DE102007048134A1 - Cloning, integration and expression of a gene cluster comprises using gene cassettes comprising sequences that mediate the transfer, integration and expression of a flanked nucleic acid - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klonierung, Integration und Expression mehrerer Gene mindestens eines Genclusters sowie mindestens eine Gen-Kassette zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a process for cloning, integration and Expression of several genes of at least one gene cluster and at least a gene cassette for carrying out the method.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Mikroorganismen
produzieren eine große Anzahl von wissenschaftlich, biotechnologisch
und medizinisch bedeutenden Substanzen. Beinahe täglich
werden durch genome mining, oder aufwendige Metagenom- und Screeningverfahren
neue Gene identifiziert, die für die Synthese ungewöhnlicher
Stoffwechselprodukte mit biomedizinischem Potential verantwortlich
sind. Dabei zeigt sich, dass für die Synthese solcher Stoffwechselprodukte
(in der Regel Sekundärmetabolite) häufig eine
größere Anzahl verschiedener Enzyme benötigt wird,
die gemeinsam einen Enzymkomplex oder metabolic pathway bilden.
Interessanterweise sind die Gene, die für solche Enzymsysteme
codieren und somit funktionell miteinander gekoppelt sind, zumeist
gemeinsam in großen funktionellen Clustern auf einem Chromosom
organisiert. Zu den bekanntesten Beispielen biotechnologisch und
medizinisch relevanter Verbindungen, die durch komplexe Enzymsysteme
erzeugt werden, gehören die so genannten Polyketide und
nicht-ribosomalen Peptide. Sie werden durch Polyketid-Synthasen (PKS)
und nicht-ribosomale Peptidsynthasen (NRPS) in multimodularen Assemblierungsschritten
synthetisiert (
Um jedoch eine heterologe Synthese von Sekundärmetaboliten in einem fremden Organismus zu ermöglichen, müssen grundsätzlich zwei Vorraussetzungen erfüllt werden. Zum einen muss das gesamte Gencluster vom Ursprungsorganismus in den bakteriellen Produktionsstamm übertragen werden und zum anderen müssen im mikrobiellen Produktionsstamm die genetischen Voraussetzungen geschaffen werden, um die wirtsfremden Gene funktionell exprimieren zu können. Die damit verbundenen Probleme und die in der Literatur beschriebenen Lösungsansätze werden im Folgenden an einigen Beispielen erläutert.Around however, a heterologous synthesis of secondary metabolites in a foreign organism basically two prerequisites are met. For one, the entire gene cluster must be isolated from the original organism in be transferred to the bacterial production strain and on the other hand, in the microbial production strain the genetic conditions are created to the alien Being able to express genes functionally. The associated Problems and the solutions described in the literature are explained below with some examples.
1.1 Die heterologe Expression von Enzymkomplexen und biosynthetic pathways1.1 Heterologous Expression of Enzyme Complexes and biosynthetic pathways
Die funktionelle Expression eines Enzyms in einem biotechnologisch gut handhabbaren Mikroorganismus wie z. B. Escherichia coli ist in der Regel durch verschiedene Faktoren limitiert:The functional expression of an enzyme in a biotechnologically good manageable microorganism such. B. Escherichia coli is in the Usually limited by different factors:
Der CodongebrauchThe codon usage
Verschiedene
Mikroorganismen weisen sehr unterschiedliche Präferenzen
in ihrem Codon-Gebrauch auf. Wenn der Codon-Gebrauch zwischen Urspungs-
und Wirtsorganismus zu stark voneinander abweicht, kann es zu einer
erheblichen Beeinträchtigung der Translation der heterologen
Zielgene kommen (
Wirtsspezifische DNA-ElementeHost-specific DNA elements
Häufig
werden fremde genetische Elemente, wie Promotoren oder regulatorische
Regionen im Wirtsorganismus nicht oder nur unzulänglich
erkannt, wodurch die Transkription der Zielgene beeinträchtig
wird oder gar nicht initiiert werden kann (
Biosynthetic backgroundBiosynthetic background
Sowohl
die Expression wirtsfremder Biokatalysatoren als auch die Synthese
neuer Stoffwechselprodukte (z. B. Sekundärmetabolite) stellen
z. T. sehr spezifische Anforderungen an den Stoffwechselhintergrund des
Wirtsorganismus. So müssen z. B. für die heterologe
Synthese von Proteinen, welche Kofaktoren oder prosthetische Gruppen
benötigen (wie etwa Redoxenzyme), diese Kofaktoren im Expressionswirt
in ausreichenden Mengen bereitgestellt und in das wirtsfremde Protein
einbauen (
In den letzen Jahren wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die dargestellten Probleme bei der heterologen Expression komplexer Enzymsysteme systematisch zu umgehen. Dabei beruhen alle beschrieben Methoden grundsätzlich auf zwei unterschiedlichen Prinzipien:In In recent years, various methods have been developed to presented problems in heterologous expression more complex Systematically bypass enzyme systems. All are described Methods basically based on two different principles:
1) Die heterologe Genexpression in verwandten Wirtsorganismen1) Heterologous gene expression in related host organisms
Besteht
zwischen dem Ursprungsorganismus und dem ausgewählten Produktionsstamm
eine nahe Verwandtschaft, ähneln sich häufig codon-usage
und Promotorstrukturen, sodass die heterologen Gene recht einfach
exprimiert werden können. So konnte z. B. das dpt-Gencluster
aus Streptomyces roseosporus, welches für das Antibiotikum
Daptomycin codiert, erfolgreich in Streptomyces lividans exprimiert
werden (
2) Die heterologe Genexpression mit etablierten Expressionssystemen2) Heterologous gene expression with established expression systems
Die
Expression vieler Gene eines Genclusters kann alternativ in gut
etablierten Expressionsystemen durchgeführt werden (
Mit
diesem Verfahren konnte z. B. das Siderophor Yersiniabactin aus
Yersinia pestis erfolgreich in E. coli hergestellt werden (
1.2 Konstruktion rekombinanter Plasmide zur Expression geclusterter Gene mittels gentechnologischer Verfahren1.2 Construction of recombinant plasmids for the expression of clustered genes by genetic engineering
Funktionell gekoppelte Gene eines großen Clusters liegen meist nicht in gleicher Transkriptionsrichtung vor und weisen in der Regel mehr als einen Promotor und einen Transkriptionsterminator auf. Eine solche Genanordnung macht daher den sukzessiven Einbau der einzelnen Gene in entsprechende Expressionsvektoren für die kombinierte Transkription unumgänglich. Grundsätzlich sind jedoch kommerziell erhältliche Expressionssyteme lediglich für die Klonierung und Expression eines Gens oder einer aus wenigen Genen bestehenden Transkriptionseinheit ausgelegt. Um geeignete rekombinante Expressionsvektoren zu erzeugen, werden in den meisten Fällen die Ausgangsvektoren und die Zielgene-tragenden DNA-Fragmente mithilfe definierter TypII-Restriktionsendonukleasen hydrolysiert und anschließend die kompatiblen Enden der dabei entstandenen DNA-Fragmente mit DNA-Ligasen miteinander verknüpft. Die Größe der handhabbaren DNA-Fragmente ist dabei jedoch aufgrund der Eigenschaften der Restriktionsendonukleasen auf ca. 10 kb limitiert: Restriktionsenzyme erkennen spezifisch eine palindromische Nukleotidabfolge von sechs Basen, wodurch statistisch jedes DNA-Fragment mit einer beliebigen Sequenz für jede Restriktionsendonuklease nach ca. 4000 bp eine Erkennungsstelle aufweist. Somit ist die Umklonierung großer DNA-Fragmente in einem Schritt mit herkömmlichen gentechnologischen Verfahren nicht möglich.Functional coupled genes of a large cluster are usually not in the same direction of transcription and usually have more as a promoter and a transcription terminator. A such gene arrangement therefore makes the successive incorporation of the individual Genes into corresponding expression vectors for the combined Transcription inevitable. Basically however, commercially available expression systems only for the cloning and expression of a gene or a designed from a few genes transcription unit. Around to produce suitable recombinant expression vectors are described in in most cases, the initial vectors and the target genes-carrying DNA fragments using defined type II restriction endonucleases hydrolyzed and then the compatible ends of the thereby resulting DNA fragments with DNA ligases linked together. The size of the manageable DNA fragments is included however, due to the properties of the restriction endonucleases limited to approx. 10 kb: Restriction enzymes recognize specifically a palindromic nucleotide sequence of six bases, resulting in statistical any DNA fragment of any sequence for each Restriction endonuclease after about 4000 bp a recognition site having. Thus, the recloning of large DNA fragments in one step with conventional genetic engineering methods not possible.
