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Gegenstand
der Erfindung ist ein universelles und stark vereinfachtes Verfahren
zur Isolierung von Plasmid DNA aus bakteriellen Lysaten, das sowohl
eine sehr hohe Qualität der zu isolierenden Nukleinsäuren
garantiert als auch die Isolierung quantitativer Ausbeuten ermöglicht
und darüber hinaus deutlich weniger manuellen und zeitlichen
Aufwand in Anspruch nimmt.
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Unter
klassischen Bedingungen erfolgt die Isolierung von DNA aus Zellen
und Geweben dadurch, dass die Nukleinsäuren enthaltenden
Ausgangsmaterialien unter stark denaturierenden und reduzierenden
Bedingungen, teilweise auch unter Verwendung von proteinabbauenden
Enzymen, aufgeschlossen, die austretenden Nukleinsäurefraktionen über
Phenol-/Chloroform-Extraktionsschritte gereinigt und die Nukleinsäuren
mittels Dialyse oder Ethanolpräzipitation aus der wässrigen
Phase gewonnen werden (
Sambrook, J., Fritsch, E.F. und Maniatis,
T., 1989, CSH, "Molecular Cloning").
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Diese
"klassischen Verfahren" zur Isolierung von Nukleinsäuren
aus Zellen und besonders aus Geweben sind sehr zeitaufwendig (teilweise
länger als 48 h), erfordern einen erheblichen apparativen Aufwand
und sind darüber hinaus auch nicht unter Feldbedingungen
realisierbar. Außerdem sind solche Methoden aufgrund der
verwendeten Chemikalien wie Phenol und Chloroform in einem nicht
geringen Maße gesundheitsgefährdend.
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Verschiedene
alternative Verfahren zur Isolierung von Nukleinsäuren
aus unterschiedlichen biologischen Ausgangsmaterialien ermöglichen,
die aufwendige und gesundheitsschädigende Phenol-/Chloroform-Extraktion
von Nukleinsäuren zu umgehen sowie eine Reduzierung der
zeitlichen Aufwendungen zu erreichen.
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Alle
diese Verfahren basieren auf einer von Vogelstein und Gillespie
(Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1979, 76, 615-619)
entwickelten und erstmals beschriebenen Methode zur präparativen
und analytischen Reinigung von DNA-Fragmenten aus Agarosegelen.
Die Methode kombiniert die Auflösung der die zu isolierende
DNA-Bande enthaltende Agarose in einer gesättigten Lösung
eines chaotropen Salzes (NaJ) mit einer Bindung der DNA an Glaspartikel.
Die an die Glaspartikel fixierte DNA wird anschließend mit
einer Waschlösung (20 mM Tris HCl [pH 7,2]; 200 mM NaCl;
2 mM EDTA; 50% v/v Ethanol) gewaschen und danach von den Trägerpartikeln
abgelöst.
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Diese
Methode erfuhr bis heute eine Reihe von Modifikationen und wird
zum gegenwärtigen Zeitpunkt für unterschiedliche
Verfahren der Extraktion und Reinigung von Nukleinsäuren
aus unterschiedlichen Herkünften, insbesondere auch für
die Isolierung von Plasmid DNA, angewendet (Marko, M.A.,
Chipperfield, R. und Birnboim, H.G., 1982, Anal. Biochem., 121,
382-387).
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Für
die Isolierung von Plasmid DNA aus bakteriellen Lysaten gelten allerdings
einige Besonderheiten.
