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乳酸乳球菌电转化方法的优化

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.-——34.-—— 江苏农业科学2013年第41卷第8期 于建宁,宋小敬,王公金,等.乳酸乳球菌电转化方法的优化[J].江苏农业科学,2013,41(8):34—36 乳酸乳球菌电转化方法的优化 于建宁 ,宋小敬 ,王公金 ,潘伟芹 ,徐小波 ,于峰祥 ,李 燕 (1.江苏省农业科学院畜牧研究所,江苏南京210014;2.山东省荣成市畜牧兽医局,山东荣成264300; 3.南京师范大学医学分子生物学重点实验室,江苏南京210097) 摘要:乳酸菌转化效率不高是制约其广泛应用的关键因素。为建立乳酸乳球菌的高效电转化方法,主要从电压、 电阻、细菌生长时期及电击缓冲液等影响电转化的因素入手,根据每微克DNA获得的转化子的多少,评价乳酸乳球菌 的电转化效率。结果显示:当电压为2.0 kV、电阻为400 Q、细菌处于对数生长中期、电击缓冲液为磷酸缓冲液时,电 击乳酸乳球菌MG1363的转化效率最高,为1 300个/ g。表明通过优化电转化参数,可以提高乳酸乳球菌的转化效 率,为拓展乳酸乳球菌的应用范围奠定基础。 关键词:乳酸乳球菌;电转化;电压/电阻;生长时期;电击缓冲液 中图分类号:Q939.9 文献标志码:A 文章编号:1002—1302(2013)O8—0034—03 乳酸菌(1actic acid bacteria,LAB)是一类广泛分布于自然 界,在工业、农业和医学等领域与人类生活密切相关,微好氧, 游的部分开放阅读框、多克隆位点、来自乳酸乳球菌乳脂亚种 蛋白酶基因的转录终止子及PWV01复制子、红霉素抗性基因 Emr等组成。近来,科研工作者以pMG36e为基本质粒进行 了很多改造,如加上lacZ基因、Nsr基因、Nisin基因等,替代 原有的红霉素抗性,使该质粒得到了更深入的应用 。 由于乳酸乳球菌属于革兰氏阳性菌,具有厚且致密的刚 能够发酵碳水化合物、产生乳酸的革兰氏阳性菌。乳酸菌包 括乳球菌和乳杆菌,其中乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)是乳 球菌属(Lactococcus)中最重要、最典型的一个种,乳酸乳球菌 为兼性厌氧的革兰氏阳性球菌,细胞对称生长,因易于培养、 生长迅速等优点而成为表达外源基因的理想菌株,因此常作 性细胞壁,常规的化学方法无法使外源DNA进人受体细胞。 目前,乳酸菌转化外源DNA的方法主要有原生质体转化法和 电转化法。原生质体转化法操作繁琐、耗时较长、转化效率 为乳酸菌基因工程受体菌的标准菌株。与目前日益完善的大 肠杆菌、酵母菌表达系统相比,乳酸菌的分子生物学研究起始 较晚。但是近年来,随着乳酸菌各类表达元件的分离,相 继发展了一批适用于乳酸菌的克隆载体与表达载体 。 pMG36e是最常用于乳酸乳球菌的一种表达型质粒,1989年 由Vander等学者构建成功 ,可在大肠杆菌(E.coli)与乳酸 菌中进行复制,质粒大小为3.61 kb,由强启动子P32及其下 收稿日期:2013—01—17 基金项目:农业部转基因生物新品种培育重大专项(编号: 低,而电转化法则具有省时、简便、受体范围广泛等优点,已成 为目前乳酸菌转化的主导方法。然而影响电转化效率的因素 较多,如乳酸菌是否经过前期处理(甘氨酸、溶菌酶、醋酸锂、 DTr等) 、乳酸菌所处的生长周期及电转化的参数都会对 转化效率产生重要影响 。因此,本试验以乳酸乳球菌为研 究对象,从影响电转化效率的几个因素人手,探讨常用乳酸菌 质粒pMG36e转化到乳酸乳球菌中的效率,建立并优化乳酸 乳球菌的电转化方法,为后期乳酸菌的深入研究和广泛应用 奠定基础。 1材料与方法 2011ZX08006一OO4);江苏省农业科技自主创新资金[编号:CX (1O)421]。 作者简介:于建宁(198O一),女,山东烟台人,博士,副研究员,主要从 事动物发育生物学研究。Tel:(025)84390341;E—mail:jianningyu @yahoo.corn.erl。 1.1培养基的配制 通信作者:王公金,博士,研究员,主要从事动物胚胎工程研究。 E—mail:wgjphd@yahoo.cn。 