In der Literatur werden bislang zwei grundsätzliche Methoden beschrieben, verschiedenen Gene zu klonieren um sie anschließend im geeigneten Wirt zu exprimieren:In The literature has so far become two basic methods described to clone various genes around them subsequently to express in the appropriate host:
1) Komplexe Abfolge forcierter Klonierungen1) Complex sequence of forced cloning
Mit Hilfe von PCR werden zunächst die einzelnen Gene des zu exprimierenden Genclusters amplifiziert. Durch den Einsatz von geeigneten Primern, die neben den homologen Sequenzen auch Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen beinhalten, können die einzelnen Sequenzen nach der PCR in Vektoren kloniert werden. In weiteren Klonierungsschritten werden die einzelnen Komponenten des Clusters sukzessive wieder zusammengefügt.With First, the individual genes are to be aided by PCR amplified gene cluster amplified. Through the use of suitable Primers that in addition to the homologous sequences also recognition sites for restriction endonucleases the individual sequences are cloned into vectors after the PCR. In further cloning steps, the individual components of the cluster successively merged again.
Aufgrund
der zahlreichen Klonierungsschritte und der erforderlichen komplexen
Klonierungsstrategie ist diese Methode allerdings sehr zeitaufwendig
(
2) Red/ET cloning technology2) Red / ET cloning technology
Das
Red/ET cloning technology Verfahren beruht auf dem Prinzip der homologen
Rekombination (
Obwohl durch die beschriebenen Methoden im Einzelfall die Erzeugung eines mikrobiellen Produktionsstamms grundsätzlich möglich ist, bleiben einige Probleme, insbesondere bei der Expression großer Gencluster, bestehen. So sind große Genregionen, wie bereits erwähnt, häufig von Transkriptionsterminatoren unterbrochen und die Integration eines wirtsspezifischen Promotors nach jeder Transkriptionstermination ist technisch sehr aufwendig. Die Gene eines Clusters sind zudem oft nicht in einer Orientierung angeordnet, sodass bislang weitere Klonierungsschritte notwendig sind, um die Gene in einer Orientierung anzuordnen und eine vollständige Transkription aller Gene eines Clusters zu erreichen. Hinzu kommt, dass die Etablierung eines Genclusters auf einem extrachromosomalen DNA-Element, wie einem Plasmid, Cosmid oder BAC, in einem heterologen Wirt in der Regel nicht stabil erfolgt.Even though by the described methods in the individual case the production of a microbial production strain basically possible is, some problems remain great, especially in the expression Gene clusters exist. So are big gene regions, as already often mentioned by transcription terminators interrupted and the integration of a host-specific promoter After each Transkriptionstermination is technically very complicated. The genes of a cluster are also often not in one orientation arranged, so far more cloning steps necessary are to arrange the genes in an orientation and complete To achieve transcription of all genes of a cluster. Come in addition, that the establishment of a gene cluster on an extrachromosomal DNA element, such as a plasmid, cosmid or BAC, in a heterologous Host is usually not stable.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die koordinierte funktionelle Expression komplexer Enzymsysteme, Gencluster aus Metagenom- und cDNA-Banken sowie ganzer Biosynthesewege in verschiedenen Gram-negativen Bakterien ermöglicht.It It is an object of the invention to provide a method to make the coordinated functional expression more complex Enzyme systems, gene clusters from metagenome and cDNA banks as well as whole ones Biosynthetic pathways in various Gram-negative bacteria allows.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das folgende Schritte umfasst:
- – Bereitstellen von mindestens zwei Gen-Kassetten, die Sequenzen aufweisen, welche die Übertragung und Integration eines flankierten Nukleinsäuremoleküls sowie die Expression aller Gene des flankierten Nukleinsäuremoleküls vermitteln;
- – Erzeugung eines rekombinanten Transposons durch Verknüpfung der Gen-Kassetten mit einem Nukleinsäuremolekül, das mindestens ein Gencluster umfasst, wobei mindestens eine erste Gen-Kassette stromaufwärts des Genclusters und mindestens eine zweite Gen-Kassette stromabwärts des Genclusters angehängt wird;
- – Einbringen des Transposons in eine Rezipientenzelle, wobei sich das Transposon selbstständig in das Genom der Rezipientenzelle integriert; und
- – Koordinierte Expression aller Gene des Genclusters in der Rezipientenzelle.
- Providing at least two gene cassettes having sequences which mediate the transfer and integration of a flanked nucleic acid molecule as well as the expression of all genes of the flanked nucleic acid molecule;
- Generating a recombinant transposon by linking the gene cassettes to a nucleic acid molecule comprising at least one gene cluster, wherein at least one first gene cassette is added upstream of the gene cluster and at least one second gene cassette downstream of the gene cluster;
- - introducing the transposon into a recipient cell, whereby the transposon integrates independently into the genome of the recipient cell; and
- Coordinated expression of all genes of the gene cluster in the recipient cell.