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Plasmide
sind doppelsträngige DNA Moleküle, welche in 3
Konformationen vorliegen können. Die Supercoil Form (geschlossene
zirkuläre Form) ist die natürliche Konformation
des Plasmids. Da die DNA-Doppelhelix um sich selber gewunden ist
und sich in einem geschlossenen Plasmid nicht entwinden kann, entsteht
eine Torsionsspannung, wodurch sich das Plasmid im Raum um sich
selbst krümmt. Bei der offenkettigen Form (offene zirkuläre
Form) ist einer der beiden DNA-Stränge an einer Stelle
gebrochen, wodurch sich der offene Strang frei um den fixierten
drehen kann, dadurch entspannt sich die Torsionspannung, das Plasmid
liegt offen vor. Bei der linearen DNA sind beide Stränge
gebrochen, die Kreisstruktur ist aufgehoben. Wesentlich für
die Isolierung von Plasmid DNA für molekularbiologische Anwendungen
ist dabei, dass möglichst nur die Supercoil Form isoliert
werden soll.
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Eine
weitere Anforderung besteht darin, dass die zu isolierende Plasmid
DNA frei von Kontaminationen mit chromosomaler DNA und RNA sowie von
weiteren zellulären Bestandteilen sein muss, da diese zellulären
Bestandteile ebenfalls in den aufzuarbeitenden Bakterienzellen präsent
sind.
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Die
Isolierung von Plasmid DNA umfasst zur Zeit die Schritte der Anzucht
und Lyse von Bakterien und die nachfolgende Reinigung der freigesetzten Plasmid
DNA. Die Reinigung der Plasmid DNA kann dabei auf verschiedenen
Wegen erfolgen und folgt dabei dem schon aufgeführten Stand
der Technik. Bewährt hat sich auf Grund der relativen Einfachheit und
der hervorragenden Qualität der Plasmid DNA eine Modifikation
der klassischen sog. alkalischen Lyse Methode (Birnboim und Doly;
1979). Nach Resuspendierung der nach Anzucht gewonnenen Bakterienzellen
in einem Puffer (z. B. 10 mM Tris; EDTA; RNase A), folgt die Lyse
der Bakterienzellen unter alkalischen Konditionen in Gegenwart von
NaOH und SDS. Die Entfernung der zellulären Komponenten, wie
die chromosomale DNA oder die bakteriellen Proteine, wird nachfolgend
dadurch erreicht, dass man dem Lyseansatz eine sog. Neutralisationslösung
(z. B. eines sauren Puffers auf der Basis von Natrium- oder Kaliumacetat;
pH 4.0–5.5) zugibt. Diese Komponenten bewirken das sichtbare
Ausfällen der bakteriellen Proteine wie auch der chromosomalen
DNA. Mittels nachfolgender Zentrifugation wird dann ein klarer Überstand
gewonnen. Dieser Überstand enthält die zu isolierende
Plasmid DNA. Die finale Aufreinigung der Plasmid DNA kann jetzt
z. B. mittels klassischer Alkoholpräzipitation erfolgen.
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Sehr
viel einfacher und schneller arbeiten Verfahren, die darauf basieren,
dass man neben dem obligaten Natriumacetat oder Kaliumacetat auch noch
eine chaotrope Salzkomponente für die Neutralisationsreaktion
nach durchgeführter Bakterien-Lyse einsetzt und den klaren Überstand
nachfolgend mit einem Trägermaterial auf der Basis von
Glas oder Silica in Kontakt bringt. Durch das Vorhandensein einer chaotropen
Komponente erfolgt dann die Bindung der Plasmid DNA an das eingesetzte
Trägermaterial. Die gebundene Plasmid DNA wird in an sich
bekannter Weise mit einem Alkohol-Salzgemisch gewaschen und final
durch Zugabe von Wasser oder eines Niedrigsalzpuffers wieder vom
Trägermaterial abgelöst. Die Plasmid DNA kann
jetzt für eine Vielzahl von molekularbiologischen Methoden
eingesetzt werden. Diese Methode ist die zur Zeit am häufigsten
eingesetzte Variante der Isolierung von Plasmid DNA im sog. „Mini-Format"
(Plasmid Mini Präp). Weitere Methoden zur Isolierung von
Plasmid DNA basieren auf der Verwendung von chromatographischen
Materialien zur Bindung der Plasmid DNA (z. B. Anionenaustauscher).
