Ултразвучна лиза E. coli
- Бактерије E. coli су најчешће коришћене бактерије у микробиологији и биотехнологији.
- Ултразвучни уређаји за разарање ћелија обезбеђују поуздане и поновљиве резултате при лизи E. coli.
- Интензивна кавитација и силе смицања, које се ипак могу прецизно контролисати, доводе до потпуног разарања и високих приноса екстракције (нпр. протеина, ДНК).
Зашто је ултразвучно разарање ћелија E. coli пожељна метода?
Ултразвучни хомогенизатори или ултразвучни уређаји са сондом нуде више предности за лизу E. coli, јер интензиван ултразвук ефикасно разара ћелијске зидове и мембране. Ултразвучни уређаји са сондом широко се користе за лизу E. coli из следећих разлога:
Екстракција протеина из ћелија E.coli ефикасно се обавља помоћу ултразвучне сонде UP200St
Ултразвучни уређај са сондом нуди бројне предности за лизу E. coli. Поуздана и прецизна контрола параметара ултразвучног процеса омогућава оптимизацију радних параметара, као што су снага, трајање и руковање узорком, ради постизања жељених резултата.
Разарање ћелија применом ултразвучне кавитације
Ултразвучни хомогенизатори са сондом раде са приближно 20.000 циклуса у секунди (при 20kHz) и изазивају кавитацију у течностима или суспензијама. Акустичка кавитација ствара микроскопске области са притисцима блиским вакууму и високим температурама које разарају ћелије. Иако температуре могу достићи неколико хиљада степени Целзијуса, запремине кавитационих области су толико мале да не доводе до значајног загревања током процеса. Акустичка кавитација и силе смицања које ствара ултразвук перфорирају или разарају ћелијску мембрану бактеријских ћелија као што је E.coli. Hielscher ултразвучни уређаји омогућавају прецизну контролу параметара процеса као што су интензитет ултразвука, амплитуда, унос енергије и температура. Тиме се процес ултразвучне лизе може оптимално прилагодити типу ћелија, ћелијској култури и циљу процеса.
- прецизна контрола лизе (интензитет, амплитуда, температура)
- поуздани, поновљиви резултати
- оптимално прилагођавање специфичним узорцима
- контрола температуре
- за веома мале до веома велике узорке (од µL до литара)
- искључиво механичка обрада
- једноставно и безбедно руковање
- линеарно повећање размера процеса од лабораторије до производње
VialTweeter за ултразвучну лизу
Ултразвучни хомогенизатор у поређењу са другим техникама лизе
Док хемијска и ензимска лиза могу бити проблематичне – јер хемијска лиза може изменити структуре протеина и изазвати проблеме при пречишћавању, а ензимска лиза захтева дуго време инкубације и није поновљива – ултразвучно разарање је софистицирана, брза метода разарања ћелија.
Ултразвучна лиза заснива се искључиво на механичким силама. Не додају се хемикалије, а соникација разара ћелијски зид силама смицања. Хемијска лиза може изменити структуру протеина и изазвати проблеме при пречишћавању. Ензимско разарање захтева дуго време инкубације и није поновљиво. Ултразвучно разарање ћелија бактерије E.coli је брзо, једноставно, поуздано и поновљиво. Зато се Hielscher ултразвучни уређаји користе у биолошким и биохемијским лабораторијама широм света за припрему узорака, преаналитику, ин витро дијагностику и разноврсне тестове.
Опште препоруке за ултразвучну лизу
Соникација је најпопуларнија техника за лизу веома малих, средњих и великих количина ћелијских суспензија – од пиколитара до 100L/hr (уз употребу ултразвучне проточне ћелије). Ћелије се лизирају смицањем у течности и кавитацијом. ДНК се такође фрагментише смицањем током соникације, па није потребно додавати ДНазу у ћелијску суспензију.
Контрола температуре током ултразвучне лизе E.coli
Претходним хлађењем узорка и његовим држањем на леду током соникације лако се може спречити термичка разградња узорка.
