Ultraljudslys av E. coli
- E. coli-bakterier är de vanligast använda bakterierna inom mikrobiologi och bioteknik.
- Ultraljudsbaserade celldisruptorer ger tillförlitliga och reproducerbara resultat vid lys av E. coli.
- Intensiv men exakt reglerbar kavitation och skjuvkrafter leder till fullständig sönderdelning och höga extraktionsutbyten (t.ex. proteiner, DNA).
Varför är cellsönderdelning med ultraljud den föredragna metoden för E. coli?
Ultraljudshomogenisatorer eller ultraljudsapparater med sond erbjuder flera fördelar vid lys av E. coli, eftersom intensivt ultraljud effektivt sönderdelar cellväggar och membran. Ultraljudsapparater med sond används i stor utsträckning för lys av E. coli av följande skäl:
Proteinextraktion från E.coli-celler utförs effektivt med ultraljudssonden UP200St
En ultraljudsapparat med sond erbjuder många fördelar vid lys av E. coli. Den tillförlitliga och exakta regleringen av ultraljudsprocessens parametrar gör det möjligt att optimera driftsparametrar såsom effekt, varaktighet och provhantering för att uppnå önskade resultat.
Cellsönderdelning med ultraljudskavitation
Ultraljudshomogenisatorer av sondtyp arbetar med cirka 20 000 cykler per sekund (vid 20kHz) och orsakar kavitation i vätskor eller suspensioner. Akustisk kavitation skapar mikroskopiska områden med vakuumliknande tryck och höga temperaturer som sliter sönder celler. Även om temperaturerna kan nå flera tusen grader Celsius är kavitationsvolymerna så små att de inte värmer upp processen nämnvärt. Akustisk kavitation och skjuvkrafter som genereras av ultraljud perforerar eller bryter sönder cellmembranet hos bakterieceller såsom E.coli. Hielschers ultraljudsapparater möjliggör exakt kontroll över processparametrar såsom ultraljudsintensitet, amplitud, energitillförsel och temperatur. Därmed kan ultraljudslysprocessen anpassas optimalt till celltypen, cellkulturen och processmålet.
- exakt kontroll över lysen (intensitet, amplitud, temperatur)
- tillförlitliga, reproducerbara resultat
- optimal anpassning till specifika prover
- temperaturkontroll
- för mycket små till mycket stora prover (µL till liter)
- rent mekanisk behandling
- användarvänlig, säker drift
- linjär uppskalning från laboratorium till produktion
VialTweeter för ultraljudslys
Ultraljudshomogenisator jämfört med andra lystekniker
Kemisk och enzymatisk lys kan vara problematisk – eftersom kemisk lys kan förändra proteinstrukturer och medföra reningsproblem, medan enzymatisk lys kräver långa inkubationstider och inte är reproducerbar – men ultraljudsdisruption är en avancerad, snabb metod för celldisruption.
Ultraljudslys bygger enbart på mekaniska krafter. Inga kemikalier tillsätts; ultraljudsbehandlingen bryter sönder cellväggen genom skjuvkrafter. Kemisk lys kan förändra proteinstrukturen och medföra reningsproblem. Enzymatisk disruption kräver långa inkubationstider och är inte reproducerbar. Ultraljudsdisruption av E.coli-bakterieceller är snabb, enkel, tillförlitlig och reproducerbar. Därför används Hielschers ultraljudsapparater i biologiska och biokemiska laboratorier världen över för provberedning, preanalytik, in vitro-diagnostik och en mängd olika analyser.
Allmänna rekommendationer för ultraljudslys
Ultraljudsbehandling är den mest populära tekniken för lysering av mycket små, medelstora och stora mängder cellsuspensioner – från pikoliter upp till 100L/hr (med en ultraljudsflödescell). Celler lyseras genom skjuvkrafter i vätskan och kavitation. DNA fragmenteras också av skjuvkrafter under ultraljudsbehandlingen, så det är inte nödvändigt att tillsätta DNase till cellsuspensionen.
Temperaturkontroll vid ultraljudslys av E.coli
Genom att förkyla provet och hålla det på is under ultraljudsbehandlingen kan termisk nedbrytning av provet enkelt förhindras.
