출처: 에와 부코스카-패니반드1,틸드 앤더슨1,롤프 루드1
1 임상 과학 룬드학과, 감염 의학 학과, 생물 의학 센터, 룬드 대학, 221 00 룬드, 스웨덴
행성 지구는 세균 종의 수백만에 대한 서식지입니다, 각각의 특정 특성을 가지고. 세균성 종의 식별은 감염된 환자를 진단하기 위해 환경 샘플 및 의료 미생물학의 생물 다양성을 결정하기 위해 미생물 생태학에서 널리 사용됩니다. 박테리아는 현미경 검사법과 같은 기존의 미생물학 방법, 특정 매체에 대한 성장, 생화학 및 혈청 술 검사 및 항생제 민감성 분석을 사용하여 분류될 수 있습니다. 최근 수십 년 동안 분자 미생물학 방법은 세균 식별에 혁명을 일으켰습니다. 16S 리보소말 RNA(rRNA) 유전자 염기서열분석이 인기 있는 방법이다. 이 방법은 기존의 방법보다 빠르고 정확할 뿐만 아니라 실험실 조건에서 성장하기 어려운 균주를 식별할 수 있습니다. 더욱이, 분자 수준에서 균주의 분화는 표현형 동일 박테리아 (1-4)의 차별을 가능하게합니다.
16S rRNA는 세균성 리보솜(5)의 30S 하위 단위를 형성하기 위해 19개의 단백질의 복합체와 결합한다. 그것은 16S rRNA 유전자에 의해 인코딩된다, 이는 존재하고 리보솜 조립에 그것의 필수적인 기능때문에 모든 박테리아에 높게 보존; 그러나 특정 종에 대한 지문 역할을 할 수있는 가변 영역도 포함되어 있습니다. 이러한 특징은 16S rRNA 유전자를 박테리아의 식별, 비교 및 계통유전학 적 분류에 사용되는 이상적인 유전 적 단편으로 만들었습니다 (6).
16S rRNA 유전자 염기서열분석은 중합효소 연쇄 반응(PCR) (7-8)를 기반으로 DNA 염기서열 분석(9)을 선행한다. PCR은 다음과 같은 일련의 주기를 통해 DNA의 특정 단편을 증폭시키는 데 사용되는 분자 생물학 방법입니다.
i) 이중 좌초 된 DNA 템플릿의 거부
ii) 템플릿에 보완프라이머 (짧은 올리고 뉴클레오티드)의 안다골
iii) 새로운 DNA 가닥을 합성하는 DNA 폴리머라제 효소에 의한 프라이머 확장
메서드의 회로도 개요는 도 1에표시됩니다.
그림 1: PCR 반응의 회로도 개요. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
성공적인 PCR 반응에 중요한 몇 가지 요인이 있으며, 그 중 하나는 DNA 템플릿의 품질입니다. 박테리아로부터 염색체 DNA의 격리는 표준 프로토콜 또는 상업적 키트를 사용하여 수행될 수 있다. PCR 반응을 억제할 수 있는 오염물질이 없는 DNA를 얻기 위해 특별한 주의를 기울여야 한다.
16S rRNA 유전자의 보존된 영역은 임의의 세균종에서 표적 부위에 결합하고 증폭될 수 있는 범용 프라이머 쌍(1개의 전진 및 1개의 역)의 설계를 허용한다. 대상 영역의 크기가 다를 수 있습니다. 몇몇 프라이머 쌍은 16S rRNA 유전자의 대부분을 증폭할 수 있는 동안, 그 외는 그것의 단지 부분을 증폭합니다. 일반적으로 사용되는 프라이머의 예는 표 1에 표시되며 바인딩 사이트는 그림 2에표시됩니다.
프라이머 이름 | 시퀀스(5’→3′) | 전진/역방향 | 참조 |
8F b) | 아가그트가트CCTGGCTCAG | 전달 | -1 |
27F | AGAGTGATCMTGGCTCAG | 전달 | -10 |
515F | GTGCCAGCMGCCGCGGGTAA | 전달 | -11 |
911R | GCCCCCGTCAATTCMTTTGA | 후진 | -12 |
1391R | 가CGGGCGGTGTGTRCA | 후진 | -11 |
1492R | GGTTGTTACGACTT | 후진 | -11 |
표 1: 16S rRNA 유전자a)의증폭에 사용되는 표준 올리고뉴클레오티드의 예.
a) 상이한 프라이머 조합을 사용하여 생성된 PCR 제품의 예상 길이는 전방 및 역프라이머(그림 2 참조)에 대한 결합 부위 사이의 거리를 계산하여 추정할 수 있으며, 예를 들어 프라이머 쌍 8F-1492R을 사용하여 PCR 제품의 크기는 ~1500bp, 프라이머 쌍 27F-91R~90bp.90 bp.
b) fD1이라고도 함
그림 2: 16S rRNA 서열 및 프라이머 결합 부위의 대표적인 수치. 보존된 영역은 회색으로 표시되고 가변 영역은 대각선으로 채워져 있습니다. 가장 높은 해상도를 허용하기 위해, 프라이머 8F 및 1492R(rRNA 서열에 근거한 이름)는 전체 서열을 증폭시키는 데 사용되어 유전자의 여러 가변 영역의 시퀀싱을 허용한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
PCR에 대한 사이클링조건(즉, DNA가 변성되고, 프라이머로 어닐링되고, 합성되는 데 필요한 온도 및 시간)은 사용되는 폴리머라제의 종류와 프라이머의 특성에 의존한다. 특정 폴리머라제에 대한 제조업체의 지침을 따르는 것이 좋습니다.
PCR 프로그램이 완료되면, 제품은 아가로즈 젤 전기포광에 의해 분석된다. 성공적인 PCR은 예상 크기의 단일 밴드를 생성합니다. 제품은 PCR 반응에 존재했던 잔류 프라이머, 데옥시리보뉴클레오티드, 폴리머라제 및 완충물을 제거하기 위해 시퀀싱 전에 정제되어야 한다. 정제 된 DNA 단편은 일반적으로 상업적 시퀀싱 서비스에 시퀀싱을 위해 전송됩니다. 그러나 일부 기관은 자신의 핵심 시설에서 DNA 시퀀싱을 수행합니다.
DNA 서열은 컴퓨터에 의해 DNA 크로마토그램에서 자동으로 생성되며 수동 편집이 때로는 필요하기 때문에 품질을 주의 깊게 검사해야합니다. 이 단계에 이어, 유전자 서열은 16S rRNA 데이터베이스에 증착된 서열과 비교된다. 유사성 영역이 식별되고 가장 유사한 시퀀스가 전달됩니다.
1. 설정
2. 프로토콜
참고: 입증된 프로토콜은 박테리아의 순수한 배양에서 16S rRNA 유전자 염기서열분석에 적용됩니다. 그것은 메라지노믹 연구에 적용되지 않습니다.
그림 3: 간균 서브틸리스로부터분리된 gDNA의 아가로즈 겔 전기포진. 레인 1 : M – 분자 질량 마커 (위에서 아래로 : 10000 bp, 8000 bp, 6000 bp, 5000 bp, 4000 bp, 3500 bp, 3000 bp, 2500 bp, 2000 bp, 1500 bp, 1000 bp). 레인 2 : gDNA – 바실러스 서브틸리스로부터분리 된 게놈 DNA . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
구성 요소 | 최종 농도 | 반응당 볼륨 | x 반응당 볼륨(마스터 믹스) |
5x 반응 버퍼 | 1x | 10 μL | 10 μL × x |
10mM dNTP | 200 μM | 1 μL | 1 μL × x |
10 μM 프라이머 8F | 0.5 μM | 2.5 μL | 2.5 μL × x |
10 μM 프라이머 1492R | 0.5 μM | 2.5 μL | 2.5 μL × x |
푸시온 폴리머라제 | 1 유닛 | 0.5 μL | 0.5 μL × x |
템플릿 DNA * | – | 1 μL | – |
ddH2O | – | 32.5 μL | 32.5 μL × x |
총 볼륨 | 50 μL | 49 μL × x |
표 2: PCR 반응 구성 요소. * 2.3 단계에서 10x, 100배 또는 1000x 희석 gDNA를 사용합니다.
걸음 | 온도 | 시간 | 사이클 |
초기 변성 | 98°C | 30초 | |
변성 | 98°C | 10초 | 25-30 |
어 닐 링 | 60°C | 30초 | |
확장 | 72°C | 45초 | |
최종 확장 | 72°C | 7분 | |
들다 | 4°C | ∞ |
표 3: 16S rRNA 유전자의 증폭을 위한 PCR 프로그램.
그림 4: 프라이머 8F 및 1492R 및 gDNA를 템플릿으로 사용하여 증폭된 PCR 제품의 아가로즈 젤 전기전경. B. subtilis에서 gDNA 샘플 (그림 3 참조)는 최상의 결과를 테스트하기 위해 10, 100 및 1000 번 희석되었다. 레인 1 : M – 분자 질량 마커 (위에서 아래로 : 10000 bp, 8000 bp, 6000 bp, 5000 bp, 4000 bp, 3500 bp, 3000 bp, 2500 bp, 2000 bp, 1500 bp, 1000bp, 750 bp, 500 bp5). 레인 2: 10배 희석 템플릿을 가진 PCR 반응. 레인 3: 100x 희석 템플릿을 가진 PCR 반응. 레인 4: 1000x 희석 템플릿을 가진 PCR 반응. 차선 5: (C-) – 음의 제어 (DNA 템플릿없이 반응). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 데이터 분석 및 결과
참고: PCR 제품은 포워드(여기 8F)와 리버스(여기 1492R) 프라이머를 사용하여 시퀀싱된다. 따라서, 두 세트의 데이터 시퀀스가 생성되고, 하나는 전방용이고 역프라이머에 대해 하나씩 생성된다. 각 서열에 대해 적어도 두 가지 유형의 파일이 생성됩니다: i) DNA 서열을 포함하는 텍스트 파일 및 ii) 시퀀싱 실행의 품질을 보여주는 DNA 크로마토그램.
그림 5: DNA 염기서열 분석 문제 해결의 예. A) 품질 크로마토그램 시퀀스(균등 간격, 모호한 피크)의 예입니다. B) 일반적으로 크로마토그램의 시작 부분에서 발생하는 가난한 품질 시퀀스. 회색 영역 영역은 낮은 품질로 간주되며 시퀀싱 소프트웨어에 의해 자동으로 제거됩니다. 더 많은 베이스를 수동으로 다듬을 수 있습니다. C) 이중 피크의 존재 (화살표로 표시). 적색 화살표로 표시된 뉴클레오티드는 시퀀서에 의해 “T”(빨간색 피크)로 읽혀졌지만, 파란색 피크는 더 강하며 또한 “C”로 해석될 수 있다. D) 겹치는 피크는 DNA오염(즉, 하나 이상의 템플릿)을 나타낸다. E) 해상도손실및 신뢰할 수 있는 기본 호출을 방지하는 “넓은 피크”(사각형으로 표시)라고 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 뉴클레오티드 블라스트 결과의 예. 16S rRNA 유전자 서열B. subtilis 168의 순수한 배양으로부터 쿼리 서열로 사용되었다. 최고 히트는 예상대로 B. 서브틸리스 스트레인 168에 100 % ID (밑줄)를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
지구는 독특한 특성을 가진 세균종의 수백만의 고향입니다. 이러한 종을 식별하는 것은 환경 샘플을 평가하는 데 중요합니다. 의사는 또한 감염된 환자를 진단하기 위하여 다른 세균성 종을 구별할 필요가 있습니다.
박테리아를 식별하기 위해, 식민지 형태를 관찰하기 위해 특정 매체에 형태 또는 성장의 현미경 관찰을 포함하여 다양한 기술을 사용할 수 있습니다. 유전자 분석, 박테리아를 식별하기위한 또 다른 기술은 16S 리보소말 RNA 유전자 염열에 부분적으로 기인, 최근 몇 년 동안에서 인기가 성장하고있다.
세균성 리보솜은 2개의 서브유닛으로 구성된 단백질 RNA 복합체이다. 이 두 하위 단위의 더 작은 30S 서브유닛은 게놈 DNA 내에 포함된 16S rRNA 유전자에 의해 인코딩되는 16S rRNA를 포함합니다. 16S rRNA의 특정 영역은 리보솜 조립에서의 필수적인 기능으로 인해 매우 보존됩니다. 다른 지역, 기능에 덜 중요 한 동안, 세균성 종 중 다를 수 있습니다. 16S rRNA의 변수 영역은 세균 성 종에 대한 고유 분자 지문역할을 할 수 있으므로 변형적으로 동일한 균주를 구별 할 수 있습니다.
gDNA의 품질 샘플을 얻은 후, 16S rRNA 인코딩 유전자의 PCR이 시작될 수 있다. PCR은 일반적으로 사용되는 분자 생물학 방법, 이중 좌초 된 DNA 템플릿의 데노싱의 주기, 유전자의 고도로 보존 된 영역을 증폭 보편적 인 프라이머 쌍의 어닐링, DNA 폴리머라제에 의한 프라이머의 확장으로 구성됩니다. 일부 프라이머는 16S rRNA 인코딩 유전자의 대부분을 증폭하는 동안, 그 외는 그것의 단편을 증폭. PCR 후, 제품은 아가로즈 젤 전기포광을 통해 분석될 수 있다. 증폭이 성공적이라면, 겔은 16S rRNA 유전자의 대략길이인 1500bp까지 사용되는 프라이머 쌍에 따라 예상되는 크기의 단일 대역을 포함해야 한다.
정제 및 시퀀싱 후, 얻어진 서열은 BLAST 데이터베이스에 입력하여 참조 16S rRNA 서열과 비교할 수 있다. 이 데이터베이스는 가장 높은 유사성에 따라 일치하는 것을 반환하므로 관심 있는 박테리아의 ID를 확인할 수 있습니다. 이 비디오에서는 PCR, DNA 서열 분석 및 편집, 서열 조립 및 데이터베이스 검색을 포함한 16S rRNA 유전자 시퀀싱을 관찰할 것입니다.
미생물을 취급할 때, 무균 기술을 사용하고 적절한 개인 보호 장비를 착용하는 것을 포함하여 좋은 미생물 사례를 따르는 것이 필수적입니다. 미생물 또는 환경 적 관심 시료에 대한 적절한 위험 평가를 수행 한 후 시험 배양을 얻습니다. 이 예에서는, 바실러스 subtilis의 순수한 문화가 이용됩니다.
시작하려면 적절한 조건에서 적절한 배지로 미생물을 성장시십시오. 이 예에서, 바실러스 서브틸리스(168)는 섭씨 37도에서 200rpm으로 설정된 흔들리는 인큐베이터에서 하룻밤 사이에 LB 국물에서 재배된다. 다음으로, B. 서브틸리스의 1.5 밀리리터에서 유전체 DNA 또는 gDNA를 분리하기 위해 상업적으로 이용 가능한 키트를 사용합니다.
격리된 DNA의 품질을 확인하기 위해, 먼저 DNA 젤 로딩 염료의 1개의 마이크로리터와 격리된 gDNA의 5개의 마이크로리터를 혼합합니다. 이어서, 시료를 0.8% 아가로즈 젤에 적재하고, SYBR 안전 또는 EtBr과 같은 DNA 염색 시약을 함유한다. 그 후, 1킬로베이스 분자 질량 표준을 젤에 적재하고, 전방 염료가 젤 의 바닥에서 약 0.5cm가 될 때까지 전기포고를 실행한다. 젤 전기전경이 완료되면 청색광 트랜틸루미노이터에 젤을 시각화합니다. gDNA는 크기가 10킬로베이스 위에 두꺼운 밴드로 나타나야 하며 얼룩이 최소화됩니다.
그 후 gDNA의 직렬 희석을 생성하려면 3개의 미세원심분리기 튜브를 10X, 100X 및 1000X로 레이블을 지정합니다. 그런 다음 파이펫을 사용하여 멸균 증류수 90마이크로리터를 각 튜브에 분배합니다. 다음으로, 10X 튜브에 gDNA 용액의 10 마이크로리터를 추가합니다. 전체 볼륨을 위아래로 피펫하여 용액이 완전히 혼합되도록 합니다. 그런 다음 10X 튜브에서 용액의 마이크로리터 10을 제거하고 이를 100X 튜브로 전송합니다. 이전에 설명한 대로 솔루션을 혼합합니다. 마지막으로 100X 튜브에 10마이크로리터를 1000X 튜브로 전송합니다.
