细菌转化

早在20世纪初，一位名叫弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）的英国细菌学家正在研究引起肺炎的细菌Streptococcus pneumoniae。他利用两种不同的菌株进行了一项简单的实验。其中一种菌株被称为S型菌株，因其具有保护性荚膜，使得其形成的菌落或菌块表面光滑，同时也具有毒力或致病性。另一种是R型菌株，是缺乏这种保护性荚膜的细菌变种，其菌落呈粗糙状，因而无毒力。

首先，格里菲斯取了一些S型菌株细菌并对其进行加热，制备出已灭活的S型菌株。然后，他收集了一些小鼠，并将其分为四组。他将有毒性的S型菌株注射到第一组小鼠体内，将无毒性的R型菌株注射到第二组小鼠体内。他给第三组小鼠注射了加热灭活的S型菌株，最后，他将加热灭活的S型菌株与R型菌株混合，将该混合物注射到第四组小鼠体内。正如预期，第一组小鼠死亡，第二组和第三组小鼠存活。但令格里菲斯惊讶的是，第四组小鼠也全部死亡。

1928年，当他发表这项研究时，将这一神秘过程称为“转化”（transformation），因为他推测存在一种潜在的转化因子，能使原本无毒力的菌株转变为致病菌。后来在1943年，Avery、MacLeod和McCarty报道这种转化因子很可能是脱氧核糖核酸（desoxyribonucleic acid，DNA），而我们现在知道DNA正是遗传物质。格里菲斯实验中发生的关键过程本质上是：当细菌混合后，部分来自热灭活S型菌株的DNA渗入R型菌株细胞中，使这些无毒力的细菌发生转化，并获得了合成保护性荚膜的信息，从而将R型菌株转变为具有致病性的菌株，使其能够杀死第四组实验动物。

时至今日，科学家们已经开发出一种更为简便的方法来研究细菌转化，即利用大肠杆菌（E. coli）和称为质粒的小型环状DNA片段。通常，转化实验中使用的质粒包含一个具有特殊功能的基因，例如抗生素抗性基因。E. coli 是进行转化研究的理想对象，因为它们能够表现出一种称为“感受态”的特性，即从环境中摄取DNA的能力。本质上，这意味着在某些环境条件下（如化学处理、电击或热激），E. coli 的细胞壁会暂时变得通透，从而允许外源DNA进入细胞。一旦质粒进入E. coli细胞，它可以在宿主细胞的细胞质中独立存在，并在后续世代中与基因组一同复制和表达；或者，它也可能完全整合到宿主的基因组中。如果细菌在任何阶段丢失了该质粒，细胞也将失去其抗生素抗性。因此，科学家通常将细菌培养在含有抗生素的培养基中，以确保只有携带目标质粒的细菌才能存活。

在本实验中，您将学习如何利用含有抗生素抗性基因的质粒转化大肠杆菌（E. coli）细胞，同时练习无菌微生物操作技术。