Zur Überwindung der genannten Probleme bei den bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß ein vorteilhaftes Verfahren für die Klonierung, Integration und Expression großer Gencluster in biotechnologisch handhabbaren Expressionswirten zur Verfügung gestellt, das (i) die Restriktionsendonuklease-unabhängige Einschrittklonierung großer Gencluster ermöglicht, (ii) die stabile Etablierung der rekombinanten Expressionskassette in beliebigen Gram-negativen Bakterien erlaubt und (iii) eine vollständige Expression aller Zielgene unabhängig von den ursprünglichen Promotoren und Transkriptionsterminatoren gestattet. Die zielgerichtete oder randomisierte Expression wirtsfremder Gencluster in bakteriellen Wirtsstämmen mit breit gefächerten Stoffwechselleistungen (das so genannte „pathway engineering") ermöglicht dabei die Synthese neuer, biotechnolgisch relevanter Substanzen. Hierdurch können neue bakterielle Expressions- und Produktionsstämme für den Einsatz in der weißen Biotechnologie erzeugt werden.To overcome the mentioned problems in the known methods, an advantageous method for the cloning, integration and expression of large gene clusters in biotechnologically manageable expression hosts is provided according to the invention, which (i) allows the restriction endonuclease-independent one-step cloning of large gene clusters, (ii) the stable establishment allows the recombinant expression cassette in any Gram-negative bacteria, and (iii) allows complete expression of all target genes independent of the original promoters and transcription terminators. The targeted or randomized expression of host-foreign gene clusters in bacterial host strains with broad metabolic activities (the so-called "pathway engineering") allows the synthesis of new, bio technologically relevant substances. As a result, new bacterial expression and production strains can be produced for use in white biotechnology.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Expression aller Gene des Genclusters in der Rezipientenzelle mit Hilfe der T7-RNA-Polymerase erfolgt.In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the expression of all genes of the gene cluster in the recipient cell takes place with the aid of the T 7 RNA polymerase.
Die Verknüpfung der Gen-Kassetten kann beispielsweise durch homologe Rekombination erfolgen. Alternativ können aber auch andere gentechnologische in vitro Verfahren zur Intergration der Gen-Kassetten in die Zielnukleinsäure angewendet werden.The Linking the gene cassettes can be done, for example, by homologous recombination occurs. Alternatively, though also other genetic engineering in vitro methods of integration of the gene cassettes are applied to the target nucleic acid.
Das Einbringen des rekombinanten Transposons in die Rezipientenzellen kann beispielsweise durch Konjugation erfolgen. Es können aber alternativ auch andere Transformationsverfahren eingesetzt werden.The Introduction of the recombinant transposon into the recipient cells can be done for example by conjugation. It can but alternatively also other transformation methods used become.
Die genannte Aufgabe wird ferner durch die Bereitstellung mindestens einer Gen-Kassette zur Klonierung mindestens eines Genclusters gelöst, wobei die Gen-Kassette die folgenden Elemente umfasst:
- – mindestens eine Promotor-Sequenz; und
- – mindestens ein Transpositionselement.
- At least one promoter sequence; and
- - At least one transposition element.
Die erfindungsgemäße Gen-Kassette ist Bestandteil eines universellen Expressionssystems, das die kombinierte Expression vieler Zielgene in unterschiedlichen bakteriellen Expressionswirten erlaubt und insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Gen-Kassette erlaubt die gezielte Induktion und kontrollierte Überexpression geclusterter Zielgene und ermöglicht die unkomplizierte und zeiteffiziente Klonierung großer DNA-Fragmente durch sequenzspezifische Rekombinationsprozesse. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Gen-Kassette eine schnelle Erzeugung geeigneter bakterieller Expressionsstämme durch die zielgerichtete Übertragung eines rekombinanten Transposons und dessen eigenständige Integration in das Wirtschromosom.The Gene cassette according to the invention is an integral part a universal expression system that uses combined expression many target genes in different bacterial expression hosts allowed and in particular for the implementation the method of the invention is suitable. The gene cassette allows targeted induction and controlled overexpression clustered target genes and allows the uncomplicated and Time-efficient cloning of large DNA fragments by sequence-specific Recombination processes. Furthermore, the inventive allows Gene cassette rapid production of suitable bacterial expression strains through the targeted transmission of a recombinant Transposons and its independent integration into the Host chromosome.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Gen-Kassette umfasst die Promotor-Sequenz die Erkennungs- und Bindungsstelle für die T7-RNA-Polymerase. Ferner kann die Gen-Kassette zusätzlich mindestens ein Transposase-Gen, vorzugsweise das tnp-Gen, umfassen. Das Transpositionselement kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein OE-L- oder ein OE-R-Element sein. Die erfindungsgemäße Gen-Kassette kann in vorteilhafter Weise auch zusätzlich mindestens ein Reportergen und/oder mindestens einen Selektionsmarker umfassen.In a particularly advantageous embodiment of the gene cassette, the promoter sequence comprises the recognition and binding site for the T 7 RNA polymerase. Furthermore, the gene cassette may additionally comprise at least one transposase gene, preferably the tnp gene. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the transposition element may be an OE-L or an OE-R element. The gene cassette according to the invention may advantageously also additionally comprise at least one reporter gene and / or at least one selection marker.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Gen-Kassette ein Antibiotika-Resistenzgen mit eigenem Promotor, ein Reportergen ohne eigenen Promotor, ein Transpositionselement und einen Promotor für eine nicht-bakterielle RNA-Polymerase, vorzugsweise die T7-RNA-Polymerase.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the gene cassette comprises an antibiotic resistance gene with its own promoter, a reporter gene without its own promoter, a transposition element and a promoter for a non-bacterial RNA polymerase, preferably the T 7 RNA polymerase.
Alternativ kann die Gen-Kassette ein Antibiotika-Resistenzgen mit eigenem Promotor, ein Reportergen ohne eigenen Promotor, ein für eine Transposase kodierendes Gen, ein Transpositionselement und einen Promotor für eine nicht-bakterielle RNA-Polymerase umfassen.alternative the gene cassette can be an antibiotic resistance gene with its own promoter, a reporter gene without its own promoter, one for a transposase coding gene, a transposition element and a promoter for include a non-bacterial RNA polymerase.
Innerhalb der erfindungsgemäßen Gen-Kassette kann das Antibiotika-Resistenzgen beispielsweise ein Gen für die Tetracyclin-Resistenz (TcR) oder für die Gentamycin-Resistenz (GmR) sein. Das Reportergen kann in vorteilhafter Weise ein Gen für die Kanamycin-Resistenz (KmR) oder ein für ein fluoreszierendes Protein kodierendes Gen sein.Within the gene cassette according to the invention, the antibiotic resistance gene may be, for example, a gene for tetracycline resistance (Tc R ) or for gentamicin resistance (Gm R ). The reporter gene may advantageously be a gene for kanamycin resistance (Km R ) or a gene coding for a fluorescent protein.
Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Gen-Kassette auch mindestens einen Replikationsursprung (oriT) und/oder mindestens eine Operator-Sequenz, vorzugsweise den lac-Operator, umfassen.additionally the gene cassette of the invention may also be at least an origin of replication (oriT) and / or at least one operator sequence, preferably the lac operator.
Besonders vorteilhaft und erfindungsgemäß bevorzugt ist eine Zusammensetzung zur Klonierung, Integration und Expression mindestens eines Genclusters, die mindestens zwei erfindungsgemäße Gen-Kassetten der oben beschriebenen Art umfasst. Die Gen-Kassetten sind dabei derart konstruiert, dass sie sich in ihrer Funktion gegenseitig ergänzen und gemeinsam eine koordinierte und vollständige Expression des Genclusters ermöglichen. Die Gen-Kassetten können an beiden Seiten des zu exprimierenden Genclusters angehängt werden, so dass sie dieses flankieren und insgesamt ein rekombinantes Transposon bilden, das in eine geeignete Rezipientenzelle eingebracht werden kann.Especially advantageous and preferred according to the invention a composition for cloning, integration and expression at least one gene cluster comprising at least two inventive Gene cassettes of the type described above comprises. The gene cassettes are constructed in such a way that they function mutually in their function complement and co-ordinate a coordinated and complete Enable expression of the gene cluster. The gene cassettes may be on both sides of the gene cluster to be expressed be attached so that they flank this and overall form a recombinant transposon into a suitable recipient cell can be introduced.
Sind in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zwei Gen-Kassetten enthalten, so umfassen diese jeweils mindestens eine Promotor-Sequenz und jeweils mindestens ein Transpositionselement. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst jede Promotor-Sequenz dabei die Erkennungs- und Bindungsstelle für die T7-RNA-Polymerase. Eine der beiden Gen-Kassetten umfasst zusätzlich mindestens ein Transposase-Gen, vorzugsweise das tnp-Gen. Bei den Transpositionselementen kann es in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung um OE-L- und/oder ein OE-R-Elemente handeln. Jede Gen-Kassette umfasst in vorteilhafter Weise zusätzlich mindestens ein Reportergen und/oder mindestens einen Selektionsmarker. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfassen beide Gen-Kassetten jeweils ein Antibiotika-Resistenzgen mit eigenem Promotor, ein Reportergen ohne eigenen Promotor, ein Transpositionselement und einen Promotor für eine nicht-bakterielle RNA-Polymerase, vorzugsweise die T7-RNA-Polymerase. In diesem Fall umfasst eine der beiden Gen-Kassette zusätzlich noch ein für eine Transposase kodierendes Gen. Innerhalb der erfindungsgemäßen Zusammensetzung mit zwei Gen-Kassetten kann das jeweilige Antibiotika-Resistenzgen beispielsweise ein Gen für die Tetracyclin-Resistenz (TcR) oder für die Gentamycin-Resistenz (GmR) sein. Das jeweilige Reportergen kann in vorteilhafter Weise ein Gen für die Kanamycin-Resistenz (KmR) oder ein für ein fluoreszierendes Protein kodierendes Gen sein. Zusätzlich kann eine der beiden Gen-Kassetten auch mindestens einen Replikationsursprung (oriT) und/oder mindestens eine Operator-Sequenz, vorzugsweise den lac-Operator, umfassen. Auf diese Weise entsteht eine Zusammensetzung, in der sich die beiden Gen-Kassetten auf optimale Weise ergänzen und die eine effizient Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.If two gene cassettes are contained in the composition according to the invention, these each comprise at least one promoter sequence and in each case at least one transposition element. Especially In an advantageous embodiment of the invention, each promoter sequence comprises the recognition and binding site for the T 7 RNA polymerase. One of the two gene cassettes additionally comprises at least one transposase gene, preferably the tnp gene. In the case of the transposition elements, in a particularly advantageous embodiment of the invention it may be OE-L and / or an OE-R element. Each gene cassette advantageously additionally comprises at least one reporter gene and / or at least one selection marker. In a particularly advantageous embodiment of the invention, both gene cassettes each comprise an antibiotic resistance gene with its own promoter, a reporter gene without its own promoter, a transposition element and a promoter for a non-bacterial RNA polymerase, preferably the T 7 RNA polymerase. In this case, one of the two gene cassette additionally comprises a gene coding for a transposase. Within the composition according to the invention with two gene cassettes, the respective antibiotic resistance gene may be, for example, a gene for tetracycline resistance (Tc R ) or for gentamycin resistance (Gm R ). The respective reporter gene may advantageously be a gene for kanamycin resistance (Km R ) or a gene coding for a fluorescent protein. In addition, one of the two gene cassettes may also comprise at least one origin of replication (oriT) and / or at least one operator sequence, preferably the lac operator. In this way, a composition is formed in which the two gene cassettes complement each other in an optimal manner and which enables efficient implementation of the method according to the invention.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Vektor zur Klonierung, Integration und Expression mindestens eines Genclusters bereitgestellt, wobei der Vektor mindestens eine erfindungsgemäße Gen-Kassette umfasst. Der Vektor kann in vorteilhafter Weise aber auch zwei oder mehr Gen-Kassetten umfassen.According to the invention furthermore, a vector for cloning, integration and expression at least provided a gene cluster, wherein the vector at least one comprises gene cassette according to the invention. The vector may advantageously but also two or more gene cassettes include.
Die genannte Aufgabe wird auch durch die Bereitstellung eines rekombinanten Nukleinsäuremoleküls gelöst, das mindestens eine Nukleotidsequenz zur Synthese mindestens eines Polypeptids umfasst, wobei die Nukleotidsequenz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
- a) Nukleotidsequenz, welche die Gen-Kassette nach einem der Ansprüche 5 bis 16 umfasst;
- b) Nukleotidsequenz, welche zwei Gen-Kassetten nach einem der Ansprüche 5 bis 16 umfasst;
- c) Nukleotidsequenz, welche den Vektor nach Anspruch 18 oder 19 umfasst;
- d) Nukleotidsequenz, welche die Sequenz gemäß SEQ ID NR. 13 und/oder 14 umfasst;
- e) Nukleotidsequenz, welche sich von der Nukleotidsequenz gemäß a), b), c) oder d) durch den Austausch zumindest eines Codons gegen ein synonymes Codon unterscheidet;
- f) Nukleotidsequenz, deren komplementärer Strang mit den Nukleotid-sequenzen gemäß a), b), c) oder d) hybridisiert;
- g) Nukleotidsequenz, welche zu mindestens 85%, vorzugsweise 90%, insbesondere 95%, mit der Nukleotidsequenz gemäß a), b), c) oder d) identisch ist;
- h) Nukleotidsequenz, welche dem komplementären Strang der Nukleotid-sequenzen gemäß a) bis g) entspricht.
- a) Nucleotide sequence comprising the gene cassette according to any one of claims 5 to 16;
- b) A nucleotide sequence comprising two gene cassettes according to any one of claims 5 to 16;
- c) a nucleotide sequence comprising the vector of claim 18 or 19;
- d) nucleotide sequence which contains the sequence according to SEQ ID NO. 13 and / or 14;
- e) nucleotide sequence which differs from the nucleotide sequence according to a), b), c) or d) by the exchange of at least one codon for a synonymous codon;
- f) nucleotide sequence whose complementary strand hybridizes with the nucleotide sequences according to a), b), c) or d);
- g) nucleotide sequence which is identical to at least 85%, preferably 90%, in particular 95%, with the nucleotide sequence according to a), b), c) or d);
- h) nucleotide sequence which corresponds to the complementary strand of the nucleotide sequences according to a) to g).
