13
WS 2016/2017 Chemische Biotechnologie BPT1/BPT2 1 Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2 Wintersemester 2016/2017 Betreuer: BPT Labor: G1 3.19 / G1 1.OG

Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT1/BPT2 

 

 

 

Praktikum Chemische Biotechnologie 

Versuch BPT1 und BPT2 

 

Wintersemester 2016/2017 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Betreuer:  BPT 

Labor:  G1 3.19 / G1 1.OG 

   

Page 2: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT1/BPT2 

 

ContentEnrichment and characterization of 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase (HbpA) .............................. 3 

Introduction: ........................................................................................................................................ 3 

BPT1: Enrichment of 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase (HbpA) out of recombinant E. coli ........... 4 

Cell disruption using French press: ..................................................................................................... 4 

Ultracentrifugation: ............................................................................................................................. 4 

Proteinenrichment using anion exchange chromatography: .............................................................. 5 

Preparing a SDS‐polyacrylamide‐gel according to Lämmli: ................................................................. 6 

BPT2: Characterization of enriched 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase (HbpA) ............................... 8 

Determination of protein concentration by Bradford method: .......................................................... 8 

Determination of protein size and purity using SDS‐PAGE: ................................................................ 9 

Measurements of HbpA activity by spectrophotometric assay: ....................................................... 10 

Reporting: .............................................................................................................................................. 12 

Questions: ............................................................................................................................................. 13 

Bibliography: ......................................................................................................................................... 13 

 

    

Page 3: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT1/BPT2 

Enrichment and characterization of 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase 

(HbpA) 

 

Introduction: 

The enzyme used in this study is 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase (HbpA) (EC 1.14.13.44). It is a 

tetrameric  enzyme  (composed  of  four  identical  units)  that  catalyzes  regioselective  ortho‐

hydroxylation of 2‐substituted phenols (Figure 1). This enzyme exhibits a broad substrate specify [1, 

2] and  thus  is an  interesting biocatalyst  for  the production of 3‐substituted  catechols  that  can be 

later used for synthesis of blood pressure lowering agents and anti‐tumor drugs. 

HbpA belongs  to  the  group of  FAD dependent  Flavin monooxygenases  [3,  4]  and  requires NADH, 

molecular oxygen and the respective substrate for catalytic activity. 

 

 

Figure  1:  Schematic  representation  of  HbpA  catalyzed  hydroxylation 

 

E.coli  can  be  used  to  produce  the  enzyme  HbpA.  Therefor  E.coli  JM101  harboring  the  plasmid 

pHBP461 was grown in a bioreactor. After the batch phase using glucose as carbon source, the cells 

were  fed with  glycerol.  During  the  fed‐batch  the  gene  expression was  induced with  IPTG.  After 

harvesting the cells were stored at ‐20 °C. 

In  this  exercise  you will  first  purify  and  then  characterize  this  catalyst.  First  the  cells  have  to  be 

disrupted and  the cell debris have  to be  separated  from  the  soluble  fractions. For  the purification 

(enrichment) anion exchange chromatography  is used and the characterization will consist of purity 

assessment  (SDS‐PAGE  gel  technique  [5])  and  activity  measurements  in  a  spectrophotometric 

method. Last but not least you will measure the protein concentration of the samples and you will be 

able to comment on the enrichment factor and the purity of the fractions. 

 

 

 

Page 4: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT1 

BPT1: Enrichment of 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase (HbpA) out of 

recombinant E. coli 

 

Cell disruption using French press: 

Materials: 

Cell pellet E. coli JM 101 HbpA461 (~ 5 g) 

100 mL buffer A (20 mM TrisHCl pH 7.5) 

Crushed ice 

3 x 50 mL falcon‐tubes 

 

Method: 

French  press  is  used  for  cell  disruption.  The  equipment  is  stored  in  the  fridge  and  need  to  be 

assembled. 

1) Add 16 mL buffer A to cell pellet (~ 4 g) 

2) Suspend the cells using vortex and/or pipette. There should be no pellet left at the bottom of 

the falcon tube or in the solution. 

3) The falcon tube should always be on ice. 

4) Take a sample (1 mL) for BPT2. 

5) Assemble the French press cell, fill in the cell suspension and assemble the French press. 

