水生生物の生息地から炭化水素分解細菌を分離、増殖、および特性評価するプロセスを紹介します。このプロトコルは、細菌の分離、16S rRNA法による同定、およびそれらの炭化水素分解の可能性のテストの概要を示しています。この記事は、研究者が環境サンプル中の微生物の生物多様性を特徴付け、特にバイオレメディエーションの可能性がある微生物をスクリーニングするのに役立ちます。
方法論記事
水生生物の生息地から炭化水素分解細菌を分離、増殖、および特性評価するプロセスを紹介します。このプロトコルは、細菌の分離、16S rRNA法による同定、およびそれらの炭化水素分解の可能性のテストの概要を示しています。この記事は、研究者が環境サンプル中の微生物の生物多様性を特徴付け、特にバイオレメディエーションの可能性がある微生物をスクリーニングするのに役立ちます。
炭化水素汚染物質は劣化に抵抗性があり、環境への蓄積はすべての生命体に有毒です。細菌は多数の触媒酵素をコードし、自然に炭化水素を代謝することができます。科学者は、水生生態系の生物多様性を利用して、生分解とバイオレメディエーションの可能性がある細菌を分離します。環境からのこのような単離物は、代謝経路および酵素の豊富なセットを提供し、これらはさらに、工業規模で分解プロセスをスケールアップするために利用することができる。この記事では、水生生息地からの細菌種の分離、繁殖、および同定の一般的なプロセスの概要を説明し、簡単な手法を使用してin vitro で炭化水素を唯一の炭素源として利用する能力をスクリーニングします。本プロトコルは、16S rRNA分析を用いた様々な細菌種の単離およびその後の同定を記載する。このプロトコルは、細菌分離株の炭化水素分解の可能性を特徴付けるためのステップも提示しています。このプロトコルは、バイオテクノロジーアプリケーションのために環境生息地から細菌種を分離しようとする研究者に役立ちます。
炭化水素(HC)は、燃料としても化学用途でも広く使用されています。溶媒1としては、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素が広く用いられている。エチレンおよびプロピレンなどのアルケンは、それぞれポリエチレンおよびポリプロピレンポリマーの合成における前駆体として役立つ。他の炭化水素の重合、スチレンはポリスチレンを形成する。人為的活動は、その生産および輸送中に炭化水素を環境に導入します。土壌や水の炭化水素汚染は、環境と人間の健康に深刻な懸念を抱いています。微生物は、生物地球化学的循環を調節し、汚染物質や生体異物を含む幅広い基質を利用して炭素やエネルギー源に変換することにより、生態系を維持する上で主要な役割を果たしています。微生物による環境汚染物質の解毒のこのプロセスは、バイオレメディエーション3、4、5、6、7として知られています。
炭化水素を分解する能力を持つ微生物は、水生および土壌の生息地で見られます8,9,10。シュードモナス、アシネトバクター、ロドコッカス、マリノバクター、オレイバクター11など、アルカンや芳香族HCを分解する可能性のある多くの細菌が確認されています。技術的に高度な培養に依存しないアプローチの開発は、新しいHC分解微生物群集の発見に役立っています12。ソースサンプルから直接分離されたゲノム材料は、次世代シーケンシング(NGS)などのハイスループット法によって増幅およびシーケンシングされ、その後分析されるため、微生物を培養する必要がなくなります。メタゲノム解析などのNGS法は高価であり、増幅プロセスに関連する欠点に悩まされている13。炭化水素分解微生物の分離を標的とする選択的濃縮培養14などの培養技術は、研究者が細菌分離株の代謝経路を調査および操作できるようにするため、依然として有用です。
ゲノムDNAの単離とそれに続くゲノム材料の配列決定により、あらゆる生物に関する貴重な情報が明らかになります。全ゲノムシーケンシングは、抗生物質耐性、潜在的な薬物標的、病原性因子、トランスポーター、生体異物代謝酵素などをコードする遺伝子の同定に役立ちます15,16,17。16SrRNAコード遺伝子の配列決定は、細菌の系統発生を特定するための堅牢な技術であることが証明されています。長年にわたる遺伝子配列と機能の保存により、未知の細菌を同定し、分離株を最も近い種と比較するための信頼できるツールになります。また、この遺伝子の長さはバイオインフォマティクス解析に最適である18。これらすべての特徴に加えて、ユニバーサルプライマーを使用した遺伝子増幅の容易さと遺伝子シーケンシング技術の改善により、微生物の同定のゴールドスタンダードとなっています。
ここでは、環境試料からHC分解能を有する培養可能な微生物を回収する手順について述べる。以下に説明する方法は、HC分解細菌の収集と同定の概要を示しており、(1)水サンプルからの細菌の収集、(2)純粋培養物の分離、(3)細菌分離株のHC分解能力の探索、(4)ゲノムDNAの分離、および(5)16S rRNA遺伝子シーケンシングとBLAST分析に基づく同定の5つのセクションに分かれています。この手順は、多くの異なるバイオテクノロジー用途のために細菌を単離するために適応させることができます。
