Nội dung
Tại sao thường chọn E. coli trong tách dòng gen?
Escherichia coli có một lịch sử lâu dài trong ngành công nghệ sinh học và vẫn là vi sinh vật được lựa chọn cho hầu hết các thí nghiệm tách dòng gen. Mặc dù E. coli được người ta biết đến như là một quần thể gây bệnh trong tự nhiên thuộc một chủng cụ thể (O157: H7), nhưng rất ít người biết rằng nó linh hoạt và được sử dụng rộng rãi như thế nào trong nghiên cứu như là vật chủ phổ biến cho DNA tái tổ hợp. Bài viết này sẽ liệt kê cho bạn những lý do vì sao thường xuyên lựa chọn E. coli trong tách dòng gen cũng như chỉ ra các chủng thương mại phổ biến.
Sơ lược về E. coli
E. coli là vi khuẩn Gram âm, hình que được đặt theo tên của Tiến sĩ Theodor Escherich, nhà khoa học lần đầu tiên mô tả chúng vào năm 1885. E. coli chủ yếu được tìm thấy trong đường ruột của động vật. Có nhiều chủng E.coli khác nhau có mặt trong tự nhiên, một số trong đó gây tử vong cho con người.
Phần lớn tất cả các chủng E. coli phổ biến, được thương mại hóa được dùng trong phòng thí nghiệm mà ta sử dụng ngày nay đều có nguồn gốc từ hai dòng phân lập riêng rẽ là chủng K-12 và chủng B. K-12 được phân lập từ một bệnh nhân vào năm 1920 và cuối cùng đã “trở thành” các chủng phòng thí nghiệm phổ thông là MG1655 cùng các dẫn xuất của nó là DH5alpha và DH10b (còn được gọi là TOP10). Lịch sử của chủng B phức tạp hơn một chút do các nhà nghiên cứu chia sẻ và đổi tên các mẫu trong suốt lịch sử. Nó có khả năng được phân lập vào năm 1918 nhưng lần đầu tiên được gọi là “chủng B” là vào năm 1942. Chủng BL21 và các chủng cải biến của nó là những ví dụ phổ biến nhất của E. coli B.
E. coli gồm hai chủng dại được phân lập đầu tiên là K-12 và B.
Những lý do tại sao thường chọn E. coli trong tách dòng gen
Đơn giản về mặt di truyền
Vi khuẩn tạo ra các công cụ hữu ích cho nghiên cứu di truyền vì kích thước bộ gen tương đối nhỏ so với sinh vật nhân chuẩn. Các tế bào E.coli chỉ có khoảng 4.400 gen trong khi dự án hệ gen người đã xác định rằng con người chứa khoảng 30.000 gen. Ngoài ra, vi khuẩn, kể cả E. coli, luôn tồn tại trong trạng thái đơn bội (có một nhiễm sắc thể duy nhất). Kết quả là, không có bộ nhiễm sắc thể thứ hai (trường hợp bộ gen lưỡng bội) để che dấu tác động của các đột biến trong các thí nghiệm kỹ thuật protein.
Tốc độ tăng trưởng
Vi khuẩn thường phát triển nhanh hơn nhiều so với các sinh vật phức tạp hơn nó. E.coli phát triển nhanh chóng với thời gian một thế hệ chỉ trong 20 phút trong điều kiện tăng trưởng điển hình. Điều này cho phép việc chuẩn bị nuôi cấy pha log qua đêm và các kết quả thí nghiệm di truyền cho ra chỉ trong vài giờ thay vì vài ngày, vài tháng hoặc nhiều năm. Tăng trưởng nhanh hơn cũng có nghĩa là khả năng sản xuất tốt hơn, đặc biệt hữu ích khi việc nuôi cấy được áp dụng trong các quy trình lên men quy mô lớn.
An toàn
E.coli được tìm thấy tự nhiên trong đường ruột của người và động vật nơi nó giúp cung cấp chất dinh dưỡng (vitamin K và B12) cho vật chủ của nó. Có nhiều chủng E.coli khác nhau có thể tạo ra độc tố hoặc gây ra mức độ nhiễm trùng khác nhau nếu ăn phải hoặc tình cờ xâm nhiễm vào các bộ phận khác của cơ thể. Mặc dù bị lây tiếng xấu bởi một chủng đặc biệt độc hại (O157: H7), E. coli thường tương đối vô hại khi được xử lý hợp vệ sinh.
Đã được nghiên cứu nhiều
Bộ gen của E. coli là bộ gen đầu tiên được giải trình tự hoàn toàn (năm 1997). Kết quả là, E. coli là vi sinh vật được nghiên cứu nhiều nhất. Những hiểu biết sâu rộng về cơ chế biểu hiện protein của nó làm cho việc sử dụng nó đơn giản hơn trong các thí nghiệm trong đó biểu hiện protein ngoại lai và lựa chọn thể tái tổ hợp là rất cần thiết.
