1.13: Трансформація
- Page ID
- 6229
Цілі навчання
Цілі:
- Поясніть, як інформація, закодована в гені, виражається як ознака
- Охарактеризуйте роль трансформації в клонуванні генів
- Поясніть мету кожного контролю в експерименті з трансформації
Результати навчання студентів:
Після закінчення цієї лабораторії студенти зможуть:
- Провести трансформацію
- Прогнозувати результати зростання негативного контролю та реакції, що містить плазміду, як на антибіотиковмісних, так і на поживних середовищах агару
- Поясніть свої міркування, якщо прогнозовані результати зростання не відповідають фактичним результатам зростання
Вступ
Генна інженерія або технологія ДНК була корисною для виробництва великої кількості специфічного білка для лікування захворювань людини. Наприклад, пацієнти з діабетом, гемофілією або анемією потребують лікування інсуліном, фактором згортання крові та білками фактора росту. Цільові гени (ДНК) можуть бути розрізані рестрикційними ферментами і з'єднані з іншою ДНК з ферментом лігазою. Вектор клонування використовується для перенесення рекомбінантної ДНК в живі клітини, щоб клітини могли синтезувати закодовані білки. Найкращі вектори клонування мають невеликі розміри, здатні відтворювати свою ДНК, містять місця розпізнавання рестрикційних ферментів та мають ген-маркер (зазвичай ген резистентності до антибіотиків). У цій лабораторії ми будемо використовувати рекомбінантну плазміду як вектор клонування. Ця рекомбінантна плазміда містить (1) промотор, який дозволяє транскрипцію бажаного гена, (2) послідовність для ініціювання реплікації ДНК (сайт орі) та (3) ген стійкості до антибіотиків.
Трансформація бактерій за допомогою рекомбінантної плазміди
Введення гена в плазмідний вектор є важливим першим кроком у процесі клонування генів. Однак, якщо кінцевою метою є вироблення великої кількості певного білка, плазміда повинна реплікуватися, щоб переконатися, що існує багато копій гена, і цікавить ген повинен бути виражений, тобто ген використовується для отримання закодованого білка. Обидві дії можуть відбуватися лише всередині клітини. Тому в цій лабораторії ми введемо рекомбінантну плазміду в бактерії кишкової палички через процес, який називається трансформацією, так названий, оскільки він змінює вміст ДНК бактерій.
Плазміда буде взята бактеріями там, де вона реплікується, а її гени будуть виражені за допомогою бактеріальної клітинної техніки. Якщо в плазмідний вектор був вставлений цікавий ген, бактерії виробляють продукт, закодований цим геном.
У цій вправі ви здійсните трансформацію бактерій кишкової палички за допомогою рекомбінантної плазміди, яка містить ген, який виробляє кольорові білки.
Бактеріальна трансформація
Після того, як робиться рекомбінантна плазміда, яка містить цікавий ген, такий як інсулін, плазміда може потрапити в бактеріальні клітини шляхом процесу, який називається трансформацією. Малюнок 13.1 ілюструє перетворення. Засвоєння ДНК з середовища бактеріальної клітини відбувається з дуже низькою ефективністю в природі. Бактерії кишкової палички мають складні плазматичні мембрани, які відокремлюють зовнішнє середовище від внутрішнього середовища клітини і ретельно регулюють, які речовини можуть потрапити і вийти з клітини. Крім того, клітинна стінка негативно заряджена і відштовхує негативно заряджені молекули ДНК.
Клітини, які були оброблені, щоб стати компетентними, є більш ефективними при взятті ДНК з навколишнього середовища. Грамотні клітини можна зробити, обробивши бактерії розчином кальцію. Іони кальцію позитивно заряджені, і нейтралізують негативно заряджену зовнішню мембрану на бактеріях кишкової палички. З позитивним зарядом, який зараз покриває мембрану, за своєю суттю негативно заряджені молекули ДНК будуть рухатися через плазматичні мембрани і в клітину. Ефективність трансформації може бути додатково збільшена, напружуючи клітини при тепловому ударі. Змінюючи температуру клітин різко з холодної на теплу, плазматичні мембрани стають більш рідкими і створюють в них пори. Плазмідна ДНК може подорожувати з навколишнього середовища через ці пори і потрапляти в клітину. Потім клітини занурюються назад в холодну температуру, що призводить до того, що пори закриваються, а плазмідна ДНК залишається всередині клітини.