Идеално би било да се узорци током лизе одржавају на температури леда, али је за већину узорака довољно да температура не порасте изнад температуре културе или ткива из којег потичу. Зато се препоручује држање суспензије на леду и соникација у неколико кратких ултразвучних импулса од 5–10 sec са паузама од 10–30 sec. Током пауза топлота може да се одведе како би се поново успоставила ниска температура. За веће узорке ћелија доступни су различити проточни реактори са расхладним омотачима.
Овде прочитајте детаљне савете и препоруке за успешну ултразвучну лизу!
Протоколи за ултразвучну припрему лизата E. coli
Истраживачи користе Hielscher ултразвучне хомогенизаторе за разарање ћелија E.coli. У наставку можете пронаћи различите испитане и проверене протоколе за лизу E.coli помоћу Hielscher ултразвучних хомогенизатора за различите примене повезане са E. coli.
Раст ћелија, унакрсно повезивање и припрема ћелијских екстраката E. coli помоћу ултразвука
За ChIP-Chip анализу SeqA и РНК полимеразе, E. coli MG1655 или MG1655 ΔseqA узгајана је на 37°C до OD600 од око 0,15 у 50 ml LB (+ 0,2% глукозе), након чега је додато 27 μl формалдехида (37%) по ml подлоге (коначна концентрација 1%). Умрежавање је изведено уз благо протресање (100 rpm) на собној температури током 20 min, након чега је реакција заустављена додавањем 10 ml глицина концентрације 2,5 M (коначна концентрација 0,5 M). За експерименте са топлотним шоком, E. coli MG1655 је узгајана у 65 ml LB подлоге на 30°C до OD600 од око 0,3. Затим је 30 ml културе пренето у претходно загрејану тиквицу на 43°C, а остатак је задржан на 30°C. Умрежавање и заустављање реакције изведени су као што је горе описано, осим што су ћелије држане на 30 или 43°C током 5 min пре даљег благог протресања на собној температури. Ћелије су сакупљене центрифугирањем и два пута испране хладним TBS (pH7.5). Након ресуспендовања у 1 ml пуфера за лизу (10 mM Tris (pH 8,0), 20% сахарозе, 50 mM NaCl, 10 mM EDTA, 10 mg/ml лизозима) и инкубације на 37°C током 30 min, након које је додато 4 ml IP пуфера, ћелије су сонициране на леду 12 пута по 30 sec уз паузе од 30 sec, помоћу ултразвучног процесора Hielscher UP400St при подешеној снази од 100%. Након центрифугирања током 10 min на 9000 g, аликвоти супернатанта од 800 μl чувани су на -20°C. (Waldminghaus 2010)
Прекомерна производња и пречишћавање ензима помоћу ултразвучне сонде
За прекомерну производњу протеина обележених декахистидинском (His10) ознаком, E. coli BL21(DE3) је трансформисана конструктима pET19b. Прекултура узгајана преко ноћи сакупљена је центрифугирањем, а 1% је употребљен за инокулацију културе за експресију. Ћелије које носе pET19mgtB узгајане су на 22°C до оптичке густине на 600 nm (OD600) од 0,7. Култура је пребачена на 17°C, а експресија је индукована са 100 μM IPTG. Након 16 h, култура је сакупљена центрифугирањем на 7.500 × g при 4°C. Ћелије су ресуспендоване у 50 mM физиолошком раствору пуферованом фосфатом (PBS) са 0,3 M NaCl при pH 7,4 и разорене ултразвучним третманом помоћу сонотроде са микроврхом S2 на ултразвучном уређају Hielscher UP200St, при циклусу од 0,5 и амплитуди од 75%.
Прекомерна производња GtfC обележеног декахистидинском ознаком индукована је на 37°C при OD600 од 0,6 са 100 μM IPTG. Ћелије су затим инкубиране током 4 h, сакупљене и лизиране као што је горе наведено за MgtB.
Сирови ћелијски екстракти су центрифугирани на 15.000 × g и 4°C ради таложења ћелијских остатака. Избистрени екстракти су нанети на колоне HisTrap FF Crude запремине 1 ml помоћу система ÄKTAprime Plus. Ензими су пречишћени према протоколу произвођача за градијентно елуирање протеина са His ознаком. Елуирани раствори протеина су два пута дијализовани према 1.000 запремина 50 mM PBS, pH 7,4, са 0,3 M NaCl на 4°C. Пречишћавање је анализирано помоћу 12% SDS-PAGE. Концентрација протеина одређена је Бредфордовом методом уз употребу Roti-Quant. (Rabausch et al. 2013)
Ултразвучна екстракција протеина из бактерија E. coli
Протеин мамац од интереса (у овом случају MTV1 из Arabidopsis thaliana) спаја се са GST ознаком и експримира у ћелијама Escherichia coli (E. coli) BL21.
- Узмите по један талог GST-MTV1 и GST (који одговара 50 ml бактеријске културе) и сваки ресуспендујте у 2,5 mL ледено хладног пуфера за екстракцију.
- Користите ултразвучни уређај UP100H (опремљен сонотродом са микроврхом MS3 за мале запремине од приближно 2–5mL) за разарање бактеријских ћелија све док се не лизирају, на шта указују смањена замућеност и повећана вискозност. Ово се мора изводити на леду, а препоручује се соникација у интервалима (нпр. 10 sec соникације, затим 10 sec паузе на леду и тако даље). Треба водити рачуна да интензитет соникације не буде превисок. Ако се примети пенушање или стварање белог талога, интензитет треба смањити.
- Пренесите раствор лизираних бактерија у микроцентрифужне епрувете од 1,5 mL и центрифугирајте на 4°C, при 16.000 x g током 20 min.
Ултразвучни уређаји са сондом, као што је UP400St, користе принцип акустичне кавитације за ефикасну лизу E.coli.
Анализа експресије и пречишћавање рекомбинантног протеина помоћу соникације
Талог ћелија E. coli сонициран је ултразвучним уређајем Hielscher UP100H. У ту сврху, ћелијски талог је ресуспендован у охлађеном пуферу за лизу (50 mM Tris-HCl pH=7,5, 100 mM NaCl, 5 mM DTT, 1 mM PMSF) и хлађен на леду током 10 min. Затим је ћелијска суспензија соницирана у 10 кратких импулса од по 10 s, са интервалима од 30 s за хлађење. На крају су ћелијски остаци уклоњени ултрацентрифугирањем на 4°C током 15 min при 14.000 rpm. Ради потврде експресије rPR, супернатант је подвргнут електрофорези на 12% полиакриламидном гелу и анализиран методама SDS-PAGE и вестерн блот. Пречишћавање rPR изведено је помоћу Ni2+-NTA смоле (Invitrogen, САД) према упутству произвођача. У овој фази коришћена је метода пречишћавања у нативним условима. Чистоћа пречишћеног протеина процењена је електрофорезом на 12% полиакриламидном гелу и накнадним бојењем бојом Coomassie blue. Концентрација пречишћеног протеина измерена је комплетом Micro BCA за одређивање протеина (PIERCE, САД). (Azarnezhad et al. 2016)
Ултразвучни хомогенизатори за лизу E. coli
Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и испоручује ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за поуздану и ефикасну лизу бактерија E. coli и других типова ћелија, ткива и ћелијских култура.
Широк асортиман ултразвучних сонди, као и система за индиректну соникацију, омогућава нам да вам понудимо идеалан ултразвучни хомогенизатор ткива за вашу примену разарања ћелија и екстракције.
Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој
Ултразвучни уређаји Hielscher познати су по највишим стандардима квалитета и дизајна. Паметан софтвер, интуитиван мени, програмабилна подешавања и аутоматско бележење података само су неке од карактеристика ултразвучних уређаја Hielscher. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у истраживачке и биотехнолошке установе. Ултразвучни уређаји Hielscher лако раде чак и у тешким условима и захтевним окружењима.
Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу употребе. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усклађени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.
Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| плоче са више бунарчића / микротитарске плоче | n.a. | UIP400MTP |
| CupHorn за бочице или лабораторијску чашу | n.a. | Ultrasonic CupHorn |
| ултразвучни микропроточни реактор | n.a. | GDmini2 |
| до 10 бочица са 0,5 до 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 0,5 до 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Додатни протоколи за ултразвучну лизу E. coli
Протеини модификовани алицином у E. coli уз употребу ултразвучног уређаја VialTweeter
Одређивање садржаја сулфхидрилних група тестом са 5,5′-дитиобис(2-нитробензоевом киселином) (DTNB)
Култура E. coli MG1655 узгајана преко ноћи коришћена је за инокулацију минималне подлоге MOPS (1:100). Култура је узгајана аеробно док није достигнута вредност A600 од 0,4. Култура је подељена на три културе од по 15-ml за третман стресом. Нетретирана култура служила је као негативна контрола. Једној од преостале две културе додато је 0,79 mM алицина (128 μg ml-1), а другој 1 mM диамида. Културе су инкубиране током 15 min. Из сваке културе узето је 5 ml и центрифугирано ради сакупљања ћелија (8.525 × g, 4°C, 10 min). Ћелије су два пута испране са 1 ml PBS (137 mM NaCl, 2,7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, 2 mM KH2PO4, pH 7,4, чуваног у анаеробним условима пре употребе) и центрифугиране (13.000 × g, 4°C, 10 min). Ћелије су ресуспендоване у пуферу за лизу (PBS са 6 mM гванидинијум-хидрохлорида, pH 7,4) пре разарања на 4°C ултразвучном обрадом (VialTweeter ултразвучни хомогенизатор, Hielscher GmbH, Немачка) (3 × 1 min). Ћелијски остаци су исталожени центрифугирањем (13.000 × g, 4 °C, 15 min). Супернатант је пребачен у QS-макро кивету запремине 3,5-ml (10 mm) са магнетним штапићем за мешање и помешан са 1 ml пуфера за лизу. Екстинкција узорака праћена је на 412 nm помоћу спектрофотометра Jasco V-650 опремљеног термостатираним држачем кивета PSC-718, на собној температури. Додато је 100μl раствора дитиобис(2-нитробензојеве киселине) концентрације 3 mM. Екстинкција је праћена док није достигла засићење. Концентрација тиола израчуната је помоћу коефицијента екстинкције ϵ412 = 13.700 M-1 cm-1 за тио-2-нитробензојеву киселину (TNB). Ћелијске концентрације тиола израчунате су на основу запремине ћелија E. coli од 6,7 × 10-15 литара и густине ћелија од A600 = 0,5 (што одговара 1 × 108 ћелија ml-1 културе). (Müller et al. 2016)
Одређивање глутатиона in vivo помоћу ултразвучног разарача ћелија
E.coli MG1655 је узгајана у минималној подлози MOPS у укупној запремини од 200ml док A600 није достигла 0,5. Култура је подељена на културе запремине 50-ml за третман стресом. После 15 min инкубације са 0,79 mM алицина, 1 mM диамида или диметил-сулфоксидом (контрола), ћелије су сакупљене центрифугирањем при 4.000g на 4°C током 10 min. Ћелије су двапут испране пуфером KPE пре ресуспендовања талога у 700µl пуфера KPE. За депротеинизацију је додато 300l 10% (w/v) сулфосалицилне киселине пре разарања ћелија ултразвучним третманом (3 x 1 min; VialTweeter ултразвучни хомогенизатор). Супернатанти су сакупљени након центрифугирања (30 min, 13.000g, 4°C). Концентрације сулфосалицилне киселине смањене су на 1% додавањем 3 запремине пуфера KPE. Мерења укупног глутатиона и GSSG извршена су као што је претходно описано. Ћелијске концентрације глутатиона израчунате су на основу запремине ћелија E. coli од 6,7×10-15 литара и густине ћелија од A600 0,5 (што одговара 1×108 ћелија ml-1 културе). Концентрације GSH израчунате су одузимањем 2[GSSG] од укупног глутатиона. (Müller et al. 2016)
Експресија људске mAspAT у E. coli уз употребу ултразвучног хомогенизатора
Појединачна колонија E. coli BL21 (DE3) која носи експресиони вектор у 30 mL подлоге Luria-Bertani (LB) са 100μg/mL ампицилина затим је култивисана на 37ºC док оптичка густина (OD600) није достигла 0,6. Ћелије су сакупљене центрифугирањем при 4.000 × g током 10 min и ресуспендоване у 3L свеже подлоге LB са 100μg/mL ампицилина.