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1. サンプルの収集、処理、分析
注:ここでは、水生生物の生息地から細菌を分離するためのプロトコルを示します。一部の分離株は病原性である可能性があるため、手袋を着用し、使用の前後に作業領域を消毒してください。
2.炭化水素の分解
注:以下の例は、スチレンを分解する可能性のある分離株をスクリーニングすることです。これは、以前のレポート25で採用された方法のわずかな変更です。無菌条件下での手順に従ってください。
3. 細菌分離株によるカテコール分解のスクリーニング
注:スチレン、ベンゼン、キシレン、ナフタレン、フェノールなどの芳香族炭化水素の分解は、反応中間体としてカテコールを生成します。カテコールは、それぞれオルト切断経路およびメタ切断経路を介して、カテコール1,2-ジオキシゲナーゼおよびカテコール2,3-ジオキシゲナーゼ酵素の助けを借りて細菌によってさらに代謝される26。これらの酵素は、クロロベンゼン27などの他の炭化水素の分解にも関与しています。以下に述べるプロトコルは、カテコール2,3−ジオキシゲナーゼ酵素アッセイ28のために全細胞ライセートを使用する。同じ溶解法を用いて、カテコール1,2−ジオキシゲナーゼの活性をスクリーニングすることができる。しかしながら、反応混合物の組成は変化するであろう。両方の酵素は本質的に誘導性であり、増殖培地へのフェノールの添加によって誘導することができる。
4. 純粋培養のゲノムDNA単離
注:これは、ゲノムDNAを単離するための一般的なプロトコルです。グラム染色は、サンプルの収集、処理、および分析ステップ中に実行されました。グラム陽性菌とグラム陰性菌の細胞壁の厚さがばらつくため、それに応じて細胞溶解法が変更されます。分離中は手袋を着用し、ヌクレアーゼがDNAを分解しないように70%エタノールで作業台を消毒します。下記の化学物質のいくつかは、皮膚に重度の火傷を引き起こす可能性があるため、取り扱いには適切な注意を払う必要があります。
5. 16S rRNAシーケンシング
注:以下に概説するプロトコルは、細菌同定のための16S rRNAの増幅およびシーケンシング用です。16S rRNA配列に由来する情報は、未知の生物の同定および異なる生物間の関連性を見つけるために使用されます。
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水生生息地からの細菌の単離とスクリーニング、およびその後の16S rRNA分析による同定の手順全体を概説した概略図を図1に示します。インドのダドリの湿地からの水サンプルは、滅菌ガラス瓶に集められ、すぐに処理のために実験室に運ばれました。サンプルを孔径0.22μmのフィルターシートに通し、ろ紙を異なるメディアプレートに接触させた。2時間後、濾紙を除去し、コロニー形成のためにプレートを30°Cで一晩インキュベートした(図2)。翌日、個々の細菌コロニーを選択し、新鮮な培地プレート上にストリークしました(図2)。生成された純粋な培養物は保存され、その後さらなる分析に使用された。この方法を使用して、100を超えるユニークな細菌分離株のライブラリを作成することができました。私たちは、炭化水素、特に使い捨てプラスチックの主成分であるスチレンを利用できる細菌分離株を特定することを目的としていました。単離された細菌は、唯一の炭素源として液体スチ...
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実験室6では、地球上の細菌の約1%しか容易に培養できないことは十分に確立されています。培養可能な細菌の中でも、多くは特徴付けられていないままです。分子法の改良は、細菌群集の分析と評価に新しい次元を与えました。ただし、このような手法には制限がありますが、培養分析が冗長になるわけではありません。個々の細菌種を単離するための純粋な培養技術は、生理学的特性の特性評価のための主要なメカニズムであり続けています。土壌と水生生物の生息地には、バイオテクノロジーの用途に利用できる新しい酵素と経路を持つ多くの細菌が生息しています。この研究では、生態学的サンプルからの細菌の分離と特性評価のための簡単で安価な方法について説明します。
細菌が異なれば栄養要件も異なるため、多様な細菌種を分離する可能性を高めるために、さまざまな増殖培地が使用されました。この方法の主な制限の1つは、厳格な成長要件を持つ微生物が除外される可能性があることです。また、このステップの主な目的は、サンプルから得られる細菌種の数を最大化することです。サンプルライブラリ内の細菌種の数は、バイ...