Nhận DNA ngoại lai
Hầu hết các kỹ thuật tách dòng gen đã được phát triển bằng cách sử dụng vi khuẩn này và vẫn thành công hoặc hiệu quả hơn ở E.coli so với các vi sinh vật khác. Do đó, việc chuẩn bị các tế bào khả biến (các tế bào sẽ lấy DNA ngoại lai) không phức tạp. Biến nạp với các vi sinh vật khác thường ít thành công hơn.
Tế bào khả biến – những tế bào có khả năng nhận DNA ngoại lai. Các chủng E. coli là các vi khuẩn khả biến thông dụng nhất. Có hai phương pháp phổ biến để gây khả biến là shock nhiệt và điện biến nạp. Ảnh: Thermo Fisher Scientific
Dễ nuôi dưỡng
Bởi vì nó phát triển rất tốt trong ruột của con người, E. coli được biết là dễ dàng phát triển ở nơi mà con người có thể làm việc. Nó phát triển thuận lợi nhất ở nhiệt độ cơ thể. Trong khi 37 độ C có thể hơi ấm đối với hầu hết chúng ta, nhưng thật dễ dàng để duy trì nhiệt độ đó trong phòng thí nghiệm. E. coli sống trong ruột người và dễ dàng tiêu thụ bất kỳ loại thức ăn chưa được tiêu hóa hết. Nó cũng có thể phát triển cả trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí. Do đó, nó có thể nhân lên trong ruột của con người hoặc động vật nhưng cũng “hạnh phúc” không kém khi được nuôi trong đĩa petri hoặc bình lắc.
Khuẩn lạc của E. coli trên môi trường nhân tạo.
Các chủng E. coli cho tách dòng gen đa dạng thế nào trong phòng thí nghiệm
Hầu hết các chủng thương mại bạn tìm thấy ngày nay được bán trên thị trường cho một mục đích cụ thể: tăng trưởng nhanh, tách dòng tốc độ cao, tách dòng thường quy, tách dòng các DNA không ổn định, tách dòng DNA không methyl hóa, v.v. Nhiều đột biến làm cho các tính năng này có thể có ở hầu hết các chủng thương mại, đặc biệt là các đột biến tạo ra những cải tiến lớn như làm tăng năng suất plasmid và / hoặc chất lượng DNA. Bảng dưới đây đưa ra một sự tham khảo nhanh về một số chủng E. coli phổ biến, kiểu gen của chúng và mục đích sử dụng trong lab. Các chủng này đều dựa trên chủng K-12.
Trong sinh học hiện đại, E. coli là đối tượng vi khuẩn được chọn lựa nhiều nhất cho các mục đích tách dòng. Ngày nay, nhiều chủng cải biến từ K-12 và B đã được tạo ra để phục vụ cho từng mục tiêu cụ thể.
Bảng 1: Những chủng thương mại của E. coli trong tách dòng gen với các nhu cầu sử dụng khác nhau
| Chủng | Kháng kháng sinh | Đặc điểm/mục đích sử dụng chính | Kiểu gen |
| ccdB Survival 2 T1R | Có nguồn gốc từ TOP10. Để chuẩn bị các plasmid biểu hiện gen ccdB (quan trọng trong Gateway cloning). | F–mcrA Δ(mrr-hsdRMS-mcrBC) Φ80lacZΔM15 ΔlacX74 recA1 araΔ139 Δ(ara-leu)7697 galU galK rpsL (StrR) endA1 nupG fhuA::IS2 | |
| DB3.1 | Streptomycin | Từ HB101. Để chuẩn bị các plasmid biểu hiện gen ccdB (quan trọng trong Gateway cloning). | F- gyrA462 endA1 glnV44 Δ(sr1-recA) mcrB mrr hsdS20(rB–, mB–) ara14 galK2 lacY1 proA2 rpsL20(Smr) xyl5 Δleu mtl1 |
| DH10B | Streptomycin | Từ MC1061. Tách dòng và giữ plasmid thường quy, sàng lọc xanh trắng, khuyết dưỡng leucin. | F– endA1 recA1 galE15 galK16 nupG rpsL ΔlacX74 Φ80lacZΔM15 araD139 Δ(ara,leu)7697 mcrA Δ(mrr-hsdRMS-mcrBC) λ– |
| DH5alpha | Tách dòng thường quy và giữ các plasmid phổ biến, sàng lọc xanh trắng. | F– endA1 glnV44 thi-1 recA1 relA1 gyrA96 deoR nupG Φ80dlacZΔM15 Δ(lacZYA-argF)U169, hsdR17(rK– mK+), λ– | |
| HB101 | Streptomycin | Dạng lai của E. coli K12 và E. coli B (nhưng gần như là K12), tách dòng và giữ plasmid pBR322. | F– mcrB mrr hsdS20(rB– mB–) recA13 leuB6 ara-14 proA2 lacY1 galK2 xyl-5 mtl-1 rpsL20(SmR) glnV44 λ– |