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Aber
auch bei diesen Verfahren erfolgt die Gewinnung der Plasmid DNA
(
WO 99/61603 A1 )
in der Regel aus klar zentrifugierten oder filtrierten Überständen
nach Präzipitation der chromosomalen DNA und der Proteine
nach dem schon beschriebenen Verfahren der alkalischen Lyse.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung bestand darin, das Verfahren der
Isolierung von Plasmid DNA deutlich zu vereinfachen, insbesondere
durch die Reduktion von Verfahrensschritten. Insbesondere der Schritt
der Präzipitation der chromosomalen DNA und der Proteine
sollte nicht mehr Bestandteil der Plasmid DNA Isolierung sein.
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Ein
solches Verfahren ist Gegenstand der Offenlegungsschrift
WO 99/61603 A1 .
Das Verfahren beschreibt die Isolierung von Plasmid DNA, auch unter
Umgehung der bisher notwendigen Präzipitation der chromosomalen
DNA und der Proteine und deren nachfolgende Entfernung mittels eines
Zentrifugations- oder Filtrationsschrittes. Die Separation von Plasmid
DNA, ohne vorhergehende Präzipitation chromosomaler DNA
und bakterieller Proteine, wird dadurch erreicht, dass man – nach
Resuspendierung der Bakterienzellen und nachfolgender Zelllyse mittels
NaOH/SDS – die Mixtur durch Zugabe eines Puffers auf einen
pH Wert von > 8 einstellt.
Dies bedeutet den Verzicht auf die bisher übliche Neutralisationsreaktion
durch die Verwendung eines sauren Puffers auf der Basis von Natriumacetat
oder Kaliumacetat. Allerdings wird auch schon in der Offenlegungsschrift
DE 102 22 133 A1 darauf
hingewiesen, dass man ohne eine Neutralisationsreaktion und bei
einem basischen pH-Wert Plasmid DNA isolieren kann.
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Die
in der Offenlegungsschrift
WO
99/61603 A1 dargestellte Erfindung bedient sich eines neuartigen
Puffers, welcher mindestens eine chaotrope Substanz enthält
und der pH Wert des Puffers durch eine weitere essentielle Komponente
in Form einer amphoteren Substanz, z. B. einer Omega Aminosäure,
auf 8–12 einstellt wird. Nach Zugabe dieses Puffers zum
klassischen SDS/NaOH basierten Lyseansatz und der dadurch realisierten
Einstellung eines pH-Wertes von > 8
wird der Ansatz dann mit einem Silica-Material in Kontakt gebracht,
an das nun spezifisch die Plasmid DNA, nicht aber andere zelluläre Bestandteile
des Lysates, adsorbieren. Die trägergebundene Plasmid DNA
wird nachfolgend in an sich bekannter Weise gewaschen und final
durch Zugabe eines Niedrigsalzpuffers oder durch Zugabe von Wasser
eluiert. Die Isolierung von Plasmid DNA ohne den bisher immer benötigten
Schritt der Präzipitation chromosomaler DNA und Proteine
soll insbesondere dadurch möglich geworden sein, dass Plasmid
DNA (zirkulär geschlossene Plasmid DNA), nicht aber chromosomale
DNA, in Gegenwart hoher Konzentrationen chaotroper Salze und einem
alkalischen pH-Wert selektiv an eine Silica Matrix binden. Die angegebenen
Konzentrationen chaotroper Salze, insbesondere hier das chaotrope
Salz Natriumthiocyanat, betragen 6–9 M.