Helst bör prover hållas iskalla under lysen, men för de flesta prover räcker det att temperaturen inte överstiger temperaturen hos den ursprungliga kulturen eller vävnaden. Därför rekommenderas att suspensionen hålls på is och behandlas med flera korta ultraljudspulser på 5–10 sekunder och pauser på 10–30 sekunder. Under pauserna kan värmen avledas så att en låg temperatur återställs. För större cellprover finns olika flödescellsreaktorer med kylmantlar tillgängliga.
Läs detaljerade tips och rekommendationer för framgångsrik ultraljudslys här!
Protokoll för beredning av E. coli-lysat med ultraljud
Forskare använder Hielschers ultraljudshomogenisatorer för celldisruption av E.coli. Nedan hittar du olika testade och beprövade protokoll för lys av E.coli med Hielschers ultraljudshomogenisatorer för olika E. coli-relaterade tillämpningar.
Cellodling, tvärbindning och beredning av E. coli-cellextrakt med ultraljud
För ChIP-Chip av SeqA och RNA-polymeras odlades E. coli MG1655 eller MG1655 ΔseqA vid 37°C till ett OD600 på cirka 0,15 i 50 ml LB (+ 0,2% glukos) innan 27 μl formaldehyd (37%) per ml medium tillsattes (slutkoncentration 1%). Tvärbindning utfördes under långsam skakning (100 rpm) vid rumstemperatur i 20 min, varefter reaktionen avbröts med 10 ml 2,5 M glycin (slutkoncentration 0,5 M). För värmechockexperiment odlades E. coli MG1655 i 65 ml LB-medium vid 30°C till ett OD600 på cirka 0,3. Därefter överfördes 30 ml av kulturen till en förvärmd kolv vid 43°C och resten hölls vid 30°C. Tvärbindning och avbrytande av reaktionen utfördes enligt beskrivningen ovan, med undantaget att cellerna hölls vid 30 eller 43°C i 5 min före ytterligare långsam skakning vid rumstemperatur. Cellerna samlades in genom centrifugering och tvättades två gånger med kall TBS (pH7.5). Efter resuspendering i 1 ml lysbuffert (10 mM Tris (pH 8,0), 20% sackaros, 50 mM NaCl, 10 mM EDTA, 10 mg/ml lysozym) och inkubering vid 37°C i 30 min, följt av tillsats av 4 ml IP-buffert, ultraljudsbehandlades cellerna på is 12 gånger i 30 sek med pauser på 30 sek med Hielschers ultraljudsprocessor UP400St vid en effektinställning på 100%. Efter centrifugering i 10 min vid 9000 g förvarades alikvoter om 800 μl av supernatanten vid -20°C. (Waldminghaus 2010)
Överproduktion och rening av enzymer med en ultraljudssond
För överproduktion av dekahistidinmärkta (His10) proteiner transformerades E. coli BL21(DE3) med pET19b-konstruktioner. En förkultur som odlats över natten skördades genom centrifugering, och 1% användes för att inokulera en expressionskultur. Celler som bar pET19mgtB odlades vid 22°C tills en optisk densitet vid 600 nm (OD600) på 0,7 uppnåddes. Kulturen överfördes till 17°C och inducerades med 100 μM IPTG. Efter 16 h skördades kulturen genom centrifugering vid 7 500 × g vid 4°C. Cellerna resuspenderades i 50 mM fosfatbuffrad saltlösning (PBS) med 0,3 M NaCl vid pH 7,4 och sönderdelades genom ultraljudsbehandling med en S2-sonotrod med mikrospets på Hielschers ultraljudsapparat UP200St med en cykel på 0,5 och en amplitud på 75%.
Överproduktionen av dekahistidinmärkt GtfC inducerades vid 37°C vid ett OD600 på 0,6 med 100 μM IPTG. Cellerna inkuberades därefter i 4 h, skördades och lyserades enligt beskrivningen ovan för MgtB.
