Logotyp: till Uppsala universitets webbplats

uu.sePublikationer från Uppsala universitet
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Optimization of the genetic code expansion technology for intracellular labelling and single-molecule tracking of proteins in genomically re-coded E. coli
Uppsala universitet, Medicinska och farmaceutiska vetenskapsområdet, Medicinska och farmaceutiska vetenskapsområdet, centrumbildningar mm, Uppsala antibiotikacentrum. Uppsala universitet, Teknisk-naturvetenskapliga vetenskapsområdet, Biologiska sektionen, Institutionen för cell- och molekylärbiologi, Molekylär systembiologi.ORCID-id: 0000-0003-0968-9011
Uppsala universitet, Teknisk-naturvetenskapliga vetenskapsområdet, Biologiska sektionen, Institutionen för cell- och molekylärbiologi, Molekylär systembiologi.
Uppsala universitet, Teknisk-naturvetenskapliga vetenskapsområdet, Biologiska sektionen, Institutionen för cell- och molekylärbiologi, Molekylär systembiologi.ORCID-id: 0000-0002-1687-7558
Uppsala universitet, Teknisk-naturvetenskapliga vetenskapsområdet, Biologiska sektionen, Institutionen för cell- och molekylärbiologi, Molekylär systembiologi.ORCID-id: 0000-0001-7288-6363
Visa övriga samt affilieringar
2026 (Engelska)Ingår i: RSC Chemical Biology, E-ISSN 2633-0679, Vol. 7, nr 2, s. 269-285Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Single-molecule tracking (SMT) is a powerful tool for real-time studies of protein interactions in living cells. Dye-labelled SNAP-tag and HaloTag self-labelling proteins have simplified SMT significantly, due to their superior photophysical properties compared to fluorescent proteins. However, due to their size, fusion of these tags to a protein of interest often results in loss of protein function. We introduce FLORENCE – a universal labelling method for SMT, based on genetic code expansion (GCE). We overcome significant caveats related to re-coded strains, vectors, and dyes and report successful tracking of site-specifically intracellularly labelled proteins in genomically re-coded E. coli. Our findings establish a robust in vivo protein-labelling strategy, expanding the capabilities of SMT as a method to study the dynamics of proteins in living cells. Moreover, we observe that the strain-promoted azide–alkyne click-chemistry reaction occurs as fast as 30 min in live E. coli cells and can be used as a robust labelling reaction.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Royal Society of Chemistry, 2026. Vol. 7, nr 2, s. 269-285
Nationell ämneskategori
Biologi
Forskningsämne
Biokemi
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:uu:diva-573024DOI: 10.1039/d5cb00221dISI: 001632154200001PubMedID: 41368476Scopus ID: 2-s2.0-105025157938OAI: oai:DiVA.org:uu-573024DiVA, id: diva2:2020234
Ingår i projekt
Bestämmande faktorer för effektiv syntes, veckning och målinriktning av proteiner i levande celler, VetenskapsrådetNär, hur och varför behöver ribosomer räddas i bakterier?, Vetenskapsrådet
Forskningsfinansiär
EU, Europeiska forskningsrådet, 947747-SMACKVetenskapsrådet, 2019-03714Vetenskapsrådet, 2023-03383Tillgänglig från: 2025-12-09 Skapad: 2025-12-09 Senast uppdaterad: 2026-03-30Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Fluorescence labelling in re-coded E. coli with non-canonical chemical entities: Single-codon labelling for single-molecule tracking
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Fluorescence labelling in re-coded E. coli with non-canonical chemical entities: Single-codon labelling for single-molecule tracking
2026 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Single-molecule tracking (SMT) enables direct observation of molecular dynamics in living cells, revealing heterogeneity hidden by in vitro ensemble measurements. However, current protein labeling strategies using self-labeling tags such as HaloTag (~33 kDa) or SNAPtag (~20 kDa) can interfere with the function of proteins that undergo large conformational changes or participate in tightly orchestrated multi-factor complexes. This thesis develops and applies FLORENCE (Fluorescence Labelling in Re-coded E. coli with Non-canonical Chemical Entities), a genetic code expansion (GCE) technology that enables site-specific protein labeling with single-codon resolution for SMT of bacterial elongation factors.

Conventional labeling with bulky tags can prevent functional ribosome binding of translation factors. To address this, in Paper I, we systematically optimized a complete GCE system in genomically re-coded E. coli (GRE) strains where all 321 UAG stop codons have been converted to UAA and release factor 1 deleted. We evaluated pyrrolysyl-tRNA synthetase variants (PylRS1–3), characterized six GRE strains for growth rate and morphology, and optimized a single-plasmid vector architecture combining the orthogonal translation system with the target gene. Using strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC) between BCNcontaining non-canonical amino acids and JF646-azide dye, we achieved complete labeling within 30 minutes in live cells. Validation with dual-labeled HaloTag and LacY reporters demonstrated that FLORENCE yields SMT results comparable to conventional HaloTag labeling.

In Paper II we applied FLORENCE to study elongation factor G (EF-G), an essential for ribosomal translocation. HaloTag fusions at both termini showed that bulky tags abolish EF-G function in vivo. In contrast, FLORENCE labeling at position 301 (301UAG) revealed 30–45% slow-state occupancy consistent with ribosome binding, as confirmed by tracking the catalytically inactive H92A mutant.

To improve GRE fitness for physiological studies, Paper III reports a novel GRE*, with superior growth compared to the parental GRE6. Single-cell microfluidic analysis confirmed wild-type-like phenotype, and whole genome sequencing revealed deletion of the ratA translation initiation toxin. FLORENCE-labelled EF-G and EF-Tu were tracked at 1 ms temporal resolution, with catalytically inactive mutants showing an increase in ribosome-bound states. Still, as in Paper III, optimization of the expression level of these factors remains critical.

In summary, this thesis establishes FLORENCE as a user-friendly experimental platform for SMT investigation of translation factors and other challenging targets in living bacterial cells.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2026. s. 77
Serie
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 2631
Nyckelord
Translation elongation, genetic code expansion, single-molecule tracking, protein synthesis, FLORENCE
Nationell ämneskategori
Molekylärbiologi
Forskningsämne
Molekylär biovetenskap; Biologi; Mikrobiologi
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-577811 (URN)978-91-513-2727-3 (ISBN)
Disputation
2026-03-17, Sal XI, Universitetshuset, Biskopsgatan 3, Uppsala, 09:15 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2026-02-11 Skapad: 2026-01-28 Senast uppdaterad: 2026-02-11

Open Access i DiVA

fulltext(6311 kB)22 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 6311 kBChecksumma SHA-512
9e16f45de502554eac17e18407355828455e0d4cc0b48b391ce45a9724d7466e13ba7e78294877e5504ee8088417232569a888727932a4d0d04d3c3a5e10f060
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextPubMedScopus

Person

Ilievski, FilipWikström, LinneaBorg, AnneliVolkov, IvanBrandis, GerritJohansson, Magnus

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Ilievski, FilipWikström, LinneaBorg, AnneliVolkov, IvanBrandis, GerritJohansson, Magnus
Av organisationen
Uppsala antibiotikacentrumMolekylär systembiologi
I samma tidskrift
RSC Chemical Biology
Biologi

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
pubmed
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
pubmed
urn-nbn
Totalt: 127 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf