形質転換(transformation)とは、外来DNAが細胞内へ取り込まれることをいいます。自然界においてある特定のバクテリアは形質転換を行うことができます。しかし分子生物学での形質転換は、バクテリアの細胞壁に穴を空けることにより人為的に誘発させます。周囲のDNAを取り込み可能なバクテリアをコンピテントセルと呼びます。エレクトロコンピテントセルは特にエレクトロポレーション用に作製された細胞で、電場を利用して細胞壁に穴を形成しDNAを導入する方法で形質転換を行う際に利用します。
このビデオでは、エレクトロポレーション用の装置であるエレクトロポレーター、エレクトロポレーション用キュベットについて、またエレクトロコンピテントセルの調製法や目的細胞への電気刺激の方法など各工程を紹介しています。時定数を利用した形質転換成功の確認方法、さらにエレクトロポレーション実施時の塩除去の重要性などにも触れています。
バクテリアの形質転換は自然界で起こっており、バクテリアが外来DNAを導入する現象のことです。さらにその後増幅又は複製を行います。研究では、高圧の電気パルスを利用し、バクテリアの細胞膜に穴を空け人為的に形質転換を誘発します。この穴を通ってプラスミドDNAが細胞内に取り込まれます。この手法はエレクトロポレーション法と呼ばれ、これからその原理、各工程、応用例を紹介していきます。
エレクトロポレーション法の前にまず、この実験で使用するDNAのタイプを知っておきましょう。それはプラスミドです。プラスミドは小さな環状の染色体外のDNAであり、特異的なDNA配列のべクター又は担体の役割を担います。
この配列がクラゲ蛍光タンパク質の遺伝子でも植物性の酵素でも、マルチクローニンングサイト、MCSを介してプラスミドに挿入することができます。この領域は制限エンドヌクレアーゼ、つまり制限酵素の認識部位を含んでいます。同じ制限酵素で挿入したい配列とプラスミドを切断することで、互いに相補的な配列をもつ末端ができあがります。
また、プラスミドには複製起点、ORIが含まれており、ここから複製が開始されます。そして形質転換の際に極めて重要となるのが抗生物質耐性遺伝子です。この遺伝子をもつバクテリアは抗生物質を無効化できるため、抗生物質を含む培地でも生存できるのです。
エレクトロポレーション法にはエレクトロポレーターと呼ばれる特別な装置を利用します。両側に電極のついたエレクトロポレーション用キュベットに細胞を入れ、装置にセットすることで電気接点ができあがります。
バクテリア細胞とDNAを混和し、エレクトロポレーション用キュベットにロードします。そして約1000から10,000ボルトの電場を数ミリ秒供給します。すると0.5から1ボルトの電流が細胞膜に到達することで、膜を構成するリン脂質二重膜の再配列が起こり穴が形成されるとされています。このときプラスミドDNAは細胞膜を通過することができ、パルス刺激をやめると膜は自己修復します。
プラスミドを導入したバクテリアは抗生物質を添加した寒天プレートで培養します。
ここまでプラスミドとエレクトロポレーション法のメカニズムについて学びました。ここからは実験手順を見ていきましょう。
DNAを簡単に導入できる細胞としてコンピテントセルがあります。分子生物学の研究で最もよく利用されるのは大腸菌のコンピテントセルです。 大腸菌は原核生物であり、あなたの腸管下部にも生息しています。特にエレクトロポレーション用の大腸菌はエレクトコンピテントセルと呼ばれます。
バクテリアを扱うときには、作業領域をできるだけクリーンな状態にしてください。
さらにバクテリアの取り扱いには無菌操作が必須となります。ブンゼンバーナーによる器具の滅菌、またその対流により作業領域の空気中浮遊物のコンタミネーションを防ぎます。
エレクトロポレーションの実施直前に、培地を室温に戻し、抗生物質を添加した寒天プレートを準備します。エレクトロポレーション用キュベットは氷で冷やしておきます。
次にエレクトロコンピテントセルを氷で融解します。
1-5μLの塩を含まない1ng/μLプラスミドをバクテリア細胞に加え、優しく撹拌し、氷冷しておいたキュベットに注入します。気泡が入らないように気をつけてください。
エレクトロポレーターを細胞に適した条件に設定します。ここでは、電圧1700ボルト、電場強度17kV/cmに設定しています。
キュベットの外側の水滴を拭き取り、装置にセットします。音が鳴るまでパルスをかけます。
電気パルスがうまくかかっていないと放電により火花が散りパンという音が聞こえます。これはアーク放電と呼ばれ、コンピテントセル又はDNA中の塩が多すぎる場合に起こります。
形質転換は時定数により成功したかどうか推測可能です。時定数とは、パルスをかけた後、電圧が低下するまでの時間のことです。もし溶液に塩が存在し、伝導性が非常に良いと、すぐに低下が始まるため、放電により多くの細胞が死んでしまいます。バクテリアの至適時定数は5-10ミリ秒です。