Однак навіть грамотні клітини не завжди засвоюють плазміду. Для деяких молекул плазмідної ДНК буде перетворено лише близько 1 з 10 000 клітин. Коли так мало клітин взято в плазміду, як ви зможете ідентифікувати перетворені клітини? При проектуванні рекомбінантної плазміди однією з вимог є додавання гена на антибіотикорезистентність. Таким чином, бактерії можна вирощувати в середовищі з додаванням до нього антибіотика, і тільки клітини, які мають ген резистентності, такі як ті, що експресують рекомбінантну плазміду, зможуть рости.
Від плазмідної ДНК до білка
Після того як рекомбінантна плазміда потрапляє в бактеріальну клітину, клітина починає експресувати гени на ній. ДНК-полімераза знаходить орі - походження реплікації, і починає відтворювати плазміду за допомогою механізмів бактеріальної клітини. Кілька копій рекомбінантної плазміди можуть дозволити бактеріальній клітині експресувати велику кількість білка. Зазвичай бактеріальна клітина зробить білок цікавим лише після того, як вона спонукає це зробити, додаючи хімічну речовину, яка сприятиме транскрипції гена. Нагадаємо, що для експресії гена, що кодує білок на рекомбінантної плазміді, ДНК транскрибується в мРНК, яка потім перекладається в білок (рис. 13.2). Експресовані білки можуть впливати на видимі ознаки при спостереженні за колоніями бактерій.
Рекомбінантні плазміди та інші форми генної інженерії можливі тому, що всі живі організми використовують ДНК як платформу для кодування генетичної інформації. Гени різних організмів можуть бути виражені в інших організмах, таких як бактерії, оскільки вони закодовані в ДНК. Інструкції ДНК можуть бути передані, а інші організми можуть виражати чужорідні риси.
Білки мають безліч різних функцій всередині і клітин. Вони складаються з менших субодиниць, амінокислот, які кодуються нуклеотидами ДНК. Специфічна послідовність трьох нуклеотидів, яка кодує для однієї амінокислоти, називається кодоном. Наприклад, кодон ТТГ коди для амінокислоти триптофан, тоді як кодон AAG коди для амінокислоти лізин. У багатьох випадках більше одного кодону може кодувати одну і ту ж амінокислоту. Наприклад, ААА також є кодоном для лізину. Крім того, існують інформаційні кодони, такі як стартовий кодон (АТГ) і стоп-кодон (TTA), які показують, де в послідовності ДНК починається і закінчується код білка.
Трансформація бактерій плазмідами
У цьому лабораторному експерименті ви перетворите клітини бактерій кишкової палички плазмідами. Ви будете використовувати кишкову паличку, яка була зроблена компетентною при лікуванні хлоридом кальцію, і сформувати дві різні групи тестування: негативну групу контрольних клітин, яка не має доданих до неї плазмід, і експериментальну групу, до якої додаються плазміди. Після того, як клітини будуть нагріті, вони будуть вирощуватися в різних умовах тестування:
- Контрольна група на поживному агарі (тип середовищ росту, на якому процвітають бактерії).
- Контрольна група на поживному агарі з додаванням антибіотика.
- Експериментальна група по живильному агару.
- Експериментальна група на поживному агарі з антибіотиком.
- Експериментальна група з поживного агару, антибіотика та індуктора (наприклад, IPTG).
Вивчаючи ріст бактерій за цих умов, ви можете переконатися, що ваша процедура спрацювала, і ви можете виявити бактерії, перетворені з доданою плазмідою. Як ви дізнаєтесь, чи успішні ви? У прикладах для плазмід, які ми рекомендували для цієї вправи, рекомбінантні бактерії матимуть нову і дуже помітну рису: тепер вони будуть виробляти кольоровий білок, який робить самі клітини кольоровими! Оскільки бактерії розмножуються на середовищах, вони утворюють видимі колекції клітин, які називаються колоніями. Кожна колонія являє собою дедеденти вихідної бактеріальної клітини, яка приземлилася на цьому місці на середовищі і почала розмножуватися. Таким чином колонії є клонами (точними копіями) клітини, яка почала процес реплікації.
Відповідними компонентами вашої плазміди є ген кольорового білка, індукуваний промотор та ген стійкості до ампіциліну (AMPR). Ген AMPR надає стійкість до антибіотика ампіциліну. (Біотехнологи називають ці гени селекційними маркерами, оскільки лише бактерії, що мають ген, виживуть у присутності антибіотика.) Якщо індуктор присутній у бактерії, промотор буде «включений», щоб РНК-полімераза могла транскрибувати цікавий ген. Це дозволить виробляти білок.
Запитання до лабораторії
Обговоріть між собою наступне. Будьте готові поділитися своїми думками з рештою класу.
- Ампіцилін - похідне антибіотика пеніциліну. Це порушує утворення клітинної стінки в бактеріальних клітині, що вбиває клітини. Однак наша рекомбінантна плазміда містить ген, який забезпечує стійкість до антибіотиків, виробляючи білок, який розщеплює ампіцилін. Чому ми включаємо ампіцилін в тестоване середовище?
- Що буде, якщо трансформовані клітини не ростуть в присутності хімічного індуктора?
- В експерименті ви додасте контрольну та експериментальну групи клітин на різні комбінації середовищ. Що ви прогнозуєте для кожної умови? Заповніть таблицю 1, вказавши, чи прогнозуєте ви зростання чи ні зростання, а якщо зростання, чи буде мінімальне зростання або багато зростання.
Прочитайте наведені нижче процедури та викладіть кроки, використовуючи слова та блок-схему у вашому лабораторному блокноті.
Середній |
Відсутність плазмідного контролю |
Лікування плазмідою |
---|---|---|
Поживний агар |
||
Поживний агар+ампіцилін |
||
Поживний агар+ампіцилін + індуктор |
Перетворення кишкової палички
МАТЕРІАЛИ
Реагенти
- Плазміда — в мікрофужній трубці
- Поживний бульйон (NB) - в мікрофужній трубці
- Компетентні клітини кишкової палички (CC) - у мікрофужній трубці (Завжди тримайте трубку CC на льоду)
- 3 пластинки агару:
Тарілка 1: NA
Пластина 2: Na/ампер
Пластина 3: Na/AMP/IND
Витратні матеріали та обладнання
- Мікропіпетка П-20
- Мікропіпетка П-200
- Коробка наконечника піпетки (для П-20, П-200)
- Мікрофужна трубка стійки
- Дві мікрофужні трубки об'ємом 1,5 мл
- Перманентний маркер
- Одноразові рукавички
- Подрібнений лід у чашці з пінопласту (спочатку наповніть чашку льодом, перш ніж приймати трубку CC.)
- Пакет розкидачів осередків (не виймайте розкидачі з упаковки, поки не вказано це зробити)
- Таймер або годинник
- Плаваюча мікрофужна трубка стійки
- Водяна баня 42° C
- 37°C інкубатор
- Стрічка
- Контейнер для відходів
- Сумка Biohazard (для витратних матеріалів, які обробляють клітини)
БЕЗПЕКА
Перевірте свій протокол і дотримуйтесь усіх заходів безпеки та носите належне вбрання перед проведенням експерименту.
Практикуйте асептичну техніку, використовуючи кишкову паличку або інші живі зразки в лабораторних умовах. Асептична техніка - це практика вжиття запобіжних заходів для обмеження потенційного забруднення як для особи, яка виконує експеримент, так і для зразків/с.
- При роботі з бактеріями надягайте рукавички.
- Уникайте торкання забруднених ділянок, які включають все, що торкнулося бактерій. Повідомте інструктора якнайшвидше, якщо трапиться нещасний випадок, наприклад, розлив.
- Покладіть всі запаси, які зазнали впливу бактерій, або в мішок з біологічною небезпекою, або призначений контейнер для біовідходів. Ці забруднені матеріали можуть включати наконечники піпеток, розкидачі клітин та мікрофужні трубки.
- Тримайте агарні пластини закритими постійно після видалення їх з інкубатора.
- Завжди мийте руки протягом 20 секунд водою з милом перед виходом з лабораторії.
ПРОЦЕДУРА
- Переконайтеся, що у вас є всі реагенти в стійці для труб.
- Дістаньте охолоджену трубку СС і покладіть в чашку подрібненого льоду. Тримайте компетентні клітини холодними в усі часи. Тримайте трубку за обід, а не дно.
- Позначте верхню і бічні сторони двох нових мікрофужних пробирок «P-» та «P +».
- Покладіть труби P— і P + з трубкою CC на лід.
Щоб забезпечити найкращі результати, важливо, щоб кожен крок дотримувався точно. Обмежте будь-яке можливе забруднення матеріалів, себе та оточення. - Додайте E. coli компетентні клітини (CC трубки) як в P-, так і P+трубки.
- Візьміть піпетку Р-200, встановіть 50 мкл і надіньте наконечник.
- Утримуючи трубку CC за обід, обережно пересушіть клітини, повільно перекачуючи між першою і без зупинки піпеткою (легкий рух плунжера вниз до першої точки опору, потім м'який рух вгору до верхнього положення плунжера).
- Додайте 50 мкл клітин до трубки P + і негайно помістіть трубку P+на лід. Відкиньте наконечник в контейнер для гострих стоп.
- Візьміть новий наконечник піпетки. Повторіть для Р- трубки. Відмовтеся від наконечника. Обидві P- і P+трубки повинні знаходитися на льоду і містити 50 мкл компетентних клітин.
- Додайте плазміду лише до трубки P+.
- Візьміть піпетку Р-20, встановіть на 10 мкл і надіньте наконечник.
- Видаліть 10 мкл плазміди і додайте її в трубку P+. Змішайте разом, повільно перекачуючи між першим і без зупинки 2-3 рази, а потім покладіть трубку назад на лід.
- Покладіть трубочки Р- і Р+ на лід на 15 хвилин.
- Поки трубки охолоджуються, отримайте агарні пластини та маркер. Не відкривайте пластини під час цього кроку
- Кожна агарова пластина містить різні середовища - один з поживних агарів тільки (NA), один з поживних агар+ампіцилін (NA/AMP) та один з поживних агар+ампіцилін+індуктор (NA/AMP/IND). Вони можуть бути позначені смужкою або написані на тарілці.
- Чи не відкривайте пластини. Переверніть кожну тарілку догори дном; агар повинен бути зверху. Позначте сторону агару з 1) датою 2) групою № 3) класовим періодом. Спробуйте написати дрібним уздовж нижнього краю пластини.
- Далі проведіть лінію вниз по середині пластин NA і NA/AMP. Одна половина маркується як «P-», а інша - «P +». NA/AMP/IND має лише позначення «P +». Вони повинні виглядати схожими на рис. 4.
- Після того, як трубки P- і P + будуть на льоду протягом 15 хвилин, тримайте трубки на льоду і піднесіть чашку з льодом до водяної бані 42° C. Вам також знадобиться ваш таймер/годинник. Покладіть обидві трубки в плаваючу стійку для мікрофуги, потім помістіть її у водяну баню точно на 45 секунд.
- Як тільки пройдуть 45 секунд, негайно покладіть трубки назад у крижану чашку і тримайте на льоду мінімум 1 хвилину.
- Додайте поживний бульйон (NB) в пробірки P- і P +.
- Візьміть піпетку Р-200, встановіть на 150 мкл і надіньте наконечник.
- Видаліть 150 мкл NB і додайте в трубку P. Змішайте разом, повільно прокачуючи між першим і без зупинки з піпеткою. Відкиньте наконечник у контейнер для біовідходів.
- Придбайте новий наконечник піпетки. Повторіть той же процес для трубки P+.
- Тримати трубочки при кімнатній температурі протягом 15 хвилин. Якщо у вас не вистачає часу, цей крок можна скоротити.
- Додайте клітини з P— трубки на NA і Na/AMP пластини. Тримайте пластини правою стороною вгору, щоб агар був на дні. Ви додаєте осередки на поверхню агару (не пластикову кришку).
- Візьміть піпетку Р-200, встановіть 50 мкл і надіньте наконечник
- Візьміть П- трубку. Повільно накачайте піпетку між першою і без зупинки піпеткою, щоб повторно підвісити клітини. Видаліть 50 мкл клітин.
- Підніміть кришку пластини NA, як «розкладачку», щоб залишити досить великий зазор для доставки клітин, при цьому знижуючи ризик забруднення повітрям. Додайте 50 мкл клітин в P- половину пластини. Закрийте тарілку і приготуйтеся розкласти осередки.
- Повторіть це для пластини NA/AMP, повторно підвісивши клітини P-трубки піпеткою та тим самим наконечником. Додайте 50 мкл клітин до P-сторони пластини NA/AMP, використовуючи метод розкладачки знову. Відкиньте наконечник в контейнер для гострих стоп.
- Розподіліть клітини з P— трубки на NA і Na/AMP пластин. Ви повинні розкласти свої тарілки в такому порядку.
- Відкрийте стерилізований пакет для розкидання клітин. Візьміть один розкидач і тримайте його лише до кінця, за який ви його видалили. Будьте обережні, щоб не торкнутися іншого кінця розкидача ні до чого, крім осередків і агару. Закрийте упаковку.
- Використовуючи метод «розкладачки», відкрийте кришку НС і розкладіть осередки на П- половині пластини. Акуратно тримайте розкидач рівно до поверхні агару; поводьтеся з ним обережно, як ніби ви поводитеся з желатином. Закрийте тарілку.
- Повторіть ту ж техніку для пластини NA/AMP на стороні P, використовуючи той же розкидач. Закінчивши, викиньте розкидач у призначений контейнер для біовідходів.
- Додайте комірки з трубки P+до пластин NA, Na/Amp та Na/AMP/IND:
- Візьміть піпетку П-200, двічі перевірте, вона встановлена на 50 мкл і надіньте наконечник.
- Візьміть трубку P+. Повільно накачайте піпетку між першою і без зупинки піпеткою, щоб повторно підвісити клітини. Видаліть 50 мкл клітин.
- Відкрийте пластину NA знову, як розкладачка, щоб доставити 50 мкл клітин до P+половини пластини. Закрийте тарілку.
- Повторіть це для пластини NA/AMP, повторно підвісивши клітини піпеткою та тим самим наконечником. Додайте 50 мкл клітин до P+половини пластини. Закрийте тарілку.
- Повторіть це для пластини NA/AMP/IND, повторно підвісивши клітини піпеткою та тим самим наконечником. Додайте 50 мкл клітин два рази на всю пластину. Всього до пластини додано 100 мкл клітин P+і повинні покривати всю поверхню при поширенні. Закрийте тарілку.
- Розподіліть P+клітини на пластинках NA, NA/AMP та NA/AMP/IND. Ви повинні розкласти свої тарілки в такому порядку.
- Знову відкрийте пакет розкидача осередків і вийміть один розкидач, лише торкаючись ручки. Будьте обережні, щоб не торкнутися іншого кінця розкидача ні до чого, крім осередків і агару.
- Використовуючи метод розкладачки, відкрийте кришку НС і розкладіть осередки на P+ половині пластини. Акуратно тримайте розкидач рівно до поверхні агару; поводьтеся з ним обережно, як ніби ви поводитеся з желатином. Закрийте тарілку.
- Використовуючи той самий розкидач, повторіть ту саму техніку для пластини NA/AMP на стороні P +.
- Повторіть ту ж техніку для пластини NA/AMP/IND, за винятком того, що клітини повинні бути розподілені по всій пластині, а не тільки на одну половину. Обертайте пластину обережно, щоб рівномірно розсіяти осередки з розкидачем. Закінчивши, викиньте розкидач у призначений контейнер для біовідходів.
- Тримайте всі пластини правою стороною вгору протягом 5 хвилин, поки рідина повністю не вбереться в тарілку. Складіть пластини разом і скотчем, маркуючи стрічку своїм періодом занять, номером групи та датою.
- Покладіть пластини догори дном (сторона агару зверху) в інкубатор 37° C, щоб запобігти утворенню та падінню конденсату на клітини.
- Покладіть все, що торкалося клітин, в мішок з біологічною небезпекою, включаючи наконечники піпеток, мікрофужні трубки та розкидачі клітин. Протріть стільниці дезінфікуючими засобами і вимити руки.
- Інкубуйте пластини при 37° C протягом 24-36 годин і шукайте зростання. Тримайте пластини закритими.
- Покладіть пластинки з агаром у мішок з біологічною небезпекою, коли їм сказали це зробити.
Аналіз
- Подивіться на результати своєї трансформації. Заповніть таблицю 2 із спостереженнями щодо того, чи бачите ви зростання чи ні на різних носіях.
- Чи відповідають ваші фактичні результати вашим прогнозованим результатам? Якщо ні, то які відмінності ви бачите і які пояснення цих відмінностей?
- Скільки кольорових колоній було присутнє на вашій пластині NA/AMP/IND?
Середній |
Відсутність плазмідного контролю |
Лікування плазмідою |
---|---|---|
Поживний агар |
||
Поживний агар+ампіцилін |
||
Поживний агар+ампіцилін + індуктор |
Навчальні питання
- Чому кольорові колонії утворюються на пластині NA/AMP/IND, а не на пластині NA/AMP?
- Які можливі причини утворення кольорових колоній на пластині NA/AMP?
- Екстрахромосомна ДНК у бактерій, як рекомбінантна плазміда, може відтворюватися всередині клітини без реплікації решти ДНК клітини. Це може призвести до появи декількох плазмід всередині клітини. Чому це важливо?
- Раніше ви дізналися про взаємодію між ДНК, РНК, білками та ознаками. Поясніть, як вставлений ген, такий як один у плазмідній ДНК, виражається як ознака.
- Як бактерії можуть виробляти білки з чужорідної ДНК, наприклад людського інсуліну або білка з медузи, як зелений флуоресцентний білок (GFP)?
- Що станеться, якби ми виростили трансформовані бактерії в присутності іншого антибіотика, такого як канаміцин, замість ампіциліну?