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In
der zitierten Offenlegungsschrift ist damit ein neuer Wissenstand
formuliert, der es ermöglicht, Plasmid DNA einfacher zu
isolieren, indem der bisher obligaten Schritte der Abtrennung anderer
zellulären Komponenten nicht mehr benötigt und
die Plasmid DNA Isolierung direkt aus dem Zelllysat ermöglicht wird,
wenn nach Zelllyse durch Zugabe des neuartigen Puffers der pH Wert
der Lösung auf > 8
eingestellt wird. Dabei liegt das Wissen zugrunde, dass bei einem
alkalischen pH Wert > 8
in Gegenwart hoher Konzentrationen chaotroper Salze lediglich die
zirkuläre Plasmid DNA, nicht aber andere Nukleinsäure Spezies
an das mineralische Trägermaterial binden. Aus diesem Grund
benötigt das Verfahren einen präzise eingestellten
pH Wert von > 8, welcher
durch die Verwendung des beschriebenen Puffers mit einer amphoteren
Komponente erreicht werden soll. Diese alkalischen Bindungskonditionen
ermöglichen die Isolierung von Plasmid DNA aus einem Gemisch
an unterschiedlichen Nukleinsäuren ohne eine Präzipitation
der zellulären Komponenten direkt nach erfolgter Lyse.
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Ausgehend
vom Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
Isolierung von Plasmid DNA weiter zu vereinfachen.
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Die
Aufgabe wurde – gemäß den Merkmalen der
Patentansprüche – gelöst.
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Überraschenderweise
zeigt sich, dass die Isolierung von Plasmid DNA – ebenfalls
unter Umgehung der Präzipitation der chromosomalen DNA
und bakterieller Proteine – noch viel einfacher möglich
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zeigt, dass nach Resuspendierung
von Bakterienzellen und nachfolgender Zelllyse mit an sich bekannten Puffer
eine selektive Adsorption von Plasmid DNA an ein eingesetztes mineralisches
Trägermaterial (z. B. ein Glasfasermaterial) auch bei sauren
pH-Werten oder bei neutralen pH Werten effizient erfolgt, wenn man
zusätzlich noch eine alkoholische Komponente in den Bindungspuffer
integriert. Dies ist umso unerwarteter, als dass – wie
schon aufgeführt – eine solche selektive Adsorption
nur bei pH-Werten > 8
erfolgen sollte. Darüber hinaus ist dem Fachmann aus einer
Vielzahl an Patentschriften zusätzlich bekannt, dass viele
Verfahren gerade der Isolierung chromosomaler DNA sich Bindungspuffern
bedienen, welche immer eine Kombination von Salz und Alkohol darstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt aber gerade,
dass unter den gefundenen Bedingungen eines sauren bis neutralen
pH-Wertes eben nicht die chromosomale DNA, wohl aber hoch effizient
die Plasmid DNA an ein mineralisches Trägermaterial bindet,
obwohl sowohl Plasmid DNA als auch chromosomale DNA und bakterielle
Proteine gleichzeitig vorliegen.
