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        嗜熱鏈球菌的電轉(zhuǎn)化條件

        2019-04-04 08:38:12洛雪時旭史海粟杜阿楠陳茜烏日娜武俊瑞
        食品與發(fā)酵工業(yè) 2019年6期

        洛雪,時旭,史海粟,杜阿楠,陳茜,烏日娜,武俊瑞

        (沈陽農(nóng)業(yè)大學 食品學院,遼寧 沈陽,110866)

        乳酸菌屬于革蘭氏陽性菌,微好氧,能夠發(fā)酵碳水化合物生產(chǎn)乳酸,通常乳酸菌基因組中G+C含量較低,它與人類有密切的關(guān)系,是人類正常腸道菌群的組成成分,如雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、乳球菌屬(Lactococcus)、羅氏菌屬(Rothia)、片球菌屬(Pediococcus)、鏈球菌屬(Streptococcus)和明串珠菌屬(Leuconoostoc)等[1-2]。其中部分乳酸菌及其發(fā)酵產(chǎn)物有一定的生理功能,能夠調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)免疫功能、降低膽固醇、抑制有害菌生長等。并且它還能賦予發(fā)酵食品特有的滋氣味和質(zhì)感[3-4],因此近年來乳酸菌成為研究的熱點,隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展,諸多的乳酸菌全基因組(S.thermophilus、Lactococcuslactis、Lactobacillusacidophilus、Lactobacillusplantarun等[5-6])逐步測序成功,成為模式生物,基因工程改造的乳酸菌逐漸應用于食品工業(yè)、醫(yī)藥、保健品和飼料等行業(yè)[7]。前期乳酸菌的研究主要集中在菌群結(jié)構(gòu)及多樣性分析[8-9]、益生菌資源的挖掘[10-11]、優(yōu)化乳酸菌及其產(chǎn)物的發(fā)酵條件等[12-13]。20世紀后期,研究人員開始研究乳酸菌基因功能、生物學特性及其代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的分子機制。研究人員開始將外源基因轉(zhuǎn)入乳酸菌中,提升乳酸菌的益生性能[14],但由于乳酸菌細胞壁緊致、厚密,外源DNA很難進入受體細胞,故而轉(zhuǎn)化效率極低[15-16],嚴重制約了乳酸菌分子生物學的研究和基因工程技術(shù)的發(fā)展[17-18]。目前應用最廣泛的乳酸菌轉(zhuǎn)化外源DNA的方法是電轉(zhuǎn)化法(electrotransformation)[19-20],該方法將乳酸菌放入到外加電場中,電流作用細胞壁和細胞膜表面產(chǎn)生微小通道,由于電導率和通透性發(fā)生變化,外源DNA可以進入細胞內(nèi)[21],當電場消失后,乳酸菌經(jīng)過富集培養(yǎng),微小通道會消失,不會對細菌產(chǎn)生很大影響[22-23]。本研究選擇乳酸菌組成型質(zhì)粒pMG36e作為載體,該質(zhì)粒已是一款成熟的表達載體[24],研究甘氨酸濃度、菌體生物量、電極緩沖液、電壓和質(zhì)粒濃度對嗜熱鏈球菌轉(zhuǎn)化效率的影響。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        嗜熱鏈球菌sp1.1:本實驗室前期同學分離自內(nèi)蒙地區(qū)發(fā)酵乳制品,后經(jīng)鑒定為嗜熱鏈球菌。

        pMG36e質(zhì)粒:本實驗室保藏。

        甘油、甘氨酸、紅霉素、蔗糖、檸檬酸銨、MgCl2、KH2PO4、K2HPO4等均為國產(chǎn)分析純試劑。

        1.2 儀器與設(shè)備

        Gene Pilser Xcell電轉(zhuǎn)儀,美國BIO-RAD公司;MILLI-Q超純水儀,美國Millipore公司;BS124S萬分之一分析天平,北京賽多利斯公司;PB-10精密酸度計,北京賽多利斯公司。

        1.3 實驗方法

        1.3.1 紅霉素殺傷曲線

        將凍干或甘油冷凍保存的S.thermophilussp1.1純化三代,進行純培養(yǎng),挑取單菌落接種于M17液體培養(yǎng)基,37 ℃培養(yǎng)24 h。制備不同濃度的紅霉素平板(紅霉素質(zhì)量濃度5~30 μg/mL)。

        1.3.2 甘氨酸對S.thermophilus感受態(tài)細胞的影響

        按1%的接種量將S.thermophilussp1.1接入含有不同濃度甘氨酸的培養(yǎng)基(甘氨酸質(zhì)量濃度為0、10、20、30、40、50 g/L)中進行培養(yǎng),測定其12 h的生長曲線,以甘氨酸0 g/L的為對照。

        1.3.3 菌體生物量對電轉(zhuǎn)化率的影響

        按1%接種量將S.thermophilussp1.1接入含有10 g/L甘氨酸的MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng),收集OD600為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0的菌體,制備S.thermophilus感受態(tài)細胞。

        混合質(zhì)粒與感受態(tài)細胞,冰浴,用電穿孔儀進行電擊,電擊結(jié)束后37 ℃溫育復蘇培養(yǎng),將復蘇后菌液涂布在紅霉素抗性平板上,37 ℃靜置培養(yǎng)48~72 h,比較不同菌體生物量對電轉(zhuǎn)化率的影響。陰性對照為不加質(zhì)粒的感受態(tài)細胞。

        1.3.4 電極緩沖液對電轉(zhuǎn)化率的影響

        按1%接種量將S.thermophilussp1.1接入含有10 g/L甘氨酸的MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng),收集OD600為0.8的菌體,比較不同電轉(zhuǎn)緩沖液 Ⅰ(0.5 mol/L蔗糖,1.0 mol/L MgCl2,1.0 mmol/L KH2PO4/K2HPO4;pH 7.4)、Ⅱ(0.5 mol/L蔗糖,1 mmol/L檸檬酸銨;pH 6.0)、Ⅲ(272 mmol/L蔗糖,150 g/L甘油)、Ⅳ(272 mmol/L蔗糖,100 g/L甘油,10 mmol/L磷酸鹽緩沖液;pH 7.4)和100 g/L甘油電轉(zhuǎn)緩沖液對電轉(zhuǎn)化率的影響結(jié)果,感受態(tài)細胞具體制作方法同1.3.3。 陰性對照為不加質(zhì)粒的感受態(tài)細胞。

        1.3.5 電壓對電轉(zhuǎn)化率的影響

        按1%接種量將S.thermophilussp1.1接入含有10 g/L甘氨酸的MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng),收集OD600為0.8的菌體,利用電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅱ制備感受態(tài)細胞,具體制作方法同1.3.3。設(shè)置電壓為1.4、1.6、 1.8、2.0、2.2和2.4 kV進行電轉(zhuǎn)化。37 ℃靜置培養(yǎng)48~72 h后,比較不同電壓對電轉(zhuǎn)化率的影響結(jié)果。陰性對照為不加質(zhì)粒的感受態(tài)細胞。

        1.3.6 質(zhì)粒濃度對電轉(zhuǎn)化率的影響

        按1%接種量將S.thermophilussp1.1接入含有10 g/L甘氨酸的MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng),收集OD600為0.8的菌體,利用電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅱ制備感受態(tài)細胞,制備電壓選取1.8 kV,具體制作方法同1.3.3。設(shè)計質(zhì)粒質(zhì)量濃度設(shè)為0.2~1.6 g/L進行電轉(zhuǎn)化。37 ℃ 靜置培養(yǎng)48~72 h后,比較不同電壓對電轉(zhuǎn)化率的影響結(jié)果。陰性對照為不加質(zhì)粒的感受態(tài)細胞。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 紅霉素殺傷曲線

        結(jié)果如表1所示,初選質(zhì)量濃度梯度為5 μg/mL,結(jié)果顯示紅霉素質(zhì)量濃度為5 μg/mL時,S.thermophilus能夠生長,紅霉素質(zhì)量濃度為10 μg/mL時,S.thermophilus不能生長,說明S.thermophilus對紅霉素比較敏感,降低濃度梯度為2.5 μg/mL,在質(zhì)量濃度達到7.5 μg/mL時S.thermophilus不能生長,因此,后續(xù)實驗紅霉素抗性平板質(zhì)量濃度為7.5 μg/mL。

        表1 紅霉素對S.thermophilus的影響Table 1 Effect of S. thermophilus by erythrocin

        2.2 甘氨酸對S. thermophilus轉(zhuǎn)化率的影響

        結(jié)果顯示甘氨酸會影響S.thermophilus的生長(圖1-A),培養(yǎng)基中的Gly添加量不同,對S.thermophilus的生長影響程度不同,Gly添加量與細胞的生長速率呈現(xiàn)負相關(guān),即甘氨酸添加量越高,細胞生長越緩慢,分析培養(yǎng)12 h的S.thermophilus生長結(jié)果,Gly添加量為10~40 g/L的培養(yǎng)基中S.thermophilus的生長速率為在正常培養(yǎng)基中的74.6%、42.3%、29.8%和24.1%;當Gly添加量達到50 g/L時,S.thermophilus基本不生長。

        選取各組菌株對數(shù)生長期(OD600≤0.7),制作感受態(tài)細胞,未添加Gly、Gly添加量為30和40 g/L的實驗組,其轉(zhuǎn)化效率為0;Gly添加量為10 g/L的實驗組,轉(zhuǎn)化效率最高,結(jié)果見圖1-B,可能由于Gly在菌體生長過程中取代肽鏈上的L-丙氨酸和D-丙氨酸,影響由雙糖單位(N-乙酞葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸)、短肽鏈和肽橋組成的肽聚糖的結(jié)構(gòu)[25],這種替代造成了丙氨酸與尿苷二磷酸胞壁酸的連接,而酶因無法識別底物而受阻,使得合成含Gly的肽聚糖前體物積累,破壞了細胞壁生長過程中肽聚糖合成與酶水解的平衡。因此合成的肽聚糖有缺陷,使得細胞壁變得疏松[26]。但Gly添加量過大會導致菌體死亡,后續(xù)實驗選擇Gly的添加量為10 g/L。

        圖1 甘氨酸濃度對菌體生長(A)及轉(zhuǎn)化效率(B)的影響Fig.1 Effect on cell growth (A) and conversion efficiency (B) under different glycine content注:圖中不同小寫字母代表差異顯著,P<0.05。下同。

        2.3 菌體生長時期對電轉(zhuǎn)化效率的影響

        如圖2所示,細菌在不同生長時期的轉(zhuǎn)化效率不同,總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。利用生長初期細胞(OD600<0.8)制作的感受態(tài)細胞,轉(zhuǎn)化效率隨OD值的增加而上升;當OD600=0.8時,轉(zhuǎn)化效率達到最高,可產(chǎn)生近120個轉(zhuǎn)化子;利用對數(shù)生長期后期細胞(OD600>0.8)制作的感受態(tài)細胞,轉(zhuǎn)化效率隨OD值的增加而下降,由于在OD600=0.8時,細胞處于最旺盛的生長階段,細胞活力最高,代謝旺盛,細胞壁結(jié)構(gòu)相對松散,電擊時易于形成空洞,有效轉(zhuǎn)化菌株量多,隨著生長時間的增加,細胞逐漸衰亡而使轉(zhuǎn)化菌株量減少[27],因此后續(xù)實驗選擇將S.thermophilus培養(yǎng)至OD600=0.8制作感受態(tài)細胞。

        圖2 細菌不同生長時期對轉(zhuǎn)化率的影響Fig.2 Effect of growth phase on transformation efficiency

        2.4 電壓對電轉(zhuǎn)化效率的影響

        結(jié)果如圖3所示,電壓對轉(zhuǎn)化率的影響總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,轉(zhuǎn)化電壓相對較低時(1.4~1.8 kV),細胞難以極化產(chǎn)生孔洞,DNA不能進入,隨著電壓的升高[28],轉(zhuǎn)化效率隨之增大,電壓達到1.8 kV 時,轉(zhuǎn)化效率最高,如果轉(zhuǎn)化電壓繼續(xù)增大,細胞會因細胞膜損傷過大而死亡,轉(zhuǎn)化效率反而呈下降趨勢[29],因此后續(xù)實驗選擇轉(zhuǎn)化電壓為1.8 kV。

        圖3 不同電壓對轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effect of voltage on transformation efficiency

        2.5 質(zhì)粒濃度對電轉(zhuǎn)化效率的影響

        結(jié)果如圖4所示,在質(zhì)粒質(zhì)量濃度為0.2~1.0 g/L時,電轉(zhuǎn)化效率隨著質(zhì)粒濃度增大而提高,質(zhì)粒質(zhì)量濃度達到1.0 g/L時電轉(zhuǎn)化效率最高,隨后在質(zhì)粒質(zhì)量濃度為1.0~1.6 g/L時,電轉(zhuǎn)化效率隨著質(zhì)粒濃度的增大而降低,質(zhì)粒質(zhì)量濃度在1.0 g/L時達到飽和,再增加質(zhì)粒濃度會阻塞細胞孔洞,從而使轉(zhuǎn)化菌株減少,高玲等在多黏類芽孢桿菌JSa-9電轉(zhuǎn)化方法的優(yōu)化試驗中,所得的質(zhì)粒添加量對轉(zhuǎn)化菌株的影響也呈此趨勢[30]。因此后續(xù)實驗選擇質(zhì)粒質(zhì)量濃度為1.0 g/L。

        圖4 不同濃度質(zhì)粒對轉(zhuǎn)化率的影響Fig.4 Effect of differentcontent of plasmid on transformation efficiency

        2.6 電轉(zhuǎn)緩沖液對電轉(zhuǎn)化效率的影響

        將S.thermophilus接入含10 g/L Gly的M17培養(yǎng)基中,接種量為1%,37 ℃培養(yǎng)至OD600=0.8,選擇不同電轉(zhuǎn)緩沖液(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和100 g/L甘油)制作感受態(tài)細胞,配制1.0 μg/μL質(zhì)粒用于轉(zhuǎn)化,用1.8 kV電壓進行電轉(zhuǎn)化,研究不同電轉(zhuǎn)緩沖液對電轉(zhuǎn)化效率的影響。

        如圖5所示,不同電轉(zhuǎn)緩沖液處理的感受態(tài)細胞電轉(zhuǎn)化率不同,用電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅰ和Ⅱ處理的細胞,轉(zhuǎn)化效果較好,電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅱ的處理效果優(yōu)于電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅰ;電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅳ處理的感受態(tài)細胞,在轉(zhuǎn)化時發(fā)生了擊穿的現(xiàn)象,可能由于電擊介質(zhì)的電阻過低造成了這種現(xiàn)象;電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅲ和100 g/L甘油處理的感受態(tài)細胞轉(zhuǎn)化率為0,說明這2種電轉(zhuǎn)緩沖液不能使S.thermophilus形成感受態(tài),后續(xù)實驗選擇電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅱ作為電轉(zhuǎn)化緩沖液。

        圖5 不同緩沖液對轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 Effect of different buffer on transformation efficiency

        3 結(jié)論

        S.thermophilus紅霉素的敏感閾值為7.5 μg/mL,甘氨酸添加量、菌體生長時期、轉(zhuǎn)化電壓、質(zhì)粒質(zhì)量濃度和電轉(zhuǎn)緩沖液均影響S.thermophilus的轉(zhuǎn)化效率,本研究選擇甘氨酸質(zhì)量濃度為10 g/L、菌體生長至OD600=0.8、轉(zhuǎn)化電壓為1.8 kV、質(zhì)粒質(zhì)量濃度為1.0 g/L、 選擇電轉(zhuǎn)緩沖液Ⅱ。本研究為后續(xù)構(gòu)建嗜熱鏈球菌基因工程菌株奠定了一定的基礎(chǔ)。

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