GM17液体培养基:分别称取大豆蛋白胨5 g、胰蛋白胨 5 g、酵母浸提物2.5 g、维生素C 0.5 g、MgSO4 0.25 g、磷酸氢 1:complete human nd raabbit mRNA sequences and direct mapping of [2]庞有志.家兔的实验动物学价值[J].中国养兔,2011(9):15一l8. 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[6]Whitehouse D B,Putt W,Lovegrove J U,et a1.Phosphoglucomutse a江苏农业科学2013年第41卷第8期 1.6乳酸乳球菌的电转化 一35一 二钾10 g、甘油10 g、乳糖5 g、葡萄糖5 g,加入800 mL ddH:0,调节pH值至6.2,定容至1 L,高压灭菌l5~20 min。 GM17固体培养基:量取100 mL GM17液体培养基,加入 1.5~2 g琼脂粉,搅拌均匀后,121 oC、高压灭菌15—20 rain。 取1O 电击。 pMG36e与感受态MG1363混合,冰浴10 min, 首先在电阻200 Q下选择不同电压(1.0~2.5 kV)条件 进行电转化;再在转化效率最高的电压下选择不同电阻(200— SGM17高渗培养基:称取10 g蔗糖置于烧杯中,加入 GM17液体培养基溶解,定容至100 mL,高压灭菌,4℃保存。 SGM17MC恢复培养基:10 mL无菌SGN17高渗培养基 在临用前加入2 mol/L MgC12 100 L、0.5 mol/L CaC12 40 , 混匀后4℃保存。 洗涤液I(EB):称取10 g蔗糖于烧杯中,加入10 mL甘 油,加入一定量的水溶解,定容至100 mL。 洗涤液Ⅱ:称取10 g蔗糖于烧杯中,加入10 mL甘油,加 入一定量的水溶解,加入2 mol/L Mgcl:1 mL,高压灭菌。 电击缓冲液(PEB):取100 mL的洗涤液,加入2O 磷 酸缓冲液,使磷酸缓冲液终浓度为5 mmol/L。 1.2大肠杆菌DI-I5 ̄的感受态的制备 (1)挑取大肠杆菌单克隆至4 mL LB管中,37℃摇菌过 夜。(2)将4 mL菌液转接至100 mL无抗生素LB培养基, 37℃摇菌约2—3 h,期间准备TBS溶液,按表1配方准备 10 mLTSB液。(3)将100 mL菌液转移至50 mL离心管中, 4℃下3 000 g离心5 min,倒掉上清,在冰浴条件下吹打重悬 于10 mLTBS液中,置冰上10 min。(4)将细菌悬液快速地 分装至若干个已灭菌、预冷的0.5 mL离心管中(每管装 55 ),放于一70℃低温冰箱保存。 表1大肠杆菌感受态T】珞溶液配制 1.3大肠杆茵的转化 取出质粒pMG36e,取出冻存的5×KCM贮存液lOlL、水 30 、DNA(连接产物)l0 ,共计5O ,吹打混匀后置 65 qC水浴10 rain。将感受态菌液全部加至1 XDNA混合物 中,轻轻旋转混匀,在冰中放置20 min,取出后置室温10 min, 加入400 无抗生素的LB液体培养至上述的感受态细  ̄/DNA混合物中,置37℃摇床慢速摇菌1 h,12 000 r/min 离心30 s,弃上清。吹打残液重悬沉淀,将菌液全部转移到 LB平板,涂布均匀。倒置平板于37℃过夜培养12~16 h。 1.4 pMG36e的大量提取 挑取状态良好的菌落在LB液体培养基中扩大培养,采 用质粒提取试剂盒(北京天根生化科技有限公司)进行大量 抽提备用。 1.5乳酸乳球菌MG1363感受态的制备 接种MG1363于GM17培养基,30℃培养过夜,按5%接 种量接种于含1%甘氨酸的高渗GN17培养基(SGM17)至吸 光度为0.2、0.4、0.6、0.8,培养结束后将细菌培养物冰浴 10 rain,离心收集菌体,用冰冷的甘油磷酸缓冲液洗涤菌体3 次,最后采用菌液体积1/100的电击缓冲液重悬菌体。 800 n)条件电击感受态细胞,在恢复培养基SGM17MC中培 养3 h后,取200 涂于含有10 ̄g/mL红霉素的平板上, 30℃静置培养1~2 d后,观察结果。根据质粒DNA浓度, 计算单位质量DNA所得的转化子个数( g),即转化效 率,每项条件优化做3次重复试验。 将质粒转化处于不同对数期的乳酸乳球菌MG1363试验 菌株的感受态在恒定电压和电阻条件下进行电击,同样在恢 复培养后涂板,计算转化效率。 