Ультразвуковий лізис E. coli
- Бактерії E. coli є найбільш часто використовуваними бактеріями в мікробіології та біотехнології.
- Ультразвукові руйнівники клітин забезпечують надійні та відтворювані результати для лізису E. coli.
- Інтенсивні, але точно контрольовані кавітаційні та зсувні сили призводять до повного руйнування та високих виходів екстракції (наприклад, білків, ДНК).
Чому ультразвукове руйнування клітин E. coli є переважним методом?
Ультразвукові гомогенізатори або ультразвукові апарати зондового типу пропонують кілька переваг для лізису E. coli, оскільки інтенсивний ультразвук ефективно руйнує клітинні стінки та мембрани. Ультразвукові апарати зондового типу широко використовуються для лізису E. coli з наступних причин:
Екстракція білків з клітин E. coli ефективно виконується за допомогою ультразвукового зонда UP200St
Ультразвуковий апарат зондового типу пропонує багато переваг для лізису E. coli. Надійний і точний контроль над параметрами ультразвукового процесу дозволяє оптимізувати робочі параметри, такі як потужність, тривалість та обробка зразків, для досягнення бажаних результатів.
Руйнування клітин за допомогою ультразвукової кавітації
Ультразвукові гомогенізатори зондового типу працюють приблизно з 20 000 циклів за секунду (при 20kHz) і спричиняють кавітацію в рідинах або суспензіях. Акустична кавітація створює мікроскопічні ділянки з тиском, подібним до вакууму, та високими температурами, які руйнують клітини. Хоча температури можуть досягати кількох тисяч градусів Цельсія, об’єми кавітації настільки малі, що вони не нагрівають процес суттєво. Ультразвук генерує акустичну кавітацію та зсувні сили, які перфорують або руйнують клітинну мембрану бактеріальних клітин, таких як E.coli. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher дозволяють точно контролювати параметри процесу, такі як інтенсивність ультразвуку, амплітуда, енерговитрати та температура. Таким чином, процес ультразвукового лізису можна оптимально налаштувати відповідно до типу клітин, культури клітин та мети процесу.
- точний контроль лізису (інтенсивність, амплітуда, температура)
- надійні, відтворювані результати
- оптимальна адаптація до конкретних зразків
- контроль температури
- для дуже малих до дуже великих зразків (µL до літрів)
- суто механічна обробка
- зручне, безпечне експлуатування
- лінійне масштабування від лабораторії до виробництва
VialTweeter для ультразвукового лізису
Ультразвуковий гомогенізатор проти інших технік лізису
Хоча хімічний та ферментативний лізис можуть бути проблематичними – оскільки хімічний лізис може змінювати структури білків і створювати проблеми з очищенням, а ферментативний лізис вимагає тривалого інкубування і не є відтворюваним – ультразвукове руйнування є досконалим, швидким методом руйнування клітин.
Ультразвуковий лізис базується виключно на механічних силах. Жодних хімічних речовин не додається, ультразвукова обробка руйнує клітинну стінку за допомогою зсувних сил. Хімічний лізис може змінювати структуру білків і створювати проблеми з очищенням. Ферментативне руйнування вимагає тривалого інкубування і не є відтворюваним. Ультразвукове руйнування клітин бактерій E.coli є швидким, простим, надійним і відтворюваним. Саме тому ультразвукові гомогенізатори Hielscher використовуються в біологічних і біохімічних лабораторіях у всьому світі для підготовки зразків, преаналітики, in-vitro діагностики та різноманітних аналізів.
Загальні рекомендації щодо ультразвукового лізису
Ультразвукова обробка є найпопулярнішою технікою для лізису дуже малих, середніх і великих кількостей суспензій клітин – від піколітрів до 100L/год (з використанням ультразвукової проточної комірки). Клітини лізуються за допомогою зсуву рідини та кавітації. ДНК також подрібнюється під час ультразвукової обробки, тому не потрібно додавати ДНКазу до суспензії клітин.
Контроль температури під час ультразвукового лізису E.coli
Попереднє охолодження зразка та утримання зразка під час ультразвукової обробки на льоду дозволяють легко запобігти термічній деградації зразка.