PCR 프로토콜을 시작하려면 얼음에 필요한 시약을 해동합니다. 그런 다음 PCR 마스터 믹스를 준비합니다. DNA 중합체는 실온에서 활성화되기 때문에, 설정된 반응은 얼음에서 발생해야합니다. 마스터 믹스의 Aliquot 49 마이크로리터는 각 PCR 튜브에 혼합합니다. 그런 다음, 각 실험 관에 템플릿 1마이크로리터와 멸균물의 마이크로리터 1개를 음의 대조관 튜브에 추가하여 위아래로 섞어 넣습니다. 이 후 테이블에 설명된 프로그램에 따라 PCR 컴퓨터를 설정합니다. 튜브를 열순환기에 넣고 프로그램을 시작합니다.
프로그램이 완료되면 이전에 설명한 대로 아가로즈 젤 전기전도를 통해 제품의 품질을 검사하십시오. 설명된 프로토콜을 사용하는 성공적인 반응은 약 1.5킬로베이스의 단일 대역을 산출해야 한다. 이 예에서, 100X 희석 gDNA를 함유한 샘플은 최고 품질의 제품을 산출하였다. 다음으로, 최고의 PCR 제품을 정화,이 경우, 100X gDNA, 시판 되는 키트와 함께. 이제 PCR 제품을 시퀀싱을 위해 보낼 수 있습니다.
이 예에서 PCR 제품은 앞뒤로 프라이머를 사용하여 시퀀싱됩니다. 따라서, DNA 서열과 DNA 크로마토그램을 포함하는 각각 2개의 데이터 세트가 생성됩니다: 전방 프라이머에 대한 하나, 다른 하나는 역프라이머에 대한 것이다. 먼저 각 프라이머에서 생성된 크로마토그램을 검사합니다. 이상적인 크로마토그램은 배경 신호가 거의 또는 전혀 없는 피크를 균등하게 간격으로 만들어야 합니다.
크로마토그램이 이중 피크를 표시하는 경우 여러 DNA 템플릿이 PCR 제품에 존재했을 수 있으며 서열은 폐기되어야 합니다. 크로마토그램이 같은 위치에 다른 색상의 피크를 포함하는 경우, 시퀀싱 소프트웨어는 아마도 뉴클레오티드를 잘못 불렀다. 이 오류는 텍스트 파일에서 수동으로 식별하고 수정할 수 있습니다. 크로마토그램에 넓은 봉우리의 존재는 관련 지역에 있는 뉴클레오티드의 잘못 계산을 일으키는 원인이 되는 해상도의 손실을 나타냅니다. 이 오류는 수정하기 어렵고 후속 단계중 어느 단계에서도 불일치를 신뢰할 수 없는 것으로 처리해야 합니다. 여러 피크의 존재에 의해 표시 가난한 크로마토그램 판독 품질은 일반적으로 시퀀스의 다섯 가지 프라임 과 세 개의 주요 끝에서 발생합니다. 일부 시퀀싱 프로그램은 이러한 낮은 품질 섹션을 자동으로 제거합니다. 시퀀스가 자동으로 잘리지 않으면 품질이 낮은 조각을 식별하고 텍스트 파일에서 해당 베이스를 제거합니다.
DNA 어셈블리 프로그램을 사용하여 두 프라이머 서열을 하나의 연속 서열로 조립합니다. 앞으로 및 역 프라이머를 사용하여 얻은 시퀀스는 부분적으로 겹쳐야 한다는 것을 기억하십시오. DNA 어셈블리 프로그램에서 FASTA 형식으로 두 서열을 적절한 상자에 삽입합니다. 그런 다음 제출 버튼을 클릭하고 프로그램이 결과를 반환할 때까지 기다립니다.
조립된 시퀀스를 보려면 결과 탭에서 Contigs를 클릭합니다. 그런 다음 정렬의 세부 정보를 보려면 어셈블리 세부 정보를 선택합니다. 기본 로컬 정렬 검색 도구 또는 BLAST를 웹 사이트로 이동하여 뉴클레오티드 BLAST 도구를 선택하여 시퀀스를 데이터베이스와 비교합니다. 시퀀스를 쿼리 시퀀스 텍스트 상자에 입력하고 스크롤 다운 메뉴에서 적절한 데이터베이스를 선택합니다. 마지막으로 페이지 하단의 BLAST 버튼을 클릭하고 도구가 데이터베이스에서 가장 유사한 시퀀스를 반환할 때까지 기다립니다.
이 예에서, 최상위 히트는 블라스트 데이터베이스의 시퀀스와 100% 정체성을 나타내며, B. 서브틸리스 스트레인(168)이다. 상단 히트가 예상 종 또는 변형에 100% ID가 표시되지 않으면 쿼리와 가장 밀접하게 일치하는 시퀀스를 클릭하여 정렬 의 세부 정보를 확인합니다. 정렬된 뉴클레오티드는 짧은 수직 선에 의해 결합될 것이고 일치하지 않는 뉴클레오티드는 그들 사이에 간격을 두게 될 것이다. 식별된 일치하지 않는 영역에 초점을 맞추고 시퀀스를 수정하고 원하는 경우 BLAST 검색을 반복합니다.
세균성 종을 확인하는 것은 다른 연구원을 위해, 뿐만 아니라 헬스케어에 있는 사람들을 위해 중요합니다. 16S rRNA 시퀀싱은 처음에 박테리아 사이의 물리 유전학 관계를 결정하기 위해 연구원에 의해 사용되었다. 시간이 지남에 따라, 그것은 잠재적인 병원균을 식별하는 방법으로 환경 샘플및 임상 실험실의 생물 다양성을 결정하기 위해 메타게노믹 연구에서 구현되었습니다. 그것은 임상 견본에 존재하는 박테리아의 신속하고 정확한 확인을 가능하게 합니다, 초기 진단을 촉진하고 환자의 더 빠른 처리를 촉진합니다.
Earth is home to millions of bacterial species, each with unique characteristics. Identifying these species is critical in evaluating environmental samples. Doctors also need to distinguish different bacterial species to diagnose infected patients.
To identify bacteria, a variety of techniques can be employed, including microscopic observation of morphology or growth on a specific media to observe colony morphology. Genetic analysis, another technique for identifying bacteria has grown in popularity in recent years, due in part to 16S ribosomal RNA gene sequencing.
The bacterial ribosome is a protein RNA complex consisting of two subunits. The 30S subunit, the smaller of these two subunits, contains 16S rRNA, which is encoded by the 16S rRNA gene contained within the genomic DNA. Specific regions of 16S rRNA are highly conserved, due to their essential function in ribosome assembly. While other regions, less critical to function, may vary among bacterial species. The variable regions in 16S rRNA, can serve as unique molecular fingerprints for bacterial species, allowing us to distinguish phenotypically identical strains.
After obtaining a quality sample of gDNA, PCR of the 16S rRNA encoding gene can begin. PCR is a commonly used molecular biology method, consisting of cycles of denaturation of the double-stranded DNA template, annealing of universal primer pairs, which amplify highly conserved regions of the gene, and the extension of primers by DNA polymerase. While some primers amplify most of the 16S rRNA encoding gene, others only amplify fragments of it. After PCR, the products can be analyzed via agarose gel electrophoresis. If amplification was successful, the gel should contain a single band of an expected size, depending upon the primer pair used, up to 1500bp, the approximate length of the 16S rRNA gene.
After purification and sequencing, the obtained sequences can then be entered into the BLAST database, where they can be compared with reference 16S rRNA sequences. As this database returns matches based on the highest similarity, this allows confirmation of the identity of the bacteria of interest. In this video, you will observe 16S rRNA gene sequencing, including PCR, DNA sequence analysis and editing, sequence assembly and database searching.
When handling microorganisms, it is essential to follow good microbiological practice, including using aseptic technique and wearing appropriate personal protective equipment. After performing an appropriate risk assessment for the microorganism or environmental sample of interest, obtain a test culture. In this example, a pure culture of Bacillus subtilis is used.
To begin, grow your microorganism on a suitable medium in the appropriate conditions. In this example, Bacillus subtilis 168 is grown in LB broth overnight in a shaking incubator set to 200 rpm at 37 degrees Celsius. Next, use a commercially available kit to isolate genomic DNA or gDNA from 1.5 milliliters of the B. subtilis overnight culture.
