E. Coliの超音波溶解
- E. coliは、微生物学およびバイオテクノロジーで最も一般的に使用される細菌です。
- 超音波細胞破砕装置は、E. coliの溶解において信頼性と再現性のある結果をもたらします。
- 強力でありながら精密に制御できるキャビテーションとせん断力により、完全な破砕と高い抽出収率(タンパク質、DNAなど)が得られます。
E. coliの超音波細胞破砕が選ばれる理由は?
超音波ホモジナイザーやプローブ型超音波処理装置は、強力な超音波によって細胞壁や細胞膜を効率的に破砕するため、E. coliの溶解にいくつもの利点をもたらします。プローブ型超音波処理装置は、以下の理由からE. coliの溶解に広く使用されています。
E.coli細胞からのタンパク質抽出は、 超音波プローブUP200Stを用いて効率的に行われます
プローブ型超音波処理装置は、E. coliの溶解に多くの利点をもたらします。超音波処理パラメータを確実かつ精密に制御できるため、出力、処理時間、サンプルの取り扱いなどの操作パラメータを最適化して、目的とする結果を得ることができます。
超音波キャビテーションによる細胞破砕
プローブ型超音波ホモジナイザーは、毎秒約20,000回の振動(20kHz)で作動し、液体や懸濁液中にキャビテーションを発生させます。音響キャビテーションは、真空に近い圧力と高温を持つ微小領域を形成し、細胞を引き裂きます。温度は摂氏数千度に達する場合がありますが、キャビテーション領域の体積は非常に小さいため、処理系を大幅に加熱することはありません。超音波によって生じる音響キャビテーションとせん断力は、E.coliなどの細菌細胞の細胞膜に穴を開けたり、膜を破壊したりします。Hielscherの超音波処理装置では、超音波強度、振幅、エネルギー投入量、温度などの処理パラメータを精密に制御できます。これにより、細胞の種類、細胞培養、処理目的に合わせて、超音波溶解プロセスを最適に調整できます。
- 溶解の精密な制御(強度、振幅、温度)
- 信頼性と再現性のある結果
- 個々のサンプルへの最適な適応
- 温度制御
- 極少量から非常に大量のサンプルまで対応(µLからリットルまで)
- 純粋に機械的な処理
- 使いやすく安全な操作
- 実験室から生産までの線形スケールアップ
VialTweeter による超音波溶解
超音波ホモジナイザーと他の溶解技術の比較
化学的溶解や酵素溶解には問題が生じる場合があります – 化学的溶解ではタンパク質の構造が変化し、精製上の問題が生じる可能性があり、酵素溶解には長いインキュベーション時間が必要で、再現性がないためです – 一方、超音波破砕は高度で迅速な細胞破砕法です。
超音波溶解は機械的な力のみを利用します。化学薬品は添加せず、超音波処理のせん断力によって細胞壁を破壊します。化学的溶解ではタンパク質の構造が変化し、精製上の問題が生じる可能性があります。酵素破砕には長いインキュベーション時間が必要で、再現性がありません。E.coli細菌細胞の超音波細胞破砕は、迅速、簡単、確実で、再現性があります。そのため、Hielscherの超音波処理装置は、世界中の生物学・生化学実験室で、サンプル調製、分析前処理、体外診断、さまざまなアッセイに使用されています。
超音波溶解に関する一般的な推奨事項
超音波処理は、極少量、中量、大量の細胞懸濁液を溶解するための最も普及した技術です – ピコリットルから最大100L/hrまで対応します(超音波フローセルを使用)。細胞は液体のせん断とキャビテーションによって溶解されます。超音波処理中にはDNAもせん断されるため、細胞懸濁液にDNaseを添加する必要はありません。
E.coliの超音波溶解中の温度制御
サンプルを事前に冷却し、超音波処理中も氷上に保持することで、サンプルの熱劣化を容易に防止できます。
溶解中はサンプルを氷冷状態に保つことが理想的ですが、ほとんどのサンプルでは、温度が培養時の温度または由来組織の温度を超えなければ十分です。したがって、懸濁液を氷上に保持し、5–10 secの短い超音波パルスと10–30 secの休止を数回繰り返すことを推奨します。休止中には熱が放散し、低温状態に戻すことができます。大量の細胞サンプルには、冷却ジャケットを備えた各種フローセル反応器が用意されています。
超音波溶解を成功させるための詳しいヒントと推奨事項はこちらをご覧ください!