Ідеально, зразки слід утримувати крижано-холодними під час лізису, але для більшості зразків достатньо, якщо температура не перевищує температуру культури або джерела тканини. Тому рекомендується утримувати суспензію на льоду та проводити ультразвукову обробку кількома короткими ультразвуковими імпульсами по 5-10 сек з паузами по 10-30 сек. Під час пауз тепло може розсіятися, щоб відновити низьку температуру. Для більших зразків клітин доступні різноманітні реактори з проточними комірками з охолоджувальними сорочками.
Читайте тут детальні поради та рекомендації для успішного ультразвукового лізису!
Протоколи для ультразвукової підготовки лізатів E. Coli
Дослідники використовують ультразвукові гомогенізатори Hielscher для руйнування клітин E.coli. Нижче ви можете знайти різноманітні перевірені та доведені протоколи для лізису E.coli за допомогою ультразвукових гомогенізаторів Hielscher для різних застосувань, пов’язаних з E. coli.
Зростання клітин, зшивання та підготовка екстрактів клітин E. coli за допомогою ультразвуку
Для SeqA та ChIP-Chip РНК-полімерази E. coli MG1655 або MG1655 ΔseqA вирощували при 37°C до OD600 близько 0,15 в 50 ml LB (+ 0,2% глюкози), після чого до кожного ml середовища додавали 27 μl формальдегіду (37%) (кінцева концентрація 1%). Зшивання проводили при повільному перемішуванні (100 rpm) при кімнатній температурі протягом 20 хв, після чого проводили гасіння реакції за допомогою 10 ml 2,5 M гліцину (кінцева концентрація 0,5 M). Для експериментів з тепловим шоком E. coli MG1655 вирощували в 65 ml середовища LB при 30°C до OD600 близько 0,3. Згодом 30 ml культури переносили в попередньо підігріту колбу при 43°C, а решту залишали при 30°C. Зшивання та гасіння реакції проводили, як описано вище, за винятком того, що клітини витримували при 30 або 43°C протягом 5 хв перед подальшим повільним перемішуванням при кімнатній температурі. Клітини збирали центрифугуванням та двічі промивали холодним TBS (pH7.5). Після ресуспендування в 1 ml буфера для лізису (10 mM Tris (pH 8,0), 20% сахароза, 50 mM NaCl, 10 mM EDTA, 10 mg/ml лізоцим) та інкубації при 37°C протягом 30 хв, після додавання 4 ml IP буфера, клітини піддавали ультразвуковій обробці на льоду 12 разів по 30 сек з перервами 30 сек, використовуючи Hielscher ультразвуковий процесор UP400St при налаштуванні потужності 100%. Після центрифугування протягом 10 хв при 9000 g, аліквоти надосадкової рідини об’ємом 800 μl зберігали при -20°C. (Waldminghaus 2010)
Надвиробництво та очищення ферментів за допомогою ультразвукового зонда
Для надвиробництва білків, мічених декагістидином (His10), E. coli BL21(DE3) трансформували конструкціями pET19b. Нічну прекультуру збирали центрифугуванням, і 1% використовували для інокуляції експресійної культури. Клітини, що несуть pET19mgtB, вирощували при 22°C до оптичної щільності при 600 nm (OD600) 0,7. Культуру переносили при 17°C та індуктували 100 μM IPTG. Після 16 h культуру збирали центрифугуванням при 7 500 × g при 4°C. Клітини ресуспендували в 50 mM фосфатно-буферному розчині (PBS) з 0,3 M NaCl при pH 7,4 та руйнували за допомогою ультразвукової обробки з S2 мікро-наконечником сонотрода на Hielscher ультразвуковому гомогенізаторі UP200St при циклі 0,5 та амплітуді 75%.
Надвиробництво декагістидин-міченого GtfC індуктували при 37°C при OD600 0,6 за допомогою 100 μM IPTG. Клітини потім інкубували протягом 4 год, збирали та лізували, як зазначено вище для MgtB.