Erfindungsgemäß wird ferner ein Kit zur Klonierung, Integration und Expression mindestens eines Genclusters bereitgestellt, welcher mindestens eine erfindungsgemäße Gen-Kassette umfasst. Bevorzugt umfasst der Kit zwei oder mehr Gen-Kassetten.According to the invention a kit for cloning, integration and expression at least a gene cluster provided which at least one inventive Includes gene cassette. Preferably, the kit comprises two or more gene cassettes.
Die Erfindung umfasst auch Zellen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Gen-Kassette, den erfindungsgemäßen Vektor und/oder das erfindungsgemäße Nukleinsäuremolekül enthalten sowie Zellkulturen, welche diese Zellen umfasst.The The invention also encompasses cells which contain at least one invention Gene cassette, the vector according to the invention and / or the nucleic acid molecule of the invention contained as well as cell cultures, which includes these cells.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Bespiele und Abbildungen beispielhaft näher erläutert.The Invention will be described below with reference to examples and illustrations exemplified in more detail.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Verschiedene und bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungDifferent and preferred Embodiments of the invention
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine neue Zusammensetzung, das so genannte „In vivo auto cloning and expression" – System (IVAC), zur universellen heterologen Expression geclusterter Gene geschaffen. Das IVAC-System weist folgende Eigenschaften auf:
- 1) Das IVAC-System ist ein universelles Expressionssystem, das die kombinierte Expression vieler Zielgene in unterschiedlichen bakteriellen Expressionswirten erlaubt.
- 2) Es erlaubt die gezielte Induktion und kontrollierte Überexpression geclusterter Zielgene.
- 3) Es ermöglicht die unkomplizierte und zeiteffiziente Klonierung großer DNA-Fragmente durch sequenzspezifische Rekombinationsprozesse.
- 4) Die Verwendung des IVAC-Systems erlaubt eine schnelle Erzeugung geeigneter bakterieller Expressionsstämme durch die zielgerichtete Übertragung des rekombinanten Transposons und dessen eigenständige Integration in das Wirtschromosom.
- 1) The IVAC system is a universal expression system that allows the combined expression of many target genes in different bacterial expression hosts.
- 2) It allows the targeted induction and controlled overexpression of clustered target genes.
- 3) It allows the uncomplicated and time-efficient cloning of large DNA fragments by sequence-specific recombination processes.
- 4) The use of the IVAC system allows rapid production of suitable bacterial expression strains by the targeted transfer of the recombinant transposon and its independent integration into the host chromosome.
Übersicht über den Aufbau der erfindungsgemäßen Zusammensetzung (IVAC-System)Overview of the structure the composition according to the invention (IVAC system)
Das
IVAC-System basiert auf zwei Kassetten, der L-IVAC- und der R-IVAC-Kassette.
Der Aufbau der Kassetten ist in
Überblick über die Funktionsweise der erfindungsgemäßen ZusammensetzungOverview of how it works the composition of the invention
Die
beiden IVAC-Kassetten werden durch homologe Rekombination stromaufwärts
und stromabwärts eines Ziel-Genclusters, das vorzugsweise
bereits auf einem geeigneten Vektor (z. B. einem BAC) liegt, integriert
(
Konstruktion der IVAC-KassettenConstruction of IVAC cassettes
Die L-IVAC-Kassette besteht insgesamt aus sechs, die R-IVAC-Kassette aus acht funktionellen genetischen Elementen. Aufgrund des komplexen Aufbaus der IVAC-Kassetten war eine spezielle Klonierungsstrategie zur Konstruktion der Kassetten notwendig. Die DNA-Fragmente, die die einzelnen Elemente umfassen, wurden teilweise durch eine PCR amplifiziert, teilweise waren sie Bestandteile synthetisierter Oligonukleotide. Für die Klonierung der einzelnen Komponenten der IVAC-Kassetten mussten diese folgende Eigenschaften besitzen:
- – Sie durften keine Erkennungssequenzen für Restriktionsendonukleasen aufweisen, die bei späteren Klonierungsschritten stören könnten.
- – Sie mussten von den kompatiblen Erkennungssequenzen der Restriktionsendonukleasen BamHI, BclI oder BglII flankiert werden.
- - They should not have recognition sequences for restriction endonucleases, which could interfere with later cloning steps.
- They had to be flanked by the compatible recognition sequences of the restriction endonucleases BamHI, BclI or BglII.
Durch
eine Kombination dieser zueinander kompatiblen Schnittstellen konnten
die einzelnen Komponenten der IVAC-Kassetten zusammengeführt
und gleichzeitig die zwischen ihnen liegenden Erkennungssequenzen
deletiert werden. Die hierbei zugrundeliegenden Klonierungsstrategien
sind in den
Nachweis der Aktivität der in den IVAC-Kassetten integrierten T7-PromotorenDetection of the activity of the integrated in the IVAC tapes T 7 promoters
Zur Überprüfung,
ob die in den IVAC-Kassetten lokalisierten T7-Promotoren
funktionell sind, wurden die einzelnen IVAC-Kassetten stromaufwärts
eines promotorlosen gfp Gens kloniert. Die so entstandenen GFP-Expressionsplasmide
werden im Folgenden als pL-IVAC>GFP
und pR-IVAC>GFP bezeichnet
(
- (1) Die Anwesenheit des T7-Promotors
führte unabhängig von der verwendeten IVAC-Kassette
nach Zugabe von IPTG in den E. coli Expressionsstämmen
zu einer signifikanten Transkription des GFP-Gens. In beiden Fällen
(
5 : R-IVAC>GFP +IPTG und L-IVAC>GFP +IPTG) konnte bereits nach acht Zyklen das entsprechende Transkript nachgewiesen werden. - (2) Unter uninduzierten Bedingungen (
5 : R-IVAC>GFP –IPTG und L-IVAC>GFP –IPTG) war in den entsprechenden Expressionsstämmen eine deutlich verminderte Transkription des Reportergens zu verzeichnen. Im Vergleich zur induzierten Expression liegt in diesem Fall nur 2–3% des gfp Transkripts vor. - (3) Um ausschließen zu können, dass die Synthese der detektierten GFP PCR-Produkte auf eine Verunreinigungen der isolierten mRNA mit Plasmid-DNA zurückzuführen ist, wurde die aus den E. coli-Stämmen isolierte RNA, die nicht mittels reverser Transkriptase in ihre cDNA umgeschrieben wurde, direkt als Template in der RT-PCR eingesetzt. Sogar nach 30 PCR-Zyklen konnte in diesen Kontrollproben kein PCR-Produkt nachgewiesen werden (Daten nicht gezeigt). Somit konnte eine Kontamination der isolierten RNA durch Plasmid-DNA ausgeschlossen werden.
- (1) The presence of the T 7 promoter, regardless of the IVAC cassette used, resulted in significant transcription of the GFP gene after addition of IPTG in the E. coli expression strains. In both cases (
5 : R-IVAC> GFP + IPTG and L-IVAC> GFP + IPTG), the corresponding transcript was detected after only eight cycles. - (2) Under uninduced conditions (
5 : R-IVAC> GFP-IPTG and L-IVAC> GFP-IPTG) significantly reduced transcription of the reporter gene was found in the corresponding expression strains. Compared to induced expression, only 2-3% of the gfp transcript is present in this case. - (3) In order to rule out that the synthesis of the detected GFP PCR products is due to contamination of the isolated mRNA with plasmid DNA, the RNA isolated from the E. coli strains, which did not convert into its cDNA by reverse transcriptase was rewritten, used directly as a template in the RT-PCR. Even after 30 cycles of PCR, no PCR product could be detected in these control samples (data not shown). Thus, contamination of the isolated RNA by plasmid DNA could be excluded.
Um
zeigen zu können, dass unter der Verwendung der IVAC-Expressionskassetten
GFP in E. coli funktionell exprimiert werden kann, wurde anschließend
in Proteinextrakten der entsprechenden Expressionsstämme
die GFP-spezifische Fluoreszenz quantifiziert. Die Ergebnisse dieser
Fluoreszenzmessung sind in
Die IVAC-vermittelte Integration und heterologe Expression eines Genclusters in Pseudomonas putida und Rhodobacter capsulatus am Beispiel des E. coli lac-OperonsThe IVAC-mediated integration and heterologous Expression of a gene cluster in Pseudomonas putida and Rhodobacter capsulatus using the example of the E. coli lac operon
Anhand der Transkriptionsfusionen mit dem Gen gfp konnte gezeigt werden, dass mit den IVAC-Kassetten eine T7-Polymerase abhängige Expression von Genen erzielt werden kann. Im Folgenden wurde überprüft, ob es mit Hilfe der IVAC-Kassetten auch möglich ist, ein Suizid-Plasmid mit einem zu exprimierenden Gencluster durch Konjugation in einen heterologen Wirtsstamm zu übertragen, das Cluster durch Transposition in das Genom des Wirtes zu transferieren und anschließend mit Hilfe der T7-Polymerase zu exprimieren.Gfp based transcriptional fusions with the gene could be shown that with the IVAC cassettes a T7 polymerase-dependent expression of genes can be achieved. In the following, it was examined whether it is also possible with the aid of the IVAC cassettes to transfer a suicide plasmid with a gene cluster to be expressed by conjugation into a heterologous host strain, to transfer the cluster by transposition into the genome of the host and subsequently with the aid of to express the T 7 polymerase.
Zur Überprüfung
dieser Eigenschaften des IVAC-Systems sollte das promotorlose lac-Operon
aus E. coli heterolog in Rhodobacter capsulatus und Pseudomonas
putida exprimiert werden. Es wurden dazu zwei Plasmide konstruiert,
die im Weiteren als pL>lacZYA
und pR>lacZYA bezeichnet
werden (
Übertragung des lac-Operons in die heterologen WirtsstämmeTransmission of the lac operon in the heterologous host strains
Um zu überprüfen, ob die Übertragung und Etablierung eines Genclusters mittels Konjugation und Transposition unter Verwendung des neuen IVAC-Systems erzielt werden kann, wurden die Plasmide pL>lacZYA und pR>lacZYA zunächst in den für Konjugation optimierten Donorstamm E. coli S17-1 transformiert. Als Rezipienten dienten die Gramnegativen Bakterien R. capsulatus und P. putida. Konjugation und Transposition wurden wie im Anhang beschrieben durchgeführt. Da die zu transferierenden Plasmide ein Gentamycin-Resistenzgen besitzen, konnten die Rezipientenstämme, die durch Konjugation ein Plasmid aufgenommen und durch Transposition in ihr Genom integriert hatten, von dem jeweiligen Wildtyp-Stamm durch Selektion auf das Antibiotikum unterschieden werden.Around to check if the transmission and Establishment of a gene cluster by means of conjugation and transposition using the new IVAC system the plasmids pL> lacZYA and pR> lacZYA first in the conjugation-optimized donor strain E. coli S17-1 transformed. The recipients were Gram-negative bacteria R. capsulatus and P. putida. Conjugation and transposition were as described in the appendix. Because the to be transferred Plasmids possess a gentamicin resistance gene, the recipient strains, which is obtained by conjugation of a plasmid and by transposition integrated into their genome from the respective wild-type strain be distinguished by selection for the antibiotic.
Die Versuche zeigten, dass die Konjugation und Transposition der Plasmide mit Hilfe der IVAC-Kassetten in beide heterologen Wirtsstämme vermittelt werden konnten. Überraschender weise wich die Transpositionsrate der rekombinanten Transposons (L>lacZYA und R>lacZYA in R. capsulatus: 2 × 10–6 und in P. putida: 7 × 10–5) nicht nennenswert von der Transpositionsrate des natürlichen Tn5-Transposons (Transpositionsrate: ca. 6,5 × 10–5 (Naumann & Reznikoff, 2002)) ab. Der Vergleich mit dem natürlichen Transposon Tn5 zeigt somit, dass sich die rekombinanten IVAC-Transposons problemlos auf die ausgewählten Wirtsstämme übertragen und in ihre Chromosomen integrieren ließen.The experiments showed that the conjugation and transposition of the plasmids using the IVAC cassettes could be mediated in both heterologous host strains. Surprisingly, the transposition rate of the recombinant transposons (L> lacZYA and R> lacZYA in R. capsulatus: 2 × 10 -6 and in P. putida: 7 × 10 -5 ) did not differ significantly from the transposition rate of the natural Tn5 transposon (transposition rate : about 6.5 × 10 -5 (Naumann & Reznikoff, 2002)). The comparison with the natural transposon Tn5 thus shows that the recombinant IVAC transposons could be easily transferred to the selected host strains and integrated into their chromosomes.
Nachweis der T7-Polymerase abhängigen Transkription des lac-Operons in den heterologen Wirtsstämmen.Detection of T 7 polymerase-dependent transcription of the lac operon in the heterologous host strains.
Nach
der erfolgreichen Integration des lac-Operons und der IVAC-Kassetten
im Genom der heterologen Wirte R. capsulatus und P. putida wurde
die T7-Polymerase abhängige Transkription
des lac-Operons mittels RT-PCR überprüft. In den
heterologen Wirtsstämmen wurde die Expression der T7-Polymerase und somit der lac-Gene durch
Zugabe von Fruktose (R. capsulatus) bzw. IPTG (P. putida) induziert.
Anschließend wurde die mRNA dieser Stämme isoliert.
In der darauffolgenden reversen Transkription wurden Primer zum
Nachweis der Transkripte von lacZ, lacY und lacA eingesetzt und
die so entstandene cDNA als Template in einer RT-PCR verwendet.
Die Ergebnisse der RT-PCR sind in den
Wie
in
Nachweis der Antisense-Transkripte in R. capsulatus und P. putidaDetection of antisense transcripts in R. capsulatus and P. putida
Anhand des Beispiels des lac-Operons aus E. coli konnte bislang nachgewiesen werden, dass ein durch die IVAC-Kassetten „markiertes" Gencluster mittels Konjugation und Transposition erfolgreich in bakteriellen Wirtsstämmen etabliert werden kann. Nach der Induktion der T7-Polymerase Expression konnten zudem in beiden getesteten Expressionswirten die lac-Gene des Testgenclusters transkribiert werden. Da die Gene komplexer Gencluster jedoch im Gegensatz zum lac-Operon häufig nicht in einer Orientierung vorliegen, muss grundsätzlich die Transkription der Gene, die von den beiden IVAC-Kassetten flankiert werden, auch in die entgegengesetzte Leserichtung erfolgen. Daher sollte im Folgenden mittels RT-PCR untersucht werden, inwieweit antisense Transkripte des lac-Genclusters in den mit der IVAC-Technologie erzeugten Expressionsstämmen, synthetisiert werden.Using the example of the lac operon of E. coli could be detected so far that a "labeled" by IVAC cassettes gene cluster by conjugation and transposition can be successfully established in bacterial host strains. After the induction of T 7 polymerase expression could also In both tested expression hosts, the lac genes of the test gene cluster are transcribed, however, since the genes of complex gene clusters, unlike the lac operon, are often not in an orientation, the transcription of the genes flanked by the two IVAC cassettes must also be in principle In the following, RT-PCR should be used to investigate to what extent antisense transcripts of the lac gene cluster in the expression strains generated by the IVAC technology.
In
den
Mittels des IVAC-Expressionssystems wird sowohl die Sense- wie Antisense-RNA des zu exprimierenden Genclusters in den getesteten bakteriellen Wirtsstämmen gebildet. Die Gene eines Genclusters können somit erstaunlicher weise mittels des IVAC-Systems unabhängig von ihrer Orientierung und ohne eine gegenseitige Behinderung der entgegengesetzt arbeitenden Polymerasen transkribiert werden.through The IVAC expression system will include both sense and antisense RNA of the gene cluster to be expressed in the tested bacterial Host trunks formed. The genes of a gene cluster can thus amazingly, by means of the IVAC system independently from their orientation and without mutual obstruction of the transcribed opposite polymerases are transcribed.
Nachweis der β-Galaktosidase-Aktivität in den heterologen Wirtsstämmen R. capsulatus und P. putidaDetection of β-galactosidase activity in the heterologous host strains R. capsulatus and P. putida
Nachdem
erfolgreich die sense-Transkripte und antisense-Transkripte der
lac-Gene in den heterologen Wirten R. capsulatus und P. putida detektiert
werden konnte, stellte sich nun die Frage, inwiefern eine mögliche
Hybridisierung der zueinander komplementären mRNA-Moleküle
die Translation inhibieren kann. Um die Synthese der β-Galaktosidase
in allen verwendeten Expressionsstämmen nachzuweisen, wurde
zu diesem Zweck ein Enzymaktivitätstest mit dem Substrat
O-Nitrophenyl-β-D-galactopyranosid (ONPG) durchgeführt.
Da in den IVAC-tragenden Expressionsstämmen eindeutig eine β-Galaktosidase-Aktivität nachzuweisen war, kann überraschender Weise ausgeschlossen werden, dass die Synthese der RNA in sense und antisense Richtung zu einer Inhibierung der Translation führt.There clearly in the IVAC-bearing expression strains a β-galactosidase activity could be proved, surprisingly excluded be that synthesis of RNA in sense and antisense direction leads to an inhibition of translation.
Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Zusammensetzung ermöglichen folglich die einfache Markierung
eines heterologen Genclusters. Durch die Einschritt-Übertragung
und Integration des rekombinanten IVAC-Transposons in das Chromosom
eines bakteriellen Wirtsstamms wird ein Expressionsstamm erzeugt,
der die gezielte Expression aller Gene des übertragenen
Clusters ermöglicht. Anhang/Medien Anzucht
von E. coli und P. putida
Die
Anzucht der Bakterien erfolgte, wenn nicht anders angegeben, bei
37°C (E. coli) bzw. 30°C (P. putida). Übernachtkulturen
(ÜK) wurden für mindestens 16 h inkubiert. Kulturen
mit einem Volumen bis zu 5 ml wurden im Reagenzglas auf einem Brutroller,
größere Kulturen im Erlenmeyerkolben (Kulturvolumen:
max. 1/5–1/10 des Gefäßvolumens) auf
einem Rundschüttler bei 200 UpM bebrütet. Vorkulturen
wurden in LB-Medium angelegt und entweder mit einer Einzelkolonie
oder mit 1/100 Volumen aus einer Gefrierkultur inokuliert. Hauptkulturen
wurden auf eine Zelldichte, die einer O.D.580nm von
0,05 entsprach, angeimpft. Die Zelldichten von Kulturen wurden durch
Trübungsmessungen in einem Spektralphotometer bei einer
Wellenlänge von 580 nm gegen das entsprechende Medium als
Referenz ermittelt. Eine O.D.580nm von 1
entspricht einer Zellzahl von etwa 2 × 109 pro
ml Kultur. Für Gefrierkulturen wurden 1,8 ml einer ÜK
mit 138 μl DMSO vermischt und bei –80°C
gelagert. Anzucht
von R. capsulatus
Phototrophe Anzucht von R. capsulatus unter StarklichtbedingungenPhototrophic cultivation of R. capsulatus under high light conditions
R. capsulatus wurde vorzugsweise anaerob im Licht (photoheterotroph) angezogen. Die anaerobe Anzucht erfolgte als Einzelkolonieausstrich auf Festmedium oder im Flüssigmedium in EPGs (bis 1,5 ml) in einem speziellen Anaerob-Inkubationstopf unter Verwendung des Gas-Pack Anaerobic-Systems (BBL). Größere Kulturvolumina wurden in gasdicht verschließbaren Röhrchen (Hungates) oder Schott-Flaschen, die mit Hilfe eines im Deckel befindlichen Septums mit Argon bzw. N2 begast wurden, angezogen. Unter diesen Wuchsbedingungen wurde R. capsulatus für drei Tage im Starklicht (sechs Glühbirnen a 60 W; entspricht 2500 lux) inkubiert.R. capsulatus was preferably anaerobically grown in the light (photoheterotrophic). Anaerobic cultivation was carried out as a single colony smear on solid medium or in liquid medium in EPGs (up to 1.5 ml) in a special anaerobic incubation pot using the Gas-Pack Anaerobic System (BBL). Larger volumes of culture were grown in gas-tight sealable tubes (Hungates) or Schott bottles fumigated with argon or N 2 using a septum in the lid. Under these growth conditions, R. capsulatus was incubated for three days in the high light (six bulbs a 60 W, equivalent to 2500 lux).
Aerobe Anzucht von R. capsulus im DunkelnAerobic seedling of R. capsulus in the dark
Die Inkubation von R. capsulatus Einzelkolonieausstrichen konnte außerdem unter aeroben Bedingungen im Brutschrank (bei Dunkelheit) erfolgen.The Incubation of R. capsulatus single colony smears was also possible under aerobic conditions in the incubator (in darkness).