パルス刺激後すぐにキュベットを取り出し、1mLの培地を直接細胞に加えます。培地を含んだ細胞はチューブに移し、37°Cで1時間震盪し、細胞を回復させます。
次に、無菌操作で20-200μLの細胞を抗生物質を添加した寒天プレートに播種します。凝縮液が細胞に入らないようプレートを反転させ寒天が上にくるようにし、一晩37°Cで培養します。
プラスミドにより形質転換されたバクテリアによりコロニーが形成されます。コロニーをカウントし、形質転換効率を算出します。これは形質転換に成功したコロニー数をDNAの総数で割った数値です。
バクテリアの栄養となる寒天と培養液は前もってオートクレーブで滅菌しておきます。使用前に培養液を室温まで冷まします。また寒天は50から55°Cに冷却し、抗生物質を加えてプレートに移します。そして固まるまで室温で待ちます。
冷凍庫に保管しておいたバクテリアをまず氷の上で融解させ、抗生物質を添加していない寒天プレートに播種し、一晩37°Cで培養します。
無菌操作で寒天プレートからバクテリアのコロニーを選別し、500mLの培養液に加え一晩37°Cでシェーカーを使って培養します。
細胞が増殖するまでの間に、蒸留水を用いて10%となるようにグリセロールを希釈します。
その溶液をオートクレーブにかけその後4°Cまで冷却します。
吸光度を測定しバクテリアが対数増殖期中つまりDNA採取の最適時であることを確認します。この期間に達したら細胞を氷の上に置き、その後の工程は氷の上で行います。
次に、細胞を大きな遠心チューブ2本に分割し4°Cで遠心分離します。上澄みを除去し、氷冷済み滅菌水100mLで懸濁させます。このステップを少なくともあと1回繰り返します。この目的は塩を取り除くためであり、その後のエレクトロポレーションの効率に大きく影響します。
50mLの10%グリセロールであと2回洗浄し、その後バクテリアを同じ溶液で再懸濁させます。
50mLの細胞 をマイクロチューブに分注します。これらを使い実験を開始できますが、常に4°Cに保つようにして下さい。もしくは急速冷凍し-80℃で保存します。
エレクトロポレーション法は多くのアプリケーションに役立ちます。
エレクトロポレーション法の代わりにヒートショックを用いた形質転換誘導法があります。塩化カルシウム処理後に熱を加えバクテリアにDNAを導入する方法です。
一般的にヒートショック法はエレクトロポレーション法に比べバクテリアへのダメージが少なく、低い塩濃度にする必要もありません。またプラスミドに目的遺伝子を挿入するライゲーション反応にも利用することができます。さらに、ヒートショック法は高価な装置やキュベットを必要とせず、低コストで実施することができます。その一方、ヒートショック法は、形質転換効率が悪く、時間もかかります。さらに、エレクトロポレーション法が哺乳類細胞にまで応用できるのに対し、その使用はバクテリア、酵母、植物プロトプラストに限られます。
ここではマウス胎児繊維芽細胞をエレクトロポレーション用キュベットにロードしています。エレクトロポレーション後にプラスミドにコードされたGFPを生成する細胞を観察することで形質転換効率を確認できます。トランスフェクションとは哺乳類細胞を形質転換する手法であり、バクテリア細胞のときよりも低い電界強度と高い時定数が要求されます。
エレクトロポレーション法は動物にも利用可能で、例えば発生中のニワトリの胚にも適用できます。プラスミドDNAをひな鳥の脳に注入し、エレクトロポレーションプルーブを使って脳組織に電場をかけます。一日二日で、プラスミドによりコードされた緑又は赤色蛍光タンパク質がニューロンで生成され、脳の発達段階における構造変化を観察することができます。
ここまでJoVEエレクトロポレーション法を利用したバクテリアの形質転換入門編をご覧いただきました。このビデオでは、形質転換に最も適したDNAであるプラスミドについて、エレクトロポレーション法の生物物理学的メカニズム、一般的な工程、そしてエレクトロポレーション法の哺乳類動物への適用を紹介しました。ご覧いただきありがとうございました。
Bacterial transformation is a naturally occurring process, in which bacteria ingest foreign DNA and then amplify or clone it. In the lab, this process can be induced artificially, by using high voltage electric field pulses to create pores in the bacterial cell membrane, through which plasmid DNA can pass. Electroporation refers to this method and the following video will demonstrate its principles, step-by-step procedure, and applications.