6) The disruption will take place twice at 1000 psi. The cell suspension should come out of the 

French press cell drop wise to ensure an efficient disruption. Keep the sample on ice as often 

as possible. The high pressure and the shear force during French press result  in heating up 

the cell suspension. 

At the end you will have the crude extract in hand. Take a sample (1 mL) for BPT2. 

 

Ultracentrifugation: 

Materials: 

Crude extract 

2 x centrifugation‐tubes 

Pipette 

Balance 

Seralpure‐Water 

 

 

Page 5: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT1 

Method: 

The  water  insoluble  fractions  (membrane  fractions,  not  disrupted  cells)  will  be  separated  using 

ultracentrifuge.  These  molecules  would  inhibit  the  column  run  and  plug  the  column  material 

irreversible. 

1) Transfer  the  crude  extract  in  the  centrifuge  tube.  The  second  tube  should  be  filled with 

water. 

2) Use  the accuracy balance  to  tare  the centrifuge  tubes  to +/‐ 10 mg. Because of  the high g 

force it is necessary to load the centrifuge exactly to ensure any unbalance. 

3) Take the rotor out of the cold room to the centrifuge. 

4) Load the centrifuge crosswise. 

5) Switch  on  the  centrifuge  and  program  according  to  the  assistant.  Parameter:  4°C,  30 

Minutes, 20000 rpm. 

6) Take out the centrifuge tubes after centrifugation and keep on ice. 

7) Turn off centrifuge, keep lid open, transfer rotor back to cold room. 

Now you will have the cell free extract  in hand. Take a sample (1 mL) for BPT2. This can be used to 

load the column. 

 

Proteinenrichment using anion exchange chromatography: 

Materials: 

Cell free extract 

DEAE – Sepharose column (XK 16) CV=22.12 mL 

1 L buffer A (20 mM TrisHCl, pH 7.5) 

1 L buffer B (buffer A + 1M NaCl) 

1 L Seralpure water 

Tubes for the fractions 

60 mL syringe 

Sterile filter (0,22 µM, Millipore) 

 

Method: 

In  this practicum  a preparative  chromatography  (Bio‐Rad)  is used.  The  cell  free  extract has  to be 

filtered before loading onto the column to enrich the protein HbpA. 

The eluents A and B are pumped through the column and detector into fraction tubes. The column is 

filled with DEAE sepharose which  is an anion exchange medium. The stationary phase  is positively 

charged and the protein is negatively charged at a pH of 7.5. HbpA has an isoelectric point of 6.3. The 

protein  binds  to  the  stationary  phase. During  the method,  the  concentration  of  sodium  chloride 

Page 6: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT1 

increases and the negatively charged protein will be exchanged by the chloride ions. The protein will 

elute. During the method absorbance at 280 nm and conductivity is measured. 

1) Dilute the supernatant to 40 mL with Buffer A. 

2) Take a sample (1 mL) for BPT2.  

3) Filter through a sterile filter. 

4) Take a sample (1 mL) for BPT2. 

5) Load the diluted cell free extract on the column with using a pump. 

6) Run the method. 

7) Program (CV = column volume = 22, 12 mL): 

a. Wash 1 (2 CV; 1 mL/min; 95% Buffer A; 5% Buffer B) 

b. Gradient (2 CV; 1 mL/min; 5% to 30% Buffer B) 

c. Wash 2 (1,5 CV; 1 mL/min; 30% Buffer B) 

d. Cleaning (3 CV; 1 mL/min; 100% Buffer B) 

e. Eqilibrating (2 CV; 1 ml/min; 95% Buffer A) 

8) Take samples from the interesting yellow fractions. Why yellow? 

Figure  1.  protein  fractions  of  the  HbpA  purification 

 

Preparing a SDS‐polyacrylamide‐gel according to Lämmli: 

Materials: 

Clean SDS PAGE plates and accessories 

2 beakers and magnetic stirrer 

Isopropanol 

Solutions according to scheme 

 

Method: 

ATTENTION: You are working with toxic substances. Take care of your protective clothing and wear 

gloves. Do not discard solutions in sink. 

Page 7: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT1 

 

1) Mount two plates. 

2) Prepare fresh: 1 mL 10% (w/v) ammonium persulfate in water 

3) Pipette  the  components of  the  separating  gel  (12 %  acrylamide)  in  a  small beaker with  a 

magnetic stirrer inside. Stir the solution. 