Mit Zellmaterial von anaerob angezogenen Plattenkulturen konnte R. capsulatus aerob in Flüssigmedium kultiviert werden. Dabei erfolgte die Inkubation in einem Reagenzglas üN im Dunkeln auf einem Brutroller.With Cell material from anaerobically grown plate cultures could R. capsulatus be aerobically cultured in liquid medium. This was done incubation in a test tube in the dark on a dark Brood Roller.
Standard-Mini-PräparationStandard mini-preparation
Die
Isolierung von Plasmid-DNA aus E. coli und P. aeruginosa erfolgte
modifiziert nach der von Birnboim & Doly (1979) entwickelten, auf dem
Prinzip der alkalischen Lyse beruhenden Methode.
Bakterienzellen aus 2 ml einer unter Selektionsdruck angezogenen ÜK (2.6.3) wurden durch Zentrifugation (3 min, 13000 UpM, EZ, RT) geerntet. Nach vollständigem Entfernen des Kulturüberstands wurden die Sedimente in 300 μl Mix I resuspendiert und für 1 min bei RT inkubiert. Anschließend wurden 300 μl Mix II hinzugegeben und mit den Proben vermischt. Nach Zugabe von 300 μl Mix III und 10 min Inkubation auf Eis wurden die entstandenen Protein-SDS-Präzipitate, die gefällte chromosomale DNA sowie Zelttrümmer durch Zentrifugation (15 min, 13000 UpM, EZ, RT) sedimentiert. Der klare, die Plasmid-DNA enthaltene Überstand wurde abgenommen, mit 10 μl Ribonuklease A (2 mg/ml) versetzt und 30 min bei 37°C inkubiert. Nach anschließender Ethanolfällung oder Isopropanolfällung wurde die Plasmid-DNA in 30–50 μl 0,1 × TE-Puffer aufgenommen und bis zur weiteren Verwendung bei –20°C gelagert.bacterial cells from 2 ml of a test sample grown under selective pressure (2.6.3) were harvested by centrifugation (3 min, 13000 rpm, EA, RT). After complete removal of the culture supernatant the sediments were resuspended in 300 μl Mix I and incubated for 1 min at RT. Subsequently were Add 300 μl of Mix II and mix with the samples. After addition of 300 μl Mix III and 10 min incubation on Ice were the resulting protein-SDS precipitates, the precipitated chromosomal DNA as well as cell debris Centrifugation (15 min, 13000 rpm, EA, RT) sedimented. The clear, supernatant containing the plasmid DNA was removed with 10 ul of ribonuclease A (2 mg / ml) and 30 min incubated at 37 ° C. After subsequent ethanol precipitation or isopropanol precipitation, the plasmid DNA was in 30-50 μl 0.1 × TE buffer and until further use stored at -20 ° C.
Hydrolytische Spaltung von DNA mit RestriktionsendonukleasenHydrolytic cleavage of DNA with restriction endonucleases
Die hydrolytische Spaltung von DNA mit Restriktionsendonukleasen erfolgte unter den vom Hersteller empfohlenen Bedingungen in den jeweils optimalen Reaktionspuffern. Die hier verwendeten Typ II-Restriktionsendonukleasen binden an eine kurze Folge von Nukleotiden und spalten DNA-Moleküle innerhalb dieser Erkennungssequenz. Pro μg DNA wurden 5 bis 10 U des entsprechenden Enzyms eingesetzt und der Restriktionsansatz 1–2 h bei 37°C inkubiert. Die Restriktionsendonukleasen wurden vor Ligationen durch Hitzebehandlung inaktiviert, dafür wurden die Ansätze 20 min bei 65°C inkubiert.The hydrolytic cleavage of DNA with restriction endonucleases under the conditions recommended by the manufacturer in each case optimal reaction buffers. The type II restriction endonucleases used here bind to a short sequence of nucleotides and cleave DNA molecules within this recognition sequence. 5 μg per μg of DNA used to 10 U of the corresponding enzyme and the restriction mixture Incubated for 1-2 h at 37 ° C. The restriction endonucleases were inactivated prior to ligations by heat treatment, for that the mixtures were incubated at 65 ° C for 20 min.
Ligation von DNA-FragmentenLigation of DNA fragments
Zur
Ligation von DNA-Fragmenten wurde die T4-Ligase in dem vom Hersteller
mitgelieferten Reaktionspuffer verwendet. Die T4-Ligase katalysiert
die ATP-abhängige Bildung von Phosphodiesterbindungen zwischen
benachbarten 3'-Hydroxy- und 5'-Phosphatenden sowohl zwischen zwei
kompatiblen, überhängenden („sticky end")
als auch zwischen zwei glatten Enden („blunt end"). In
einem Reaktionsvolumen von 10–20 μl wurde die
Fragment-DNA mit der Vektor-DNA in einem molaren Verhältnis
von mindestens 3:1 sowie mit 1 U T4-Polymerase gemischt und entweder
für 2 h bei RT oder üN bei 11°C inkubiert.
Bei der Ligation von glatten Enden wurde den Reaktionsansätzen
zusätzlich PEG 4000 (Fermentas) in einer Endkonzentration
von 5% zugegeben. Für nachfolgende Transformationen wurden
die Ligationsansätze im Verhältnis 1:4 mit TMF-Puffer verdünnt. Transformation
von Bakterien mit Plasmid-DNA Herstellung
transformationskompetenter Zellen
In einem sterilen 100 ml Erlenmeyerkolben wurden 20 ml LB-Medium mit 0,4 ml Mg2+-Mix gemischt und mit der Menge einer E. coli-Übernachtkultur inokuliert, dass die Zelldichte einer O.D.580nm von 0,05 entsprach. Diese Kultur wurde auf einem Schüttler (200 UpM) bei 37°C bebrütet, bis sie sich in der logarithmischen Wuchsphase befand (D.D.580nm = 0,5–0,8). Anschließend wurde die Kultur in 2 ml Ansätze aliquotiert, die Zellen wurden durch Zentrifugation (2 min, 8000 UpM, EZ, 4°C) sedimentiert. Das Pellet wurde in 1 ml eiskaltem Transformationspuffer (TMF-Puffer) resuspendiert und die Ansätze 1 h auf Eis inkubiert. Nach anschließender Zentrifugation (2 min, 8000 UpM, EZ, 4°C) wurden die Pellets jeweils in 200 μl eiskaltem TMF-Puffer aufgenommen. Bis zur weiteren Verwendung wurden die Ansätze auf Eis oder nach Zugabe von Glycerol in einer Endkonzentration von 20% (v/v) bei –80°C gelagert.In a sterile 100 ml Erlenmeyer flask, 20 ml LB medium was mixed with 0.4 ml Mg 2+ mix and inoculated with the amount of an overnight E. coli culture so that the cell density corresponded to an OD 580 nm of 0.05. This culture was incubated on a shaker (200 rpm) at 37