| JM109 | Tách dòng và lưu giữ plasmid thường quy, sàng lọc xanh trắng, khiếm khuyết một phần hệ thống enzyme giới hạn; phù hợp tách dòng DNA lặp. | endA1 glnV44 thi-1 relA1 gyrA96 recA1 mcrB+ Δ(lac-proAB) e14- [F’ traD36 proAB+ lacIq lacZΔM15] hsdR17(rK–mK+) | |
| JM110 | Streptomycin | Lưu giữ các plasmid không chứa Dam/Dcm methylase, cho phép các enzyme giới hạn đặc hiệu methyl hóa có thể cắt các plasmid này. | rpsL thr leu thi lacY galK galT ara tonA tsx dam dcm glnV44 Δ(lac-proAB) e14- [F’ traD36 proAB+ lacIq lacZΔM15] hsdR17(rK–mK+) |
| MC1061 | Streptomycin | Nguồn gốc của DH10B/TOP10 và các chủng cải biến khác, tách dòng và lưu giữa plasmid thông thường. | F– Δ(ara-leu)7697 [araD139]B/r Δ(codB-lacI)3 galK16 galE15 λ– e14– mcrA0 relA1 rpsL150(strR) spoT1 mcrB1 hsdR2(r–m+) |
| MG1655 | Chủng hoang dại của K-12; trình tự được công bố đầu tiên của một con E. coli K-12. | F– λ– ilvG- rfb-50 rph-1 | |
| NEB Stable | Để tách dòng vào và lưu giữ các vector lentivirus cũng như retrovirus vectors; tách dòng các trình tự lặp với tiềm năng tái tổ hợp | F’ proA+B+ lacIq ∆(lacZ)M15 zzf::Tn10 (TetR) ∆(ara-leu) 7697 araD139 fhuA ∆lacX74 galK16 galE15 e14- Φ80dlacZ∆M15 recA1 relA1 endA1 nupG rpsL (StrR) rph spoT1 ∆(mrr-hsdRMS-mcrBC) | |
| Pir1 | Tách dòng và duy trì các plasmid mang ORC R6Kγ; chứa một alen đột biến của gen pir giúp lưu giữ đến 250 bản sao/tế bào. | F- ∆lac169 rpoS(Am) robA1 creC510 hsdR514 endA recA1 uidA(∆MluI)::pir-116 | |
| Stbl2 | Từ JM109. Để tách dòng vào và lưu giữ các vector lentivirus cũng như retrovirus vectors; tách dòng các trình tự lặp với tiềm năng tái tổ hợp | F- endA1 glnV44 thi-1 recA1 gyrA96 relA1 Δ(lac-proAB) mcrA Δ(mcrBC-hsdRMS-mrr) λ– | |
| Stbl3 | Streptomycin | Nguồn gốc từ HB101. Để tách dòng vào và lưu giữ các vector lentivirus cũng như retrovirus vectors; tách dòng các trình tự lặp với tiềm năng tái tổ hợp . Đây là chủng endA+, vì thế phương pháp tách DNA sử dụng cột cần thêm một bước rửa. | F- glnV44 recA13 mcrB mrr hsdS20(rB-, mB-) ara-14 galK2 lacY1 proA2 rpsL20 xyl-5 leu mtl-1 |
| Stbl4 | Các tế bào điện biến nạp để tách dòng và bảo quản các DNA không ổn định và vector lenti/retrovirus. | F’ mcrA Δ(mcrBC-hsdRMS-mrr) recA1 endA1 gyrA96 gal–thi-1 supE44 λ–relA1 Δ(lac-proAB)/F’ proAB+lacIqZΔM15 Tn10 (TetR) | |
| TOP10 | Streptomycin | Từ MC1061. Tách dòng và giữ plasmid thông thường. Sàng lọc xanh trắng. | F- mcrA Δ(mrr-hsdRMS-mcrBC) φ80lacZΔM15 ΔlacX74 nupG recA1 araD139 Δ(ara-leu)7697 galE15 galK16 rpsL(StrR) endA1 λ– |
| XL1 Blue | Tetracycline | Sàng lọc xanh trắng và tách dòng thường quy, kháng nalidixic acid. | endA1 gyrA96(nalR) thi-1 recA1 relA1 lac glnV44 F'[ ::Tn10 proAB+ lacIq Δ(lacZ)M15] hsdR17(rK– mK+) |
| XL10 Gold | Tetracycline và Chloramphenicol | Tách dòng hiệu suất cao; tách dòng các plasmid lớn, DNA nối và DNA thư viện. Kháng nalidixic acid. | endA1 glnV44 recA1 thi-1 gyrA96 relA1 lac Hte Δ(mcrA)183 Δ(mcrCB-hsdSMR-mrr)173 tetR F'[proAB lacIqZΔM15 Tn10(TetR Amy CmR)] |
>> Xem thêm: Tế bào khả biến cho 9 ứng dụng tách dòng.
Tài liệu tham khảo
- Blog.addgene.org
- Thebalance.com
- E.coli (Wikipedia)
- E.coli (Mayo Clinic)
- E.coli (CDC)
- E.coli (USDA)
- E.coli (FoodSafety)
- E. Coli Infections (MedlinePlus)
iceberg (biên tập)
tapchisinhhoc.com