Råa cellextrakt centrifugerades vid 15 000 × g och 4°C för att sedimentera cellresterna. De klarade extrakten applicerades på HisTrap FF Crude-kolonner på 1 ml med hjälp av ett ÄKTAprime Plus-system. Enzymerna renades enligt tillverkarens protokoll för gradienteluering av His-märkta proteiner. Eluerade proteinlösningar dialyserades två gånger mot 1 000 volymer 50 mM PBS, pH 7,4, med 0,3 M NaCl vid 4°C. Reningen analyserades med 12% SDS-PAGE. Proteinkoncentrationen bestämdes med Bradfordmetoden med hjälp av Roti-Quant. (Rabausch et al. 2013)
Ultraljudsextraktion av protein från E. coli-bakterier
Ett betesprotein av intresse (i detta fall MTV1 från Arabidopsis thaliana) fusioneras med en GST-tagg och uttrycks i BL21-celler av Escherichia coli (E. coli).
- Ta en pellet vardera av GST-MTV1 och GST (motsvarande 50 ml bakteriekultur) och resuspendera vardera i 2,5 mL iskall extraktionsbuffert.
- Använd en ultraljudsapparat UP100H (utrustad med MS3-sonotrod med mikrospets för små volymer på cirka 2–5mL) för att sönderdela bakteriecellerna tills de är lyserade, vilket indikeras av minskad opacitet och ökad viskositet. Detta måste utföras på is, och det rekommenderas att ultraljudsbehandla i intervaller (t.ex. 10 sek ultraljudsbehandling följt av 10 sek paus på is och så vidare). Var noga med att inte ultraljudsbehandla med för hög intensitet. Om skumbildning eller bildning av en vit fällning observeras måste intensiteten sänkas.
- Överför lösningen med lyserade bakterier till mikrocentrifugrör på 1,5 mL och centrifugera vid 4°C, 16 000 x g i 20 min.
Ultraljudsapparater av sondtyp såsom UP400St använder principen för akustisk kavitation för effektiv lysering av E.coli.
Expressionsanalys och rening av rekombinant protein med ultraljudsbehandling
E. coli-pelleten ultraljudsbehandlades med Hielscher-ultraljudsapparaten UP100H. För detta ändamål resuspenderades cellpelleten i kyld lysbuffert (50 mM Tris-HCl pH=7,5, 100 mM NaCl, 5 mM DTT, 1 mM PMSF) och kyldes på is i 10 min. Därefter ultraljudsbehandlades cellsuspensionen med 10 korta pulser om 10 s med efterföljande intervall om 30 s för kylning. Slutligen avlägsnades cellrester genom ultracentrifugering vid 4°C i 15 min vid 14 000 rpm. För att bekräfta rPR-uttrycket kördes supernatanten på en 12% polyakrylamidgel och analyserades med SDS-PAGE och Western blotting. Rening av rPR utfördes med Ni2+-NTA-harts (Invitrogen, USA) enligt tillverkarens anvisningar. I detta steg användes en reningsmetod under nativa förhållanden. Det renade proteinets renhet bedömdes med elektrofores på en 12% polyakrylamidgel och efterföljande färgning med Coomassieblått. Koncentrationen av renat protein mättes med Micro BCA protein assay kit (PIERCE, USA). (Azarnezhad et al. 2016)
Ultraljudshomogenisatorer för lysering av E. coli
Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och levererar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för tillförlitlig och effektiv lysering av E. coli-bakterier och andra celltyper, vävnader och cellkulturer.
Det breda sortimentet av ultraljudssonder och system för indirekt ultraljudsbehandling gör att vi kan erbjuda dig den idealiska ultraljudshomogenisatorn för vävnad för din tillämpning inom celluppslutning och extraktion.
Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland
Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina allra högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Smart programvara, intuitiv meny, programmerbara inställningar och automatisk dataloggning är bara några av funktionerna hos Hielschers ultraljudsapparater. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i forsknings- och bioteknikanläggningar. Även tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielschers ultraljudsapparater.
Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.