制备对数生长中期的乳酸乳球菌MG1363,分别用2种 电击缓冲液(PEB和EB)重悬菌体,在恒定电压和电阻条件 下进行电击,同样在恢复培养后涂板,计算转化效率。 2结果与分析 2.1 电压与电阻对乳酸乳球菌MG1363电转化的影响 选择乳酸乳球菌MG1363对数生长期制备感受态,在不 同电压和不同电阻条件下进行转化。图1显示,当电压为 2.0 kV时转化效率最高,达360个/ g。图2显示,当电阻为 400 n时转化效率最大,达1 200个/ g。 瓣 薹 辩 1.0 1.5 2.0 2.5 电压(k、,) 圈1电压对电转化效率的影响 1 —齑 i 毛 瓣 较 样 200 400 600 800 电阻(I1) 图2电阻对电转化效率的影响 2.2细茵对数生长期的选择 由图3可以看出,随着细菌培养时间的延长,转化效率增 加,至对数期后期转化效率降低,细菌在培养至对数中期时转 化效率最高,达1 200 g,这可能是因为对数生长中期细 胞生长旺盛,细胞壁结构相对疏松,有利于电击时孔洞的形 成,从而使电击时转化效率升高。 2.3 电击缓冲液对转化效率的影响 用2种电击缓冲液PEB和EB分别转化对数生长中期的 一36一 江苏农业科学2013年第41卷第8期 在电转化中还涉及到电击缓冲液的问题,一般常用介质 重 瓣 较 蜱 有甘油蔗糖溶液、磷酸盐缓冲液或蒸馏水,这些介质均能用于 电转化,但不同细菌在不同介质中的转化效率显然是有差别 的。10%甘油蔗糖溶液(EB)转化效率并不理想,加入适量浓 度的磷酸缓冲液(PEB)能提高电转化效率;但在高电压的情 况下,尽量选用离子浓度低甚至不含离子的电击液,这样在高 电压下细菌不易被击穿,可提高转化效率 。在本试验条件 下,EB中的转化效率显著低于PEB,进一步证实了上述的一 吸光度 图3 不同生长时期细胞对转化率的影响 般规律。 除以上所述的影响因素之外,外源DNA进入乳酸菌的其 他屏障还包括质粒本身的大小与浓度、抗生素筛选的浓度、乳 乳酸乳球菌,结果如图4所示。用PEB作电击缓冲液的转化 效率显著高于EB缓冲液,前者的转化效率为1 300个/ g,后 者则为200个/ g,两者几乎差一个数量级。 1 600 1 400 ●I1 200 1 000 羹:0。0。 辩400 200 O EB P髓 缓冲液 图4不同电击缓冲液对转化效率的影响 3讨论 乳酸乳球菌属于革兰阳性菌,外源DNA很难直接进入细 胞内,用氯化钙法、KCM法等化学方法转化均未得到阳性菌 株,因此采用电转化法。由于乳酸菌电转化具重复性差、转化 效率低等缺点,因此本试验利用质粒pMG36e转化乳酸乳球 菌MG1363研究影响电转化效率的因素,为后续开展深入研 究奠定基础。 电穿孑L作用利用瞬间高压击打细胞膜,使之形成孔洞,使 DNA分子得以进入细胞… 。在电击过程中,若电压过低,则 细胞难以极化产生孔洞,DNA不能进入;若电压过高,则细胞 会因细胞膜损伤过大而死亡,从而导致转化效率的降低,因此 在电转化过程中电压条件的优化极为关键。在试验中,一般 常用0.2 am的电击杯,微生物电转化过程电压一般在1.2— 2.4 kV之间,但不同的乳酸菌菌株的最适电压存在很大差 异。例如,干酪乳杆菌的最高转化效率为电压2.4 kV ,而 副干酪乳杆菌则须电压控制在1.8 kV ,而本试验中乳酸乳 球菌MG1363的最佳电压是2.0 kV。电阻也是影响电转化效 率的一个重要参数,但是影响较电压小。本试验结果表明,在 400 Q时转化乳酸乳球酸MG1363得到的转化效率最高,这 与孙磊等转化乳酸乳球菌MGI614的试验结果 是一致的。 不同生长时期的细菌对电击的敏感程度存在着显著差 异。有研究表明,干酪乳杆菌、土壤杆菌、棒杆菌类、各种葡萄 球菌以及一些芽孢杆菌培养到对数中期时电转化效率最 高 ,然而有些革兰阳性细菌,如乳链球菌、短芽孢杆菌和 梭状芽孢杆菌等则培养到静止期或静止前期最适于电转 化 。乳酸乳球菌MG1363也是处于对数生长中期的电转 化效率最高。之所以存在这种差异,可能是因为菌种之间的 细胞壁结构不同。 酸菌菌株内部的系统,载体和受体菌本身固有质粒的不 相容性等,因此在对某种乳酸菌进行电转化之前,必须优化这 些条件, 才能使后续试验达到理想的效果。 参考文献: [1]de Vos W M.Gene expression systems for lactic acid bacteria[J]. 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