H2O (mL)  6,6 

Separating gel buffer (mL)  3,75

Acrylamidesol. (mL)  4,5 

Starter:   

APS‐Lsg. (µL)  75 

TEMED (µL)  7,5 

Endvolume (mL) 15 

 

4) NOTE:  Pour  solution  between  the  glass  plates  straight  after  adding  the  starter  to  avoid 

polymerization in the beaker. 

5) Add 2 mL isopropanol on top of the gel and let it polymerize for about 30 min. 

6) Decant isopropanol. 

7) Put clean combs out. 

8) Pipette  the  components  of  the  stacking  gel  (3.6 %  acrylamide)  in  a  small  beaker with  a 

magnetic stirrer inside. Stir the solution. 

H2O (mL)  3,2 

Stacking gel buffer (mL)  1,25 

Acrylamidesol. (mL)  0,45 

Starter:   

APS‐Lsg. (µL)  50 

TEMED (µL)  5 

Endvolume (mL) 5 

 

9) NOTE:  Pour  solution  between  the  glass  plates  straight  after  adding  the  starter  to  avoid 

polymerization in the beaker. 

10) Insert the comb. 

11) Take of clamps after polymerization of the gel. 

12) Put the gel in wet paper towel and plastic bag. Sign the bag and put it in the fridge. 

 

Page 8: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT2 

BPT2: Characterization of enriched 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase 

(HbpA) 

 

Determination of protein concentration by Bradford method: 

Materials: 

Samples cell extract  (CE), ultracentrifugation  (UC),  filtration  (FIL),  subsequent  fractions  (F1, 

F2,…) 

BSA protein standard 2 mg/mL 

Bradford Reagent for Macro assay for protein concentration from 0 to 40 µg/mL 

Seralpure water 

1.5 mL PMMA cuvettes 

 

Method: 

1) Prepare the samples for the standard curve first. Make the dilution of BSA protein standard 

(2 mg/mL) according to the table below. 

Concentration [mg/mL]  Water [µL] Volume sample [µL] Taken from 

2    200 2 

1,5  50  150 2 

1  100  100 2 

0,75  100  100 1.5 

0,5  100  100 1 

0,25  100  100 0.5 

0,125  100  100 0.25 

0  200  0 water 

 

2) Distribute 1000 µL of Bradford Reagent into separate disposable PMMA cuvettes. You will do 

the standard curve in duplicates. Do not forget the blank! 

3) Add 20 µL of prepared protein solution directly into the cuvette (mix the content thoroughly 

by vortexing 5 s) – check if the samples are homogenous, if not mix again. 

4) Incubate for 12 min at room temperature and measure absorbance of the sample at 595 nm. 

5) To determine the protein concentration  in the unknown samples collected on the first day, 

first dilute the samples ______ and ______ times (keep the final volume at 100 µL) 

6) Distribute 1000 µL of Bradford Reagent into separate disposable PMMA cuvettes. 

7) Add 20 µL of the diluted protein sample directly into the cuvette (mix the content thoroughly 

by vortexing 5 s) – make sure it is homogenous. Make each sample twice. 

Page 9: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT2 

8) Incubate for 12 min at room temperature and measure absorbance of the sample at 595 nm. 

If absorbance values measured are too high and extend the range covered by the standards make an 

additional dilution of the sample and repeat steps 6 – 8. 

9) For preparing the standard curve, calculate the average value of the blank. Subtract the blank 

from measured absorbance values. Calculate the average values and measurement error as a 

standard  deviation.  Generate  the  graph  in  Excel  where  X’s  are  your  expected  standard 

protein concentration and Y’s are the measured absorption values. 

10) Fit  in  the  trend  line  and  display  the  R²  and  equation  on  the  graph. Use  the  equation  to 

calculate protein concentration in your samples. 

 

Determination of protein size and purity using SDS‐PAGE: 

Materials: 

SDS‐PAGE chamber 

Precast gels 

1x running buffer 

Samples from cell lysis and chromatography 

2x concentrated SDS sample loading buffer 

Protein Size Marker – Page Ruler Unstained Protein Ladder (Fermentas #26614) 

Coomassie Brilliant Blue staining solution 

Destaining solution (acetic acid and methanol in water) 

 

Method: 

1) Assemble the SDS‐PAGE chamber 

2) Dilute the protein samples to 0.8 mg/mL if possible. Keep the volume of the sample at least 

50 µL. If concentration of the protein is lower than that use it as it is. 

3) Mix  50  µL  of  the  sample with  50  µL  of  loading  buffer.  You  should  do  it  under  the  hood 

because the sample loading buffer contains DTT that you should not inhale. 

4) Mix by vortexing and spin down for 10 s on a bench‐top centrifuge. 

5) Incubate in the thermoshaker for 7 min at 95°C with 300 rpm mixing – this step will denature 

the proteins and led the dye bind to the peptide back bone of the protein. Therefore we say 

that we run the gel with denaturing conditions. 

6) Centrifuge the samples down for 2 min at 13200 rpm on the bench‐top centrifuge. 

7) Load 10 µL of  the sample’s supernatant  into separate well. Keep  the  record of  the  loading 

order of your  samples! The gel  should be  loaded asymmetrically  to  let you distinguish  the 

samples’ order after staining and destaining. 

Page 10: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT2 

10 

8) Load 5 µL of the protein marker into first and the last well after your sample. Marker lets you 

tell the size of proteins in a band. 

9) Run the gel at 80 V through stacking gel and increase to 140 V in resolving gel. 

10) You will know that the run is finished when the blue dye starts eluting from the gel into the 

buffer chamber at the bottom. 

11) Remove the gel carefully, wash it with VE water and stain it for 5 min with a fresh Coomassie 

Brilliant Blue staining solution. 

12) Transfer the staining solution back into the bottle. Wash the gel with VE water once and put 

it  into  the  destaining  solution  for  at  least  1  h.  Roll  the  paper  towel  and  put  it  into  the 

destaining  solution  next  to  the  gel.  It will  accelerate  destaining  process  by  adsorbing  the 

staining dye. 

13) When clear protein bands are visible you can stop  the process. Discard destaining solution 

and  flush  the  gel with water.  If  you  still  have  time  you may  take  the  picture  of  the  gel, 

otherwise we will send the picture after the practical course. 

 

Measurements of HbpA activity by spectrophotometric assay: 

Materials: 

Samples from cell lysis and chromatography 

0.5 mL 25 mM NADH solution in water 

0.5 mL 2 mM FAD in water 

0.5 mL 25 mM 2‐hydroxybiphenyl in methanol 

50 mL 50 mM potassium phosphate buffer (KPi, pH 7.5) 

 

Method: 

1) Switch the spectrophotometer ON. Load the method file and switch the thermostat ON. 

2) Since NADH  is consumed during  the HbpA catalyzed  reaction, activity can be measured by 

following the decrease of the absorbance at 340 nm (± 4 nm). 

3) Dispense 950 µL of 50 mM potassium phosphate buffer (KPi) to the plastic PMMA cuvette 

4) Add 12 µL of 25 mM NADH (final concentration of NADH is 0.3 mM) 

5) Add 10 µL of 20 mM FAD (final concentration of FAD 20 µM) 

6) Add 20 µL of enzyme solution (taken from one of your samples either CE, UC, FIl or F1…) 

7) Mix solution well with a P200 pipette by pipetting up and down severel times. 

8) Incubate sample for at least one minute before starting the measurement for the sample to 

reach 30°C. 

Page 11: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT2 

11 

9) Start  the  measurement  and  follow  background  activity  for  1.5  min  (the  slope  will  be 

calculated automatically) 

10) Add 8 µL of 25 mM 2‐hydroxybiphenyl solution (final concentration 0.2 mM). 

11) Quickly start  the measurement and  follow substrate specific activity  for 1.5 min  (the slope 

will again be displayed automatically) 

12) Subtract background activity  (slope from time point 0.5 till 1.5 min) from substrate specific 

activity (slope from time point 0 till 1 min) to calculate ∆A per minute. 

13) Measure the samples in duplicate. 

If ∆A per minute exceeds 0.25 dilute the enzyme to reach appropriate slope. Enzyme volume used for 

the reaction can also be reduced to 10 µL if only 2 times dilution is needed. 

14) Calculate enzyme’s volumetric and specific activity by applying Beer‐Lambert Law and results 

from  Bradford  assay.  Molar  absorption  coefficient  for  NADH  is  6220  M‐1cm‐1. 

 

∆6.22

∗1000

∗ μ

∗ . 1  

. 2  

 

15) Fill in the purification table. Calculate the purification factor by dividing the specific activity of 

the  sample  from  the Anion Exchange Chromatography  (AEX) by  specific activity of  the  cell 

extract (CE) and total amount of the activity  in the pooled fractions by multiplying fractions 

volume by volumetric activity. 