Tabellen nedan ger dig en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:
| Satsvolym | Flödeshastighet | Rekommenderade apparater |
|---|---|---|
| flerbrunns- / mikrotiterplattor | n.a. | UIP400MTP |
| CupHorn för provflaskor eller bägare | n.a. | Ultraljuds-CupHorn |
| mikroflödesreaktor med ultraljud | n.a. | GDmini2 |
| upp till 10 provflaskor med 0,5 till 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 0,5 till 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 till 500mL | 10 till 200mL/min | UP100H |
| 10 till 2000mL | 20 till 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 till 20L | 0,2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 till 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | högre | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Ytterligare protokoll för ultraljudslysering av E. coli
Allicinmodifierade proteiner i E. coli med hjälp av en VialTweeter för ultraljudsbehandling
Bestämning av sulfhydrylhalt med en analys med 5,5′-ditiobis(2-nitrobensoesyra) (DTNB)
En övernattskultur av E. coli MG1655 användes för att inokulera MOPS-minimalmedium (1:100). Kulturen odlades aerobt tills ett A600 på 0,4 uppnåddes. Kulturen delades upp i tre 15-ml-kulturer för stressbehandling. En obehandlad kultur fungerade som negativ kontroll. Till de två återstående kulturerna tillsattes 0,79 mM allicin (128 μg ml-1) respektive 1 mM diamid. Kulturerna inkuberades i 15 min. 5 ml av varje kultur skördades genom centrifugering (8 525 × g, 4°C, 10 min). Cellerna tvättades två gånger med 1 ml PBS (137 mM NaCl, 2,7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, 2 mM KH2PO4, pH 7,4, förvarad anaerobt före användning) och centrifugerades (13 000 × g, 4°C, 10 min). Cellerna resuspenderades i lysbuffert (PBS med 6 mM guanidinium-HCl, pH 7,4) före uppslutning vid 4°C genom ultraljudsbehandling (VialTweeter ultraljudsapparat, Hielscher GmbH, Tyskland) (3 × 1 min). Cellrester samlades i en pellet genom centrifugering (13 000 × g, 4 °C, 15 min). Supernatanten överfördes till en 3,5-ml QS-makrokyvett (10 mm) med en magnetomrörarstav och blandades med 1 ml lysbuffert. Provernas absorbans följdes vid 412 nm med en Jasco V-650-spektrofotometer utrustad med den temperaturreglerade kyvetthållaren PSC-718 vid rumstemperatur. 100μl av en 3 mM lösning av ditiobis(2-nitrobensoesyra) tillsattes. Absorbansen följdes tills den nådde mättnad. Tiolkoncentrationen beräknades med hjälp av extinktionskoefficienten ϵ412 = 13 700 M-1 cm-1 för tio-2-nitrobensoesyra (TNB). Cellulära tiolkoncentrationer beräknades utifrån en volym hos E. coli-celler på 6,7 × 10-15 liter och en celldensitet på A600 = 0,5 (motsvarande 1 × 108 celler ml-1 odling). (Müller et al. 2016)
Bestämning av glutation in vivo med en ultraljudscellkross
E.coli MG1655 odlades i MOPS-minimalmedium i en total volym på 200ml tills ett A600 på 0,5 uppnåddes. Odlingen delades upp i 50-ml-odlingar för stressbehandling. Efter 15 min inkubation med 0,79 mM allicin, 1 mM diamid eller dimetylsulfoxid (kontroll) skördades cellerna vid 4 000g och 4°C i 10 min. Cellerna tvättades två gånger med KPE-buffert innan pelletarna resuspenderades i 700µl KPE-buffert. För avproteinisering tillsattes 300l 10% (w/v) sulfosalicylsyra innan cellerna sönderdelades genom ultraljudsbehandling (3 x 1 min; VialTweeter ultraljudsapparat). Supernatanterna samlades in efter centrifugering (30 min, 13 000g, 4°C). Koncentrationerna av sulfosalicylsyra sänktes till 1% genom tillsats av 3 volymer KPE-buffert. Mätningar av totalt glutation och GSSG utfördes enligt beskrivningen ovan. Cellulära glutationkoncentrationer beräknades utifrån en volym hos E. coli-celler på 6,7×10-15 liter och en celldensitet på A600 0,5 (motsvarande 1×108 celler ml-1 odling). GSH-koncentrationerna beräknades genom att subtrahera 2[GSSG] från totalt glutation. (Müller et al. 2016)
Uttryck av humant mAspAT i E. coli med en ultraljudshomogenisator
Den enskilda kolonin av E. coli BL21 (DE3) som bar expressionsvektorn odlades sedan i 30 mL Luria-Bertani-medium (LB) innehållande 100μg/mL ampicillin vid 37ºC tills den optiska densiteten (OD600) nådde 0,6. Cellerna skördades genom centrifugering vid 4 000 × g i 10 min och resuspenderades i 3L färskt LB-medium innehållande 100μg/mL ampicillin.