E. Coli溶解液の超音波調製プロトコル
研究者は、E.coliの細胞破砕にHielscherの超音波ホモジナイザーを使用しています。以下では、E. coliに関連するさまざまな用途に向けて、Hielscherの超音波ホモジナイザーを使用したE.coli溶解の、検証済みで実績のある各種プロトコルをご紹介します。
超音波を用いたE. coliの細胞増殖、架橋、細胞抽出液の調製
SeqAおよびRNAポリメラーゼのChIP-Chipのため、E. coli MG1655またはMG1655 ΔseqAを37°Cで培養し、OD600 が約0.15に達するまで50 mlのLB(+ 0.2%グルコース)中で増殖させた後、27 μlのホルムアルデヒド(37%)を培地の各mlに対して添加しました(最終濃度1%)。低速振とう(100 rpm)により室温で20 min架橋を行い、続いて10 mlの2.5 Mグリシンで反応を停止しました(最終濃度0.5 M)。ヒートショック実験では、E. coli MG1655を65 mlのLB培地中で30°Cにて培養し、OD600 が約0.3に達するまで増殖させました。その後、30 mlの培養液を43°Cに予温したフラスコに移し、残りを30°Cに保持しました。架橋と反応停止は上述のとおりに行いましたが、細胞を30または43°Cで5 min保持してから、室温でさらに低速振とうした点が異なります。細胞を遠心分離で回収し、冷却したTBS(pH7.5)で二回洗浄しました。1 mlの溶解バッファー(10 mM Tris(pH 8.0)、20%スクロース、50 mM NaCl、10 mM EDTA、10 mg/mlリゾチーム)に再懸濁し、37°Cで30 minインキュベートした後、4 mlのIPバッファーを添加しました。Hielscherの超音波プロセッサーUP400Stを出力設定100%で使用し、氷上で細胞に30 secの超音波処理と30 secの休止を12回繰り返しました。10 min、9000 gで遠心分離した後、上清を800 μlずつ分注して -20°Cで保存しました。(Waldminghaus 2010)
超音波プローブを用いた酵素の過剰生産と精製
デカヒスチジン(His10)タグ付きタンパク質の過剰生産のため、pET19bコンストラクトを用いてE. coli BL21(DE3)を形質転換しました。一晩前培養した細胞を遠心分離で回収し、その1%を発現培養への接種に使用しました。pET19mgtBを持つ細胞は、600 nmでの光学密度(OD600)が0.7になるまで22°Cで培養しました。培養液を17°Cに移し、100 μM IPTGによって誘導しました。16 h後、4°Cで7,500 × gの遠心分離により細胞を回収しました。細胞を、0.3 M NaClを含むpH 7.4の50 mMリン酸緩衝生理食塩水(PBS)に再懸濁し、Hielscherの超音波処理装置UP200StにS2マイクロチップソノトロードを取り付け、サイクル0.5、振幅75%で超音波処理して破砕しました。
デカヒスチジンタグ付きGtfCの過剰生産は、37°CでOD600 が0.6の時点で100 μM IPTGを用いて誘導しました。その後、細胞を4 hインキュベートして回収し、MgtBについて上述した方法で溶解しました。
粗細胞抽出液を15,000 × g、4°Cで遠心分離し、細胞残渣を沈降させました。清澄化した抽出液を、1-ml HisTrap FF CrudeカラムにÄKTAprime Plusシステムを用いて載せました。Hisタグ付きタンパク質の勾配溶出に関するメーカーのプロトコルに従って酵素を精製しました。溶出したタンパク質溶液を、その1,000倍量の50 mM PBS(pH 7.4、0.3 M NaClを含む)に対して4°Cで二回透析しました。精製は12% SDS-PAGEによって分析しました。タンパク質濃度は、Roti-Quantを用いたBradford法で測定しました。(Rabausch et al. 2013)
E. coliからのタンパク質の超音波抽出
目的のベイトタンパク質(この場合はArabidopsis thalianaのMTV1)をGSTタグと融合し、BL21 Escherichia coli(E. coli)細胞で発現させます。