Before we talk about electroporation of bacteria, it’s important to understand the type of DNA used in these experiments: the plasmid. A plasmid is a small, circular, extrachromosomal piece of DNA that acts as a vector, a carrier of your specific DNA sequence.
Whether this sequence is a gene for a fluorescence protein in jellyfish or an enzyme from plants, it is inserted into the plasmid via a region called the multiple cloning site or MCS. This region contains specific sequences that are cleaved by restriction endonucleases or restriction enzymes. The same restriction enzymes can be used to cut out your sequence of interest so that the ends are complementary to the newly cut ends of the plasmid.
Plasmids also contain an origin of replication, abbreviated ORI, that indicates the point at which it will be replicated. When it comes to transformation the antibiotic resistance gene is of vital importance. As its name implies this gene allows the bacteria to produce an enzyme that neutralizes antibiotic allowing them to survive in antibiotic containing media.
Electroporation makes use of a specialized device called an electroporator. Typically cells are placed into an electroporation cuvette, which has electrodes on each side that make electrical contact with the machine once inserted.
Bacterial cells mixed with DNA are loaded into the electroporation cuvette and an electric field on the order a 1000 to 10,000 volts per centimeter is applied for a few milliseconds. This causes the voltage across the membrane to reach 0.5-1 volts, which is believed to lead to a rearrangement of the phospolipid bilayer that comprises the cell membrane such that pores will form. In this state plasmid DNA will pass through the membrane and when pulsing is complete the bilayer will repair itself.
Having taken up the plasmid, bacteria can then grow on agar plates containing antibiotic.
Now that we’ve learned about plasmids and the electroporation mechanism. Let’s have a look at how the procedure is conducted.
Cells that can readily take up DNA are referred to as competent cells. The most common type of competent bacteria that is transformed in molecular biology research is E. coli, which are the prokaryotic bacteria that make their home in your lower intestine. E. coli that are prepared for electroporation are referred to as electrocompetent cells.
Whenever handling bacteria, make sure the work area is as clean as possible.
Handling bacteria also requires that one practice aseptic technique. Typically this involves the use of a Bunsen burner to sterilize instruments and to create a convection current – which keeps airborne contaminants away from the workspace.
Immediately before electroporation, pre-warm media to room temperature, bring agar plates containing antibiotic to 37°C, and cool electroporation cuvettes on ice.
Next, thaw washed electrocompetent cells on ice.
Add 1-5uL of 1ng/μL cold plasmid that is salt free to bacterial cells, mix gently, and add the mixture to the cold cuvette. Make sure there are no bubbles.
Set the voltage and field strength of the electroporator to the correct settings for your cells. Here you see an electroporator being set to 1700 volts and yielding a field strength of 17kV/cm.
Wipe the outside of the cuvette dry and place it into the electroporator. Pulse the cells until you hear a beep.