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Es
zeigt sich auch, dass für eine selektive Adsorbtion von
zirkulärer Plasmid DNA an ein mineralisches Trägermaterial
nicht zwingend hohe Konzentrationen chaotroper Salze notwendig sind
als auch die für die Anbindung der Plasmid DNA benötigte
Konzentration an anderen Salzen nicht in einem hochmolaren Bereich
liegen muss. Im Unterschied zu der zitierten Patentanmeldungen reichen
schon Ionenstärken an Salzen von 0.5 M aus, eine effiziente Bindung
von Plasmid DNA an mineralische Träger zu erzielen. Für
das erfindungsgemäße Verfahren ist wesentlich,
die Bindungsbedingungen für eine selektive Adsorption von
Plasmid DNA mit einem Puffer einzustellen, welcher aus einem Salz
und einem Alkohol besteht, wobei der pH Wert eines solchen Puffers
im sauren oder maximalen neutralen Bereich liegt, was bedeutet,
dass final für eine selektive Adsorption von Plasmid DNA
ein saurer bis neutraler pH-Wert realisiert wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann sich somit prinzipiell den an sich bekannten Lösungen,
welche in klassischen Verfahren zur Isolierung von Plasmid DNA eingesetzt
werden, bedienen, mit der Besonderheit, dass lediglich eine alkoholische
Komponente Bestandteil des Bindungspuffers sein muss. Die Verwendung
eines solchen Puffers verhindert auch effizient eine Präzipitation der
zellulären Komponenten. Der große Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt sich damit ebenfalls in der nicht mehr notwendigen
Präzipitation der chromosomalen DNA und der bakteriellen
Proteine, dies aber basierend auf einem Puffer, welcher im Gegensatz
zur oben zitierten Patentschrift
WO 99/61603 A1 , nicht im basischen sondern
im sauren bis neutralen Milieu wirkt. Das erfindungsgemäße Verfahren
bedeutet durch den Wegfall der obligaten Zentrifugation oder Filtration
zur Entfernung zellulärer Komponenten einen erheblichen
zeitlichen Vorteil und reduziert die bisher benötigten
Verfahrensschritte. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße
Verfahren durch den geringen Chemikalieneinsatz als auch in der
Einfachheit der Pufferzusammensetzungen deutlich vorteilhafter als
das Verfahren, welches in der Offenlegungsschrift
WO 99/61603 A1 beschrieben
wird. Interessant ist auch, dass die Kombination eines Salzes mit
einem Alkohol im Bindungspuffer auch davon abhängt, welcher
Alkohol eingesetzt wird, dies insbesondere in Hinblick auf die Realisierung
quantitativer Extraktionsausbeuten.
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So
zeigen sowohl Ethanol als auch Isopropanol gute Ergebnisse in der
Plasmid DNA Isolierung. Am günstigsten dagegen ist der
Einsatz von 1-Propanol für die Isolierung von Plasmid DNA
aus bakteriellen Lysaten mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Als effiziente Salze haben sich z. B. Natriumacetat
oder Kaliumacetat in Kombination mit einem Alkohol erwiesen. Darüber
hinaus eignen sich aber auch Kombinationen von Natriumacetat oder
Kaliumacetat mit einem chaotropen Salz, z. B. Guanidinhydrochlorid
oder Guanidinthiocyanat in Kombination mit einem Alkohol, wobei
bei allen Varianten die für eine effiziente Anbindung der
Plasmid DNA an ein Glassfasermaterial final vorliegenden pH-Werte
zwischen 4 und 5 liegen. Insbesondere die Kombination von 1-Propanol
und Kaliumacetat führt zu sehr hohen quantitativen Ausbeuten
an Plasmid DNA, wobei die finale Konzentration der beiden Komponenten
dann nur noch in einem Bereich von ca. 0.5 M, bezogen auf Kaliumacetat
und ca. 40% bezogen auf 1-Propanol, liegt. Damit ist die für
eine effiziente Isolierung von Plasmid DNA benötigte Salzkonzentration
mindestens um den Faktor 10 geringer, als dies die Schrift
WO 99/61603 A1 darlegt.
Dies bedeutet eine nicht unerhebliche Kostenreduktion sowie einen deutlichen
Vorteil, was die nachfolgenden notwendigen Schritte der Salzentfernung
betrifft. Nach der selektiven Bindung der Plasmid DNA an ein mineralisches
Trägermaterial wird das Trägermaterial mit einem
dem Fachmann bekannten Waschpuffer, z. B. auf der Basis eines Alkohol-Salz-Gemisches,
gewaschen. Die finale Desorption der gebundenen Plasmid DNA erfolgt
mittels Wassers oder mittels eines Niedrigsalzpuffers.
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Zusammenfassend
ist das erfindungsgemäße Verfahren zur schnellen
Isolierung von Plasmid durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- 1. Resuspendierung eines Bakterienpellets in
einem Standardpuffer
- 2. Lyse der Bakterienzellen mit einem Standardpuffer (z. B.
