *in vivo* таниды және оған байланысады. AviTag-тан бұрын бірнеше басқа кішкентай белгілер қолданылған, бірақ AviTag қазірге дейін ең тиімдісі болып табылады. Стандартты депротекциядан кейін алынған конъюгаттарды кері фазалық немесе аниондық алмасу HPLC арқылы тазартуға болады.
Белгісіз биотинилдену
Фотоактивті биотинилдендіру реагенттері бастапқы аминдер, сульфгидрилдер, карбоксилдер және көмірсулар таңбалау үшін қолжетімді болмағанда өте тиімді. Бұл реагенттер арил азидтеріне негізделген, олар ультракүлгін сәуле (UV; >350 нм) арқылы белсендіріледі, содан кейін C–H және N–H байланыстарында реакцияға түседі. Аминқышқылының түріне қарамастан мұндай байланыстар пайда болатындықтан, биотинилдендірудің бұл түрі "белгісіз" деп аталады. Фотоактивті биотинилдендіру реагенттерін эксперименттің нақты уақыттарында немесе белгілі бір реакция жағдайларында биотинилдендіруді белсендіру үшін де қолдануға болады, жай ғана реакцияны сол уақытта немесе жағдайда ультракүлгін сәулеге ұсыну арқылы.
Тазарту
Биотин белгісін биотиннің табиғи лигандасы болып табылатын авидинге (немесе стрептавидинге немесе нейтравидинге) байланыстырылған бағанамен бірге аффиниттік хроматографияда қолдануға болады. Дегенмен, авидин/стрептавидин-биотин өзара әрекеттесуін үзу үшін қатал жағдайлар қажет (мысалы, pH 1,5-те 6M GuHCl), бұл биотин белгісін тасымалдайтын белокты денатурациялауы мүмкін. Егер таңбаланған белокты бөліп алу қажет болса, белокты имминобиотинмен таңбалау оңтайлы. Бұл биотиннің аналогы сілкілді pH-та авидин/стрептавидинмен күшті байланысқа түседі, бірақ pH төмендегенде байланыс әлсірейді. Сондықтан, имминобиотинмен таңбаланған функционалдық белокты pH төмендету арқылы (шамамен pH 4-ке дейін) авидин/стрептавидин бағанасынан босатуға болады.
Анықтау
Бұл белгі антибиотиндік антиденелер немесе авидин/стрептавидин таңбаланған анықтау стратегиялары арқылы, мысалы ферменттік репортерлер (мысалы, аққұмыр пероксидазасы, сілтілік фосфатаза) немесе флуоресценттік зондтар арқылы да белокты анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл флуоресценттік немесе электрондық микроскопия, ELISA, ELISPOT, вестерн блоттар және басқа иммуноаналитикалық әдістер арқылы локализациялауға көмектеседі. Биотинилденген нысананың жиналуын немесе агрегациясын болдырмау үшін моновалентті стрептавидинмен анықтау қолданылуы мүмкін.
Басқа қолданыстар
Биотин мен авидин немесе стрептавидин арасындағы ковалентті емес байланыстың байланысу туыстығы, көптеген антиген-антитело байланыстарынан жоғары және ковалентті байланыс күшіне жақындасады. Осы тығыз байланыс биотинмен белоктарды белгілеуді, басқа белоктар мен биохимиялық заттар қоспасынан биотинилденген белокты бөлу үшін иммобильденген авидин немесе стрептавидинді пайдаланатын аффиндік хроматография сияқты қолданулар үшін пайдалы құралға айналдырады. Мысалы, биотинилденген ірі қара сарысу альбумині (BSA) сияқты биотинилденген белоктар, қатты фазалық талдауларда көп ұңғылы тақтайшалардағы ұңғыма бетін қаптау ретінде қолданылады. Қызыл қан жасушаларын биотинилдеу, хромий-51 сияқты радиоактивті маркерлерді қолданбай, жалпы қан көлемін анықтау үшін қолданылды, бұл төмен салмақты нәрестелер мен жүкті әйелдерде қажетті радиоактивті дозаға ұшырамай көлемді анықтауға мүмкіндік берді. Сонымен қатар, MHC молекулаларын биотинилдеу арқылы MHC мультимерлерін жасау, антигенге спецификалық T-жасуша популяцияларын анықтау және бөліп алу үшін пайдалы құралға айналды. Жақында, тірі жасушалардағы белок-белок өзара әрекеттесуін және жақындығын зерттеу үшін in vivo белок биотиниленуі әзірленді.
Биотинилдену деңгейін анықтау
Биотинилдендіру реакциясының жағдайлары мақсатты молекулаға (мысалы, антиденеге) молекуланы тазарту немесе анықтау үшін жеткілікті биотин молекулалары қосылатындай, бірақ биотин молекуланың функциясына бөгет болмайтындай етіп таңдалады.
HABA сынағы
Биотинилдену дәрежесін анықтау үшін HABA (2-(4-гидроксиазобензол) бензой қышқылы) талдауын қолдануға болады. HABA бояуы авидин немесе стрептавидинмен байланысып, ерекше сіңіруді қамтамасыз етеді. Биотинилденген ақуыздар немесе басқа молекулалар қосылғанда, биотин бояуды ығыстырып, 500 нм толқын ұзындығында сіңірудің өзгеруіне себеп болады. Бұл өзгеріс сынамадағы биотин мөлшеріне тура пропорционал. HABA талдауының кемшілігі – үлкен көлемде сынама қажет ететіні.
Стрептавидин гель ауысуы
Биотинилдену дәрежесі стрептавидин гель қалыптасуы арқылы да өлшенуі мүмкін, себебі стрептавидин агароза гельдік электрофорез немесе полиакриламид гельдік электрофорез барысында биотинге байланысты күйінде қалады. Биотинилденген нысананың үлесін, артық стрептавидинмен немесе онсыз нысананың жолақ қарқындылығының өзгеруі арқылы, Coomassie көк бояуымен боялған биотинилденген ақуыздарда жылдам және сандық түрде өлшеуге болады.