Unsuccessful pulsing causes an electrical discharge, which is observable as a visible spark and audible pop. This discharge, referred to as arcing, can be the result of having too much salt in your competent cells or DNA.
The success of your transformation can be predicted by noting the time constant, which is the duration it takes for the voltage to decay after applying the pulse. When salt is present and the electroporation solution is very conductive, the decay happens rapidly, causing the discharge, and thereby killing many of your cells. For bacteria, good time constants range from 5-10 milliseconds.
Immediately after pulsing, remove the cuvette and add 1 ml of media directly to the cells. This cell containing media is placed in a tube and incubated at 37°C for 1 hour, with shaking, in order for the cells to recover.
Then, using aseptic technique add 20-200uL of the cell to an antibiotic containing agar plate. Invert the plates so that the agar is on top and so condensation does not fall into your cells and incubate overnight at 37°C.
Bacteria transformed with the plasmid should form colonies. Count the colonies and calculate the transformation efficiency, which is the number of successful transformants divided by the total amount of DNA plated.
The agar and media, which provide the nutrition for your bacteria, should be pre-prepared and sterilized via autoclaving. Allow liquid media to cool to room temperature before using and let the agar cool to 50-55˚C – the temperature at which antibiotic can be added and plates poured. Then, allow plates to cool to room temperature to solidify.
Since bacteria used in transformation are stored in the freezer, they must first be thawed on ice, spread on an agar plate without antibiotics and then grown overnight at 37˚C.
Using aseptic technique select a bacterial colony from the agar plate and grow it up in a larger 500mL culture overnight at 37°C in a shaking incubator.
While the cells are growing, prepare about a liter of deionized water and make up a 10% glycerol and water, volume to volume solution. Autoclave the solutions and let them cool at 4˚C.
Absorbance measurements are used to determine whether or not the bacteria are in their mid log phase of growth, which means they will readily take up DNA. Once cells have reached this phase, place them on ice and keep them there throughout the procedure.
Next, wash cells by separating them in two large centrifuge tubes and spin at 4°C, pour off supernatant and resuspend in cold 100mL sterile deionized water. Repeat this step at least one more time. The purpose of this step particular step is to remove salt, which will strongly affect the electroporation technique.
Perform two additional washes in 50 ml of 10% glycerol in water and finally resuspend the bacteria in this same solution.
Add 50μL of cells into multiple Eppendorf tubes. These cells are now ready for use in electroporation and should be kept at 4˚C. Or they can be flash frozen and stored at -80˚C.
As you are about to see, electroporation has many applications.
An alternative to electroporation is heat shock transformation, which relies on the exposure of the bacteria to both calcium chloride and heat in order to introduce DNA into your cells.
In general, heat shock is gentler on your bacteria than electroporation and doesn’t require low salt. Ligation reactions, those that involve inserting your target gene into the plasmid, can be used directly in heat shock transformation. Heat shock transformation is cheaper than electroporation and doesn’t rely on expensive equipment or cuvettes. On the other hand, heat shock leads to lower transformation efficiencies than electroporation and takes longer. Also it is limited to bacterial, yeast and plant protoplasts while electroporation can be applied to mammalian cells.
Here you see mouse embryonic fibroblasts being loaded into an electroporation cuvette. Once electroporation is complete, transformation efficiencies can be determined by observing the extent to which cells produce a green fluorescence protein encoded by the plasmid. Transfection is the term given to the transformation of mammalian cells, which typically requires lower field strengths than bacterial cells and higher time constants.
Electroporation can also be performed in whole animals like the developing chicken embryo you seen here. Plasmid DNA is injected into the brain of the chick and then an electroporation probe is used to apply an electric field to the brain tissue. After a day or two, green and red fluorescent proteins – encoded by the plasmid – are made by neurons, and scientists can observe structural changes in the developing chick brain.
You’ve just watched JoVE introduction to bacterial transformation by electroporation. This video introduced the plasmid as the most commonly transformed type of DNA, discussed the biophysical mechanism thought to underlie electroporation, showed a generalized procedure for conducting electroporation, and described how electroporation can be used in mammalisn system. Thanks for watching!
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