SDS/NaOH) oder enzymatisch mittels Lysozym
- 3. Mischen des Lyseansatzes mit einem Bindungspuffer auf der
Basis eines Salz-Alkohol-Gemisches mit saurem pH-Wert, so dass der pH-Wert
nach Mischen mit dem Lysepuffer einen sauren bis neutralen pH-Wert
aufweist
- 4. Ansatz mit einem mineralischen Trägermaterial in
Kontakt bringen z. B. durch die Zentrifugation des Ansatzes über
eine Zentrifugationssäule mit eingelegtem Glassfaservlies
- 5. Waschen der gebundenen Plasmid DNA mit alkoholhaltigen Waschpuffern
- 6. Elution der Plasmid DNA mittels eins Niedrigsalzpuffers
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Der
gesamte Prozess der Isolierung von Plasmid DNA aus bakteriellen
Lysaten benötigt nur ca. 5–6 min und ist damit
deutlich schneller als die bisher eingesetzten Verfahren.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Kit zur Isolierung von Plasmid DNA gemäß Anspruch
7.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert werden, wobei das Ausführungsbeispiel
keine Limitierung der Erfindung darstellt.
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Ausführungsbeispiel
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Isolierung von Plasmid DNA
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter
Nutzung von drei verschiedenen Bindungspuffern
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2
ml einer bakteriellen Übernachtkultur wurden zentrifugiert
und der Überstand entfernt. Das Bakterienpellet wurde in
150 μl Resuspensionspuffer (50 mM tris HCl, 1 mM EDTA,
RNase A) resuspendiert. Nach Resuspendierung erfolgte die Zugabe von
150 μl Lysepuffer (0.1% SDS/0.1 N NaOH). Das Gefäß wurde
viermal konvertiert und mit 500 μl von drei verschiedenen
Bindungspuffern (Bindungspuffer 1–3) versetzt, der Ansatz
mittels einer Pipette gemischt und nachfolgend auf eine Spin Filtersäule
mit einem Glasfaservlies überführt. Nach Zentrifugation für
1 min wurde das Filtrat verworfen und die Spin Filtersäule
mit einem ersten Waschpuffer (Tris HCl, NaCl, Ethanol) mittels Zentrifugation
für 1 min gewaschen. Danach folgte ein weiterer Waschschritt
und nachfolgend ein kurzes Trockenzentrifugieren der Spin Filtersäule
für 2 min. Die finale Elution der Plasmid DNA erfolgte
durch Zugabe von 50 μl Elutionspuffer (10 mM Tris HCl).
und nachfolgender Zentrifugation für 1 min. Die isolierte
Plasmid DNA wurde nachfolgend zur Visualisierung gelelektrophoretisch aufgetrennt
(1, TAE Agarosegel; Ethidiumbromid gefärbt). 1 zeigt
eine gelelektrophoretische Darstellung der isolierten Plasmid DNA.
In der gelelektrophoretischen Darstellung sind die für
ein Plasmid typischen Bandenmuster zu sehen, wobei die gewünschte
CC-Form des Plasmides die stärkste Intensität
zeigt.
Bindungspuffer 1: 0.9 M Kaliumacetat; pH 5.2, 70% v/v
1-Propanol
Bindungspuffer 2: 1.2 M Kaliumacetat; pH 5.2, 60% v/v
1-Propanol
Bindungspuffer 3: 0.2 M Natriumacetat; pH 4, 2.4
M Guanidinhydrochlorid, 50% Ethanol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 99/61603
A1 [0012, 0014, 0015, 0021, 0021, 0022]
- - DE 10222133 A1 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Sambrook,
J., Fritsch, E.F. und Maniatis, T., 1989, CSH, "Molecular Cloning" [0002]
- - Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1979, 76, 615-619 [0005]
- - Marko, M.A., Chipperfield, R. und Birnboim, H.G., 1982, Anal.
Biochem., 121, 382-387 [0006]