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著者は利益相反を宣言しません。
Karthik Krishnan博士とRPラボのメンバーの有益なコメントや提案に感謝します。DSは、SNU-Doctorフェローシップとアースウォッチ・インスティテュート・インド・フェローシップの支援を受けています。RPラボは、シブナダール大学からのCSIR-EMR助成金とスタートアップ資金によってサポートされています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アガロー | Sigma-Aldrich | A4718 | ゲル電気泳動 |
| 塩化アンモニウム (NH4Cl) | Sigma-Aldrich | A9434 | 成長培地成分 |
| 硫酸アンモニウム | Sigma-Aldrich | A4418 | 成長培地成分 |
| バクト寒天 | ミリポア | 1016141000 | 固体培地調製 |
| 塩化カルシウム(CaCl<サブ>2) | MERCK | C4901-500G | 成長培地成分 |
| Catechol | Sigma-Aldrich | 135011 | 炭化水素分解アッセイ |
| 臭化セチルトリメチルアンモニウム、CTAB | Sigma-Aldrich | H6269 | ゲノムDNA単離 |
| クロロホルム | HIMEDIA | MB109 | ゲノムDNA単離 |
| リン酸二ナトリウム(Na2HPO4) | Sigma-Aldrich | S5136 | 成長培地成分 |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | gDNA 緩衝液成分 |
| 硫酸第一鉄、七水和物 (FeSO4.7H20) | Sigma-Aldrich | 215422 | 成長培地成分 |
| グルコース | Sigma-Aldrich | G7021 | 成長培地成分 |
| グリセロール | Sigma-Aldrich | G5516 | 成長培地コンポーネント。グリセロール株 |
| イソプロパノール | HIMEDIA | MB063 | ゲノムDNA単離 |
| LB 寒天 | Difco | 244520 | 成長培地 |
| Luria-Bertani (LB) | Difco | 244620 | 成長培地 |
| 硫酸マグネシウム (MgSO4) | MERCK | M2643 | 成長培地成分 |
| 硫酸マンガン(II)一水和物(MnSO4。H20) | Sigma-Aldrich | 221287 | 成長培地成分 |
| 栄養ブロス (NB) | メルク (ミリポア) | 03856-500G | 成長培地 |
| ペプトン | メルク | 91249-500G | 成長培地成分 |
| フェノール | Sigma-Aldrich | P1037 | ゲノム DNA 分離 |
| リン酸カリウム、二塩基性 (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | P3786 | 増殖培地成分 |
| リン酸カリウム、一塩基性 (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791 | 増殖培地成分 |
| プロテイナーゼK | サーモフィッシャーサイエンティフィック | AM2546 | ゲノムDNA単離 |
| QIAquickゲル抽出キット | QIAGEN | 160016235 | DNA精製 |
| QIAquick PCR 精製キット | QIAGEN | 163038783 | DNA精製 |
| R2A 寒天 | ミリポア | 1004160500 | 成長培地 |
| SmartSpec Plus 分光光度計 | BIO-RAD | 4006221 | 吸光度測定 |
| 酢酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | S2889 | ゲノムDNA単離 |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | Sigma-Aldrich | S9888 | 増殖培地成分 |
| ドデシル硫酸ナトリウム (SDS) | Sigma-Aldrich | L3771 | ゲノムDNA単離 |
| スチレン | Sigma-Aldrich | S4972 | スチレン生分解 |
| Taq DNAポリメラーゼ | NEB | M0273X | 16s rRNA PCR |
| Tris-EDTA (TE) | Sigma-Aldrich | 93283 | ゲノムDNA |
| トリプチン性大豆ブロス(TSB) | メルク | 22092-500G | 成長培地 |
| 酵母抽出物 | シグマアルドリッチ | Y1625-1KG | 成長培地成分 |
| 亜鉛硫酸塩七水和物(ZnSO<サブ>4.7H<サブ>20) | シグマアルドリッチ | 221376 | 成長培地成分 |
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