- GST-MTV1とGSTのペレット(50 mlの細菌培養液に相当)をそれぞれ一つ取り、それぞれを2.5 mLの氷冷抽出バッファーに再懸濁します。
- 超音波処理装置UP100H(約2–5mLの少量サンプル用MS3マイクロチップソノトロードを装備)を使用して、細菌細胞が溶解するまで破砕します。溶解は、濁度の低下と粘度の上昇によって確認できます。この処理は氷上で行う必要があり、間欠的な超音波処理(例えば、10 secの超音波処理後に氷上で10 sec休止し、これを繰り返す)を推奨します。超音波処理の強度が高すぎないよう注意する必要があります。発泡や白色沈殿の形成が認められた場合は、強度を下げる必要があります。
- 溶解した細菌溶液を1.5 mLのマイクロ遠心チューブに移し、4°C、16,000 x gで20 min遠心分離します。
UP400Stなどのプローブ型超音波処理装置は、 音響キャビテーションの作用原理を利用して、E.coliを効率的に溶解します。
超音波処理を用いた組換えタンパク質の発現解析と精製
E. coliのペレットをHielscherの超音波処理装置UP100Hで超音波処理しました。このために、細胞ペレットを冷却した溶解バッファー(50 mM Tris-HCl pH=7.5、100 mM NaCl、5 mM DTT、1 mM PMSF)に再懸濁し、氷上で10 min冷却しました。次に、細胞懸濁液に10 sの短い超音波処理を10回行い、各処理後に冷却のため30 sの間隔を設けました。最後に、4°C、14,000 rpmで15 min超遠心分離し、細胞残渣を除去しました。rPRの発現を確認するため、上清を12%ポリアクリルアミドゲルで泳動し、SDS-PAGEとウェスタンブロッティングで分析しました。rPRの精製は、メーカーのガイドに従い、Ni2+-NTA樹脂(Invitrogen, USA)を用いて行いました。この段階では、非変性条件での精製法を使用しました。精製タンパク質の純度は、12%ポリアクリルアミドゲルでの電気泳動と、その後のクマシーブルー染色によって評価しました。精製タンパク質の濃度は、Micro BCAタンパク質アッセイキット(PIERCE, USA)で測定しました。(Azarnezhad et al. 2016)
E. coli溶解用の超音波ホモジナイザー
Hielscher Ultrasonicsは、E. coliや他の細胞種、組織、細胞培養物を確実かつ効率的に溶解するための高性能超音波ホモジナイザーを設計、製造、供給しています。
幅広い超音波プローブと間接超音波処理システムの製品群により、お客様の細胞破砕・抽出用途に最適な超音波組織ホモジナイザーをご提供できます。
設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質
Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準でよく知られています。スマートソフトウェア、直感的なメニュー、プログラム可能な設定、自動データ記録は、Hielscherの超音波処理装置が備える機能のほんの一部です。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を研究施設やバイオテクノロジー施設に円滑に導入できます。過酷な条件や厳しい環境にも、Hielscherの超音波処理装置は容易に対応します。
Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置を特に重視しています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| マルチウェル/マイクロタイタープレート | 該当なし | UIP400MTP |
| バイアルまたはビーカー用CupHorn | 該当なし | 超音波CupHorn |
| 超音波マイクロフロー反応器 | 該当なし | GDmini2 |
| 0.5–1.5mLのバイアル、最大10本 | 該当なし | VialTweeter |
| 0.5–1.5mL | 該当なし | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | より大きい流量 | 複数台を組み合わせた構成: UIP16000 |
お問い合わせ・ご質問はこちら!