Након тога, експресија протеина индукована је са 1 mM изопропил β-ᴅ-1-тиогалактопиранозида (IPTG) током 20 h на 16ºC. Ћелије су сакупљене центрифугирањем при 8.000 × g током 15 min и испране пуфером A (20 mM NaH2PO4, 0,5 M NaCl, pH 7,4). Из 3 L културе добијено је приближно 45g ћелија (влажна маса). Након центрифугирања, ћелијски талози су ресуспендовани у 40 mL (за 1 L културе) ледено хладног екстракционог пуфера A и лизирани ултразвучним третманом на ледено хладној температури помоћу ултразвучног разарача ћелија Hielscher UP400St. Ћелијски лизат је центрифугиран при 12.000 rpm током 15 min ради раздвајања растворљиве фракције (супернатант) и исталожене фракције (талог). (Jiang et al. 2015)
Чињенице које вреди знати
E.coli
Escherichia coli (E. coli) је грам-негативна, факултативно анаеробна, штапићаста, колиформна бактерија рода Escherichia која се обично налази у доњем делу црева топлокрвних организама (ендотерма). Постоји велики број сојева (или подтипова) E. coli са различитим карактеристикама. Већина сојева E. coli је безопасна за људе, нпр. сојеви B и K-12, који се често користе за истраживања у лабораторијама. Међутим, неки сојеви су штетни и могу изазвати озбиљне болести.
E. coli има важну улогу у савременом биолошком инжењерству и индустријској микробиологији јер је овом бактеријом лако манипулисати. Уобичајене лабораторијске примене које често укључују употребу E. coli обухватају, на пример, стварање рекомбинантне дезоксирибонуклеинске киселине (ДНК) или њену употребу као модел-организма.
E. coli је веома свестран домаћин за производњу хетерологних протеина, а за производњу рекомбинантних протеина у E. coli доступни су бројни системи за експресију протеина. Употребом плазмида који омогућавају висок ниво експресије протеина, гени се могу унети у бактерије, што омогућава производњу таквих протеина у великим количинама у процесима индустријске ферментације.
E.coli се користе као ћелијске фабрике за производњу инсулина. Друге примене укључују употребу модификованих ћелија E. coli за развој и производњу вакцина и имобилисаних ензима, за производњу биогорива, као и за биоремедијацију.
Сој K-12 је мутантни облик E. coli који прекомерно експримира ензим алкалну фосфатазу (ALP). Ова мутација настаје услед дефекта у гену који стално кодира тај ензим. Ако ген производи производ без икакве инхибиције, то се назива конститутивном активношћу. Овај специфични мутантни облик користи се за изолацију и пречишћавање ензима ALP.
Бактерије E. coli се такође широко користе као ћелијске фабрике. Модификовани микроорганизми (нпр. бактерије) и биљне ћелије могу се користити као такозване ћелијске фабрике. Ове генетички модификоване ћелије производе молекуле, хемикалије, полимере, протеине и друге супстанце које се користе, на пример, у фармацеутској, прехрамбеној и хемијској индустрији. Ради ослобађања молекула произведених у унутрашњости таквих биоинжењерски модификованих ћелија, ултразвучна лиза је уобичајена метода за разарање ћелијских зидова и преношење циљних супстанци у околну течност. Прочитајте више о лизи биоинжењерски модификованих ћелија!
Ултразвучно смицање ДНК
Ултразвучне силе смицања се често користе за ослобађање молекула, органела и протеина из унутрашњости ћелија, као и за разбијање ланаца ДНК на делове. Акустична кавитација разара ћелијске зидове и мембране ради екстракције ДНК из ћелија и стварања фрагмената дужине око 600 – 800 bp, што је идеално за анализу.
Кликните овде да бисте сазнали више о ултразвучним хомогенизаторима за фрагментацију ДНК!
Литература / Референце
- 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 производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских размера.