Неочищені клітинні екстракти центрифугували при 15 000 × g та 4°C для осадження клітинних залишків. Прозорі екстракти наносили на 1-ml колонки HisTrap FF Crude, використовуючи систему ÄKTAprime Plus. Ферменти очищували згідно з протоколом виробника для градієнтного елюювання His-мічених білків. Елюовані розчини білків діалізували двічі проти 1 000 об’ємів 50 mM PBS, pH 7,4, з 0,3 M NaCl при 4°C. Очищення аналізували за допомогою 12% SDS-PAGE. Концентрацію білка визначали методом Бредфорда, використовуючи Roti-Quant. (Rabausch et al. 2013)
Ультразвукова екстракція білка з бактерій E. coli
Білок-приманку, що цікавить (у цьому випадку MTV1 Arabidopsis thaliana), з’єднують з міткою GST та експресують у клітинах BL21 Escherichia coli (E. coli).
- Візьміть один осад GST-MTV1 та GST (відповідає 50 ml бактеріальної культури) та ресуспендуйте кожен у 2,5 mL холодного екстракційного буфера.
- Використовуйте ультразвуковий гомогенізатор UP100H (оснащений MS3 мікро-наконечником-сонотродом для малих об’ємів приблизно 2-5mL), щоб руйнувати бактеріальні клітини до їх лізису, що характеризується зменшенням непрозорості та підвищенням в’язкості. Це слід проводити на льоду, і рекомендується виконувати ультразвукову обробку інтервалами (наприклад, 10 сек ультразвукової обробки, за якою слідує 10 сек паузи на льоду тощо). Необхідно дотримуватися обережності, щоб не виконувати ультразвукову обробку з надмірно високою інтенсивністю. Якщо виявлено утворення піни або білого осаду, інтенсивність слід знизити.
- Перенесіть розчин лізованих бактерій у 1,5 mL мікроцентрифужні пробірки та центрифугуйте при 4°C, 16 000 x g протягом 20 хв.
Ультразвукові гомогенізатори зондового типу, такі як UP400St використовують принцип роботи акустичної кавітації для ефективного лізису E.coli.
Аналіз експресії та очищення рекомбінантного білка за допомогою ультразвукової обробки
Осадок E. coli було оброблено ультразвуком за допомогою Hielscher UP100H. З цією метою клітинний осадок ресуспендували в охолодженому буфері для лізису (50 mM Tris-HCl pH=7,5, 100 mM NaCl, 5 mM DTT, 1 mM PMSF) та витримували на льоду протягом 10 хв. Потім суспензію клітин обробляли ультразвуком 10 короткими імпульсами по 10 с з інтервалом 30 с для охолодження. Нарешті, клітинні залишки видаляли за допомогою ультрацентрифугування при 4°C протягом 15 хв при 14 000 rpm. Для підтвердження експресії rPR надосадову рідину наносили на 12% поліакриламідний гель та аналізували за допомогою SDS-PAGE та вестерн-блотингу. Очищення rPR проводили з використанням Ni2+-NTA смоли (Invitrogen, USA) відповідно до інструкції виробника. На цьому етапі використовували метод нативного очищення. Чистоту очищеного білка оцінювали за допомогою електрофорезу на 12% поліакриламідному гелі та наступного фарбування блакитним Кумассі. Концентрацію очищеного білка вимірювали за допомогою набору для аналізу білків Micro BCA (PIERCE, USA). (Azarnezhad et al. 2016)
Ультразвукові гомогенізатори для лізису E. coli
Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та постачає високоефективні ультразвукові гомогенізатори для надійного та ефективного лізису бактерій E. coli та інших типів клітин, тканин і клітинних культур.
Широкий портфель ультразвукових зондів, а також системи непрямої ультразвукової обробки дозволяють нам запропонувати вам ідеальний ультразвуковий гомогенізатор тканин для вашого застосування з руйнування клітин та екстракції.
Розробка, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині
Ультразвукові обробники Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Розумне програмне забезпечення, інтуїтивне меню, програмовані налаштування та автоматичне протоколювання даних – лише кілька особливостей ультразвукових обробників Hielscher. Надійність та простота експлуатації забезпечують плавну інтеграцію наших ультразвукових обробників у дослідницькі та біотехнологічні установи. Навіть складні умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими обробниками Hielscher.
Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим обробникам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові обробники Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA та RoHs.
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових обробників:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| планшети з багатьма лунками / мікротитр-планшети | n.a. | UIP400MTP |
| CupHorn для віал або склянки | n.a. | Ультразвуковий CupHorn |
| ультразвуковий мікропроточний реактор | n.a. | GDmini2 |
| до 10 віал з 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. | більший | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Додаткові протоколи для ультразвукового лізису E. coli
Алліцин-модифіковані білки в E. coli з використанням ультразвукового VialTweeter
Визначення вмісту сульфгідрильних груп за допомогою аналізу 5,5′-дитіобіс(2-нітробензойною кислотою) (DTNB)
Нічну культуру E. coli MG1655 використовували для інокуляції мінімального середовища MOPS (1:100). Культуру вирощували в аеробних умовах до досягнення A600 0,4. Культуру розділили на три культури по 15-ml для обробки стресом. Необроблена культура слугувала негативним контролем. До кожної з двох інших культур додавали 0,79 mM алліцину (128 μg ml-1) або 1 mM діаміду. Культури інкубували протягом 15 хв. 5 ml кожної культури збирали шляхом центрифугування (8 525 × g, 4°C, 10 хв). Клітини промивали двічі 1 ml PBS (137 mM NaCl, 2,7 mM KCl, 10 mM Na2HPO4, 2 mM KH2PO4, pH 7,4, зберігали в анаеробних умовах перед використанням) та центрифугували (13 000 × g, 4°C, 10 хв). Клітини ресуспендували в буфері для лізису (PBS з 6 mM гуанідинію HCl, pH 7,4) перед руйнуванням при 4°C за допомогою ультразвукової обробки (VialTweeter ультразвуковий гомогенізатор, Hielscher GmbH, Німеччина) (3 × 1 min). Клітинні рештки осаджували центрифугуванням (13 000 × g, 4 °C, 15 min). Надосадову рідину переносили в кювету QS-macro об’ємом 3,5-ml (10 mm) із магнітною мішалкою та змішували з 1 ml лізисного буфера. Екстинкцію зразків контролювали при 412 nm за допомогою спектрофотометра Jasco V-650, обладнаного термостатованим тримачем комірок PSC-718, при кімнатній температурі. Додавали 100μl розчину дитіобіс(2-нітробензойної кислоти) концентрацією 3 mM. Екстинкцію контролювали до досягнення насичення. Розрахунок концентрації тіолів виконували, використовуючи коефіцієнт екстинкції ϵ412 = 13 700 M-1 см-1 для тіо-2-нітробензойної кислоти (TNB). Клітинні концентрації тіолів розраховували на основі об’єму клітин E. coli 6,7 × 10-15 літр та щільності клітин A600 = 0,5 (еквівалентно 1 × 108 клітин мл-1 культури). (Müller et al. 2016)
Визначення глутатіону in vivo за допомогою ультразвукового руйнівника клітин
E.coli MG1655 вирощували в мінімальному середовищі MOPS у загальному об’ємі 200ml до досягнення A600 0,5. Культуру розділяли на 50-ml культури для обробки стресом. Після 15 min інкубації з 0,79 mM алліцином, 1 mM діамідом або диметилсульфоксидом (контроль), клітини збирали при 4 000g при 4°C протягом 10 min. Клітини двічі промивали буфером KPE перед ресуспендуванням осаду в 700µl буфера KPE. Для депротеїнування додавали 300l 10% (w/v) сульфосаліцилової кислоти перед руйнуванням клітин ультразвуковою обробкою (3 x 1 min; VialTweeter ультразвуковий гомогенізатор). Надосадові рідини збирали після центрифугування (30 хв, 13 000g, 4°C). Концентрації сульфосаліцилової кислоти зменшували до 1% шляхом додавання 3 об’ємів буфера KPE. Вимірювання загального глутатіону та GSSG виконували, як описано вище. Клітинні концентрації глутатіону розраховували на основі об’єму клітин E. coli 6,7×10-15 літр та щільності клітин A600 0,5 (еквівалентно 1×108 клітин мл-1 культури). Концентрації GSH розраховували шляхом віднімання 2[GSSG] від загального глутатіону. (Müller et al. 2016)
Експресія мAspAT людини в E. coli за допомогою ультразвукового гомогенізатора
Одину колонію E. coli BL21 (DE3), що містить вектор експресії, в 30 mL середовища Luria-Bertani (LB), що містить 100μg/mL ампіциліну, а потім культивували при 37ºC до досягнення оптичної щільності (OD600) 0,6. Клітини збирали центрифугуванням при 4 000 × g протягом 10 min і ресуспендували в 3L свіжого середовища LB, що містить 100μg/mL ампіциліну.
Пізніше експресію білка індукували за допомогою 1 mM ізопропіл β-ᴅ-1-тіогалактопіранозиду (IPTG) протягом 20 h при 16ºC. Клітини збирали центрифугуванням при 8 000 × g протягом 15 min і промивали буфером A (20 mM NaH2PO4, 0,5 M NaCl, pH 7,4). З 3 L культури отримували приблизно 45g (вогої маси) клітин. Після центрифугування осад клітин ресуспендували в 40 mL (на 1 L культури) крижаного екстракційного буфера A і лізували ультразвуковою обробкою при крижаній температурі за допомогою ультразвукового руйнівника клітин Hielscher UP400St. Лізат клітин центрифугували при 12 000 rpm протягом 15 min для розділення розчинної (надосадової) та осадової (осад) фракцій. (Jiang et al. 2015)
Факти, які варто знати
E.coli
Escherichia coli (E. coli) – це грамнегативна, факультативно анаеробна, паличкоподібна бактерія коліформного роду Escherichia, яка зазвичай зустрічається в нижніх відділах кишечника теплокровних організмів (ендотермів). Існує велика кількість штамів (або підтипів) E. coli з різноманітними характеристиками. Більшість штамів E. coli нешкідливі для людини, наприклад, штами B і K-12, які часто використовуються для дослідницьких застосувань у лабораторіях. Однак деякі штами є шкідливими і можуть спричиняти серйозні захворювання.
E. coli відіграє важливу роль у сучасній біологічній інженерії та промисловій мікробіології, оскільки ці бактерії легко маніпулювати. Типові лабораторні застосування, які часто включають використання E. coli, наприклад, створення рекомбінантної дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) або використання як модельного організму.
E. coli є дуже універсальним хостом для виробництва гетерологічних білків, і існує багато систем експресії білків для виробництва рекомбінантних білків у E. coli. Використовуючи плазміди, які дозволяють високий рівень експресії білка, гени можна вводити в бактерії, що дозволяє виробляти такі білки у великих кількостях у промислових процесах ферментації.
E. coli використовуються як клітинні фабрики для виробництва інсуліну. Подальші застосування включають використання модифікованих клітин E. coli для розробки та виробництва вакцин і іммобілізованих ферментів, виробництва біопалива, а також для біоремедіації.
Штам K-12 – це мутантна форма E. coli, яка надмірно експресує фермент лужну фосфатазу (ALP). Ця мутація виникає через дефект у гені, який постійно кодує фермент. Якщо ген виробляє продукт без будь-якого інгібування, це відомо як конститутивна активність. Ця специфічна мутантна форма використовується для ізоляції та очищення ферменту ALP.
Бактерії E. coli також широко використовуються як клітинні фабрики. Інженерні мікроби (наприклад, бактерії) та рослинні клітини можуть використовуватися як так звані клітинні фабрики. Ці генетично модифіковані клітини виробляють молекули, хімікати, полімери, білки та інші речовини, які використовуються, наприклад, у фармацевтичній, харчовій та хімічній промисловості. Для вивільнення молекул, вироблених у внутрішній частині таких біоінженерних клітин, ультразвуковий лізис є поширеним методом руйнування клітинних стінок і перенесення цільових речовин у навколишню рідину. Дізнайтеся більше про лізис біоінженерних клітин!
Ультразвукове зрізання ДНК
Ультразвукові зсувні сили є поширеним методом вивільнення молекул, органел і білків із внутрішньої частини клітини, а також розриву ланцюгів ДНК на фрагменти. Акустична кавітація руйнує клітинні стінки та мембрани для екстракції ДНК з клітин і генерування фрагментів довжиною приблизно 600 – 800 п.н., що є ідеальним для аналізу.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукові гомогенізатори для фрагментації ДНК!
Література / Посилання
- 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 виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.