 

Nr Purification 

Step 

Protein 

Concentration 

[mg/mL] 

Volumetric 

activity 

[U/mL] 

Specific 

activity 

[U/mgprot] 

Purification 

factor 

Total  Activity 

[U] 

1  CE     

2  UC     

 

Page 12: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT2 

12 

Reporting:Report  should be prepared according  the  scheme  IMRaD, meaning  Introduction, Methods, Results 

and Discussion. Keep the writing short and write only the essential information e.g. do not write how 

the chromatography or SDS‐PAGE works, give a relevant reference only. The same applies to every 

technique used – a reference is enough. Introduction part should therefore be kept short and consist 

of 2 – 3 sentences summarizing aim of the experiments. This IMRaD structure is the most commonly 

used  layout  in  scientific writing. Reports  should be  submitted via email within one week after  the 

second exercise is finished. You only have to prepare one report from those two exercises. 

 

Let me just shortly comment on figures and their captions. Figure is a stand‐alone entity, meaning if 

one sees it and reads the caption it is clear what each line or a bar represents, therefore be specific 

and precise. Do not let the reader ‘deduce or guess’– tell the reader directly what every line means! 

Below is an example of a well presented SDS PAGE figure (Figure 3). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  3.  Typical  SDS‐PAGE  gel  of  proteins  (10μg).  Protein  Page  Ruler  (SM#0661,  

Fermentas) (lanes  M),  E  coli  JM101  pBTac2  C23S  crude  cell  extract  (lane  1),  

supernatant  after  centrifugation  (lane  2),  flow  through  after  sample   loading  onto  the  

DEAE  Streamline  50  column  (lane  3),  concentrated  sample  of  most  active  fractions  

after  AEX  and  filtration  through  30kDa  cut‐off  filter  paper  (lane 4),  concentrated  

sample  of  most  active fractions  of  HbpA  originating  from  E  coli  JM101  pHBP461  after  

AEX  and  filtration  through  30kDa  cut‐off filter  paper  (lane  5) 

 

Caption contains name of the technique used, origin of sample (strain and preparation method) and 

amount of the protein loaded on the gel. Moreover two of the lanes show the molecular marker and 

respective  lines  show  relative  protein  sizes.  Caption  contains  some  abbreviations  e.g. AEX  (Anion 

Exchange Chromatography) or DEAE which were previously used in the materials and method section 

of the paper so there is no need to repeat them here. Please try to present your figures as clearly as 

Page 13: Praktikum Chemische Biotechnologie Versuch BPT1 und BPT2

WS 2016/2017  Chemische Biotechnologie  BPT2 

13 

possible. If you want your report to be accepted as it is write it clear so that someone who did not do 

this practical course know what was done! 

 

Questions:1) What did you learn? 

2) What do you not completely understand? 

3) How have your ideas changed as a result of this lab? 

4) What new questions do you have? 

5) How would you improve what you did? 

6)  

 

Bibliography:1) Held, M., et al., Preparative scale production of 3‐substituted catechols using a novel monooxygenase 

from Pseudomonas azelaica HBP 1. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 1998. 5(1‐4): p. 87‐93.  

2) Kohler,  H.P.,  D.  Kohler‐Staub,  and  D.D.  Focht,  Degradation  of  2‐hydroxybiphenyl  and  2,2'‐

dihydroxybiphenyl by Pseudomonas sp. strain HBP1. Applied and environmental microbiology, 1988. 

54(11): p. 2683‐2688. 

3) Suske, W.A., et al., Purification and characterization of 2‐hydroxybiphenyl 3‐monooxygenase, a novel 

NADH‐dependent,  FAD‐containing  aromatic  hydroxylase  from  Pseudomonas  azelaica  HBP1.  J  Biol 

Chem, 1997. 272(39): p. 24257‐65. 

4) van Berkel, W.J.H., N.M. Kamerbeek, and M.W. Fraaije, Flavoprotein monooxygenases, a diverse class 

of oxidative biocatalysts. Journal of Biotechnology, 2006. 124(4): p. 670‐689. 

5) Sambrook,  J.  and D.W. Russell, Molecular Cloning: A  Laboratory Manual. 2001: Cold  Spring Harbor 

Laboratory Press.