Därefter inducerades proteinuttrycket med 1 mM isopropyl-β-ᴅ-1-tiogalaktopyranosid (IPTG) under 20 h vid 16ºC. Cellerna skördades genom centrifugering vid 8 000 × g i 15 min och tvättades med buffert A (20 mM NaH2PO4, 0,5 M NaCl, pH 7,4). Ungefär 45g (våtvikt) celler erhölls från 3 L odling. Efter centrifugering resuspenderades cellpelletarna i 40 mL (för 1 L odling) iskall extraktionsbuffert A och lyserades genom ultraljudsbehandling vid iskall temperatur med Hielscher ultraljudscellkross UP400St. Celllysatet centrifugerades vid 12 000 rpm i 15 min för att separera lösliga (supernatant) och utfällda (pellet) fraktioner. (Jiang et al. 2015)
Fakta värda att känna till
E.coli
Escherichia coli (E. coli) är en gramnegativ, fakultativt anaerob, stavformad, koliform bakterie av släktet Escherichia som vanligen finns i den nedre delen av tarmen hos varmblodiga organismer (endotermer). Det finns ett stort antal E. coli-stammar (eller undertyper) med olika egenskaper. De flesta E. coli-stammar är ofarliga för människor, t.ex. stammarna B och K-12 som ofta används för forskning i laboratorier. Vissa stammar är dock skadliga och kan orsaka allvarlig sjukdom.
E. coli spelar en viktig roll inom modern bioteknik och industriell mikrobiologi eftersom bakterien är lätt att manipulera. Vanliga laboratorietillämpningar där E. coli ofta används är t.ex. framställning av rekombinant deoxiribonukleinsyra (DNA) eller användning som modellorganism.
E. coli är en mycket mångsidig värd för produktion av heterologa proteiner, och det finns många olika proteinuttryckssystem för att producera rekombinanta proteiner i E. coli. Med hjälp av plasmider som möjliggör högt proteinuttryck kan gener föras in i bakterierna, vilket gör det möjligt att producera sådana proteiner i stora mängder i industriella fermenteringsprocesser.
E.coli används som cellfabriker för att producera insulin. Ytterligare tillämpningar omfattar användning av modifierade E. coli-celler för att utveckla och producera vacciner och immobiliserade enzymer, för att producera biobränslen samt för bioremediering.
Stammen K-12 är en mutantform av E. coli som överuttrycker enzymet alkaliskt fosfatas (ALP). Denna mutation uppstår på grund av en defekt i den gen som ständigt kodar för enzymet. Om en gen producerar en produkt utan någon hämning kallas detta konstitutiv aktivitet. Denna specifika mutantform används för isolering och rening av ALP-enzymet.
E. coli-bakterier används också i stor utsträckning som cellfabriker. Modifierade mikroorganismer (t.ex. bakterier) och växtceller kan användas som så kallade cellfabriker. Dessa genetiskt modifierade celler producerar molekyler, kemikalier, polymerer, proteiner och andra ämnen som används exempelvis inom läkemedelsindustrin, livsmedelsindustrin och den kemiska industrin. För att frigöra de molekyler som produceras inuti sådana biotekniskt modifierade celler är ultraljudslys en vanlig metod för att bryta sönder cellväggarna och överföra målämnena till den omgivande vätskan. Läs mer om lys av biotekniskt modifierade celler!
DNA-skjuvning med ultraljud
Skjuvkrafter som alstras av ultraljud är en vanligt använd metod för att frigöra molekyler, organeller och proteiner från cellens inre samt för att bryta DNA-strängar i bitar. Akustisk kavitation bryter sönder cellväggarna och membranen för att extrahera DNA från celler och generera fragment med en längd på cirka 600–800 bp, vilket är idealiskt för analys.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudshomogenisatorer för DNA-fragmentering!
Litteratur / Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratorieskala till industriell skala.