To check the quality of the isolated DNA, first mix five microliters of the isolated gDNA with one microliter of DNA gel loading dye. Then, load the sample onto a 0.8% agarose gel, containing DNA staining reagent, such as SYBR safe or EtBr. After this, load a one kilobase molecular mass standard onto the gel, and run the electrophoresis until the front dye is approximately 0.5 centimeters from the bottom of the gel. Once the gel electrophoresis is complete, visualize the gel on a blue light transilluminator. The gDNA should appear as a thick band, above 10 kilobase in size and have minimal smearing.
After this, to create serial dilutions of the gDNA, label three microcentrifuge tubes as 10X, 100X, and 1000X. Then, use a pipette to dispense 90 microliters of sterile distilled water into each of the tubes. Next, add 10 microliters of the gDNA solution to the 10X tube. Pipette the whole volume up and down to ensure the solution is mixed thoroughly. Then, remove 10 microliters of the solution from the 10X tube and transfer this to the 100X tube. Mix the solution as previously described. Finally, transfer 10 microliters of the solution in the 100X tube, to the 1000X tube.
To begin the PCR protocol, thaw the necessary reagents on ice. Then, prepare the PCR master mix. Since the DNA polymerase is active at room temperature, the reaction set up must occur on ice. Aliquot 49 microliters of the master mix into each of the PCR tubes. Then, add one microliter of template to each of the experimental tubes and one microliter of sterile water to the negative control tube, pipetting up and down to mix. After this, set the PCR machine according to the program described in the table. Place the tubes into the thermocycler and start the program.
Once the program is complete, examine the quality of your product via agarose gel electrophoresis, as previously demonstrated. A successful reaction using the described protocol should yield a single band of approximately 1.5 kilobase. In this example, the sample containing 100X diluted gDNA yielded the highest quality product. Next, purify the best PCR product, in this case, the 100X gDNA, with a commercially available kit. Now the PCR product can be sent for sequencing.
In this example, the PCR product is sequenced using forward and reverse primers. Thus, two data sets, each containing a DNA sequence and a DNA chromatogram, are generated: one for the forward primer and the other for the reverse primer. First, examine the chromatograms generated from each primer. An ideal chromatogram should have evenly spaced peaks with little to no background signals.
If the chromatograms display double peaks, multiple DNA templates may have been present in the PCR products and the sequence should be discarded. If the chromatograms contained peaks of different colors in the same location, the sequencing software likely miscalled nucleotides. This error can be manually identified and corrected in the text file. The presence of broad peaks in the chromatogram indicates a loss of resolution, which causes miscounting of the nucleotides in the associated regions. This error is difficult to correct and mismatches in any of the subsequent steps should be treated as unreliable. Poor chromatogram reading quality, indicated by the presence of multiple peaks, usually occurs at the five prime and three prime ends of the sequence. Some sequencing programs remove these low quality sections automatically. If your sequence was not truncated automatically, identify the low quality fragments and remove their respective bases from the text file.
Use a DNA assembly program to assemble the two primer sequences into one continuous sequence. Remember, sequences obtained using forward and reverse primers should partially overlap. In the DNA assembly program, insert the two sequences in FASTA format into the appropriate box. Then, click the submit button and wait for the program to return the results.
To view the assembled sequence, click on Contigs in the results tab. Then, to view the details of the alignment, select assembly details. Navigate to the website for the basic local alignment search tool, or BLAST, and select the nucleotide BLAST tool to compare your sequence to the database. Enter your sequence into the query sequence text box and select the appropriate database in the scroll down menu. Finally, click the BLAST button on the bottom of the page, and wait for the tool to return the most similar sequences from the database.
In this example, the top hit is B. subtilis strain 168, showing 100% identity with the sequence in the BLAST database. If the top hit does not show 100% identity to your expected species or strain, click on the sequence which most closely matches your query to see the details of the alignment. Aligned nucleotides will be joined by short vertical lines and mismatched nucleotides will have gaps between them. Focusing on the identified mismatched regions, revise the sequence and repeat the BLAST search if desired.
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