E. coliの超音波溶解に関する追加プロトコル
超音波VialTweeterを用いたE. coli中のアリシン修飾タンパク質
5,5′-Dithiobis(2-nitrobenzoic acid)(DTNB)アッセイによるスルフヒドリル含量の測定
E. coli MG1655の一晩培養液を、MOPS最少培地への接種に使用しました(1:100)。A600が0.4に達するまで好気的に培養しました。ストレス処理のため、培養液を三つの15-ml培養液に分けました。未処理の培養液を陰性対照としました。0.79 mMアリシン(128 μg ml-1)または1 mMジアミドを、残り二つの培養液にそれぞれ添加しました。培養液を15 minインキュベートしました。各培養液から5 mlを取り、遠心分離(8,525 × g、4°C、10 min)で細胞を回収しました。細胞を1 mlのPBS(137 mM NaCl、2.7 mM KCl、10 mM Na2HPO4、2 mM KH2PO4、pH 7.4、使用前に嫌気条件で保存)で二回洗浄し、遠心分離しました(13,000 × g、4°C、10 min)。細胞を溶解バッファー(6 mMグアニジニウムHClを含むPBS、pH 7.4)に再懸濁した後、4°Cで超音波処理により破砕しました(VialTweeter 超音波処理装置、Hielscher GmbH、ドイツ)(3 × 1 min)。細胞残渣を遠心分離(13,000 × g、4 °C、15 min)によってペレット化しました。上清を磁気撹拌子入りの3.5-ml QS-macroキュベット(10 mm)に移し、1 mlの溶解バッファーと混合しました。PSC-718温度制御セルホルダーを装備したJasco V-650分光光度計を用い、室温で412 nmにおけるサンプルの吸光度をモニタリングしました。3 mMのdithiobis(2-nitrobenzoic acid)溶液を100μl添加しました。吸光度が飽和するまでモニタリングしました。チオール濃度は、モル吸光係数ϵ412 = 13,700 M-1 cm-1 (thio-2-nitrobenzoic acid (TNB)の値)を用いて算出しました。細胞内チオール濃度は、E. coli細胞の体積6.7 × 10-15 リットル、および細胞密度A600 = 0.5(1 × 108 細胞 ml-1 培養液に相当)に基づいて算出しました。(Müller et al. 2016)
超音波細胞破砕装置を用いた生体内グルタチオンの定量
E.coli MG1655を総量200mlのMOPS最少培地中で、A600が0.5に達するまで培養しました。ストレス処理のため、培養液を50-mlずつに分けました。15 minにわたり0.79 mMアリシン、1 mMジアミド、またはジメチルスルホキシド(対照)とともにインキュベートした後、4,000g、4°Cで10 min遠心分離して細胞を回収しました。細胞をKPEバッファーで二回洗浄した後、ペレットを700µlのKPEバッファーに再懸濁しました。除タンパクのため、300lの10% (w/v)スルホサリチル酸を添加した後、超音波処理で細胞を破砕しました(3 x 1 min; VialTweeter 超音波処理装置)。遠心分離(30 min、13,000g、4°C)後に上清を回収しました。3倍量のKPEバッファーを添加して、スルホサリチル酸濃度を1%に低下させました。総グルタチオンおよびGSSGの測定は、上述のとおりに行いました。細胞内グルタチオン濃度は、E. coli細胞の体積6.7×10-15 リットル、および細胞密度A600 0.5(1×108 細胞 ml-1 培養液に相当)に基づいて算出しました。GSH濃度は、2[GSSG] を総グルタチオンから差し引いて算出しました。(Müller et al. 2016)
超音波ホモジナイザーを用いたE. coliでのヒトmAspATの発現
発現ベクターを持つE. coli BL21 (DE3)の単一コロニーを、30 mLのLuria-Bertani(LB)培地(100μg/mLアンピシリンを含む)に接種し、その後37ºCで培養して、光学密度(OD600)が0.6に達するまで増殖させました。細胞を4,000 × gで10 min遠心分離して回収し、3Lの新鮮なLB培地(100μg/mLアンピシリンを含む)に再懸濁しました。
続いて、1 mM isopropyl β-ᴅ-1-thiogalactopyranoside(IPTG)を用い、20 hにわたり16ºCでタンパク質発現を誘導しました。細胞を8,000 × gで15 min遠心分離して回収し、バッファーA(20 mM NaH2PO4、0.5 M NaCl、pH 7.4)で洗浄しました。約45g(湿重量)の細胞が3 Lの培養液から得られました。遠心分離後、細胞ペレットを40 mL(1 Lの培養液当たり)の氷冷抽出バッファーAに再懸濁し、氷冷温度でHielscherの超音波細胞破砕装置UP400Stを使用して超音波処理により溶解しました。細胞溶解液を12,000 rpmで15 min遠心分離して、可溶性画分(上清)と沈殿画分(ペレット)に分離しました。(Jiang et al. 2015)
知っておきたい基礎知識
E.coli
Escherichia coli(E. coli)は、Escherichia属に属するグラム陰性、通性嫌気性、桿状の大腸菌群細菌で、温血生物(内温動物)の腸の下部に一般的に存在します。E. coliには、多様な特性を持つ多数の菌株(または亜型)があります。ほとんどのE. coli菌株はヒトに無害で、例えば Bおよび K-12 の菌株は、実験室での研究用途に一般的に使用されています。ただし、一部の菌株は有害で、重篤な疾患を引き起こす可能性があります。
E. coliは操作が容易なため、現代の生物工学および産業微生物学で重要な役割を果たしています。E. coliを頻繁に使用する一般的な実験室用途には、組換えデオキシリボ核酸(DNA)の作製やモデル生物としての利用などがあります。
E. coliは異種タンパク質の生産に非常に汎用性の高い宿主であり、E. coliで組換えタンパク質を生産するための多様なタンパク質発現系が利用できます。タンパク質の高レベル発現を可能にするプラスミドを用いて細菌に遺伝子を導入することで、産業用発酵プロセスにおいて、そのようなタンパク質を大量に生産できます。
E.coliは、インスリンを生産する細胞工場として使用されています。その他の用途には、改変したE. coli細胞を用いたワクチンや固定化酵素の開発・生産、バイオ燃料の生産、バイオレメディエーションがあります。
菌株 K-12 は、酵素アルカリホスファターゼ(ALP)を過剰発現するE. coliの変異型です。この変異は、その酵素を恒常的にコードする遺伝子の異常によって生じます。遺伝子が阻害を受けずに産物を生成する場合、これを構成的活性と呼びます。この特定の変異型は、ALP酵素の単離と精製に使用されます。
E. coliは、細胞工場としても広く使用されています。改変した微生物(細菌など)や植物細胞は、いわゆる細胞工場として使用できます。これらの遺伝子改変細胞は、分子、化学物質、ポリマー、タンパク質、その他の物質を生産し、それらは例えば医薬品、食品、化学産業で使用されます。このような生物工学的に改変された細胞の内部で生産された分子を放出させるため、超音波溶解は、細胞壁を破砕して目的物質を周囲の液体に移す一般的な方法として用いられます。 生物工学的に改変された細胞の溶解について、詳しくはこちらをご覧ください!
超音波によるDNAせん断
超音波のせん断力は、細胞内部から分子、細胞小器官、タンパク質を放出させるとともに、DNA鎖を断片化するために一般的に用いられます。音響キャビテーションは細胞壁と細胞膜を破壊して細胞からDNAを抽出し、分析に最適な約600–800 bpの長さの断片を生成します。
DNA断片化用の超音波ホモジナイザーについて、詳しくはこちらをクリックしてください!
文献/参考文献
- Azarnezhad A., Sharifi Z., Seyedabadi R., Hosseini A., Johari B., Sobhani Fard M. (2016): Cloning and Expression of Soluble Recombinant HIV-1 CRF35 Protease-HP Thioredoxin Fusion Protein. Avicenna J Med Biotechnol. 8(4), 2016. 175–181.
- Jiang X., Wang J., Chang H.; Zhou Y. (2016): Recombinant expression, purification and crystallographic studies of the mature form of human mitochondrial aspartate aminotransferase. BioScience Trends 2016.
- Müller A., Eller J., Albrecht F., Prochnow P., Kuhlmann K., Bandow J.E., Slusarenko A.J., Leichert L.I.O. (2016): Allicin Induces Thiol Stress in Bacteria through S-Allylmercapto Modification of Protein Cysteines. Journal of Biological Chemistry Vol. 291, No. 22, 2016. 11477–11490.
- Rabausch U., Juergensen J., Ilmberger N., Böhnke S., Fischer S., Schubach B., Schulte M., Streit W. R. (2013): Functional Screening of Metagenome and Genome Libraries for Detection of Novel Flavonoid-Modifying Enzymes. Applied and Environmental Microbiology 79(15), 2013. 4551–4563.
- Sauer M. (2014): MTV1 Pull-down Assay in Arabidopsis. bio-protocol Vol 4, Iss 12, Jun 20, 2014.
- Waldminghaus T., Skarstad K. (2010): ChIP on Chip: surprising results are often artifacts. BMC Genomics 11, 2010. 414.
Hielscher Ultrasonicsは、高性能超音波ホモジナイザーを 実験室規模 から 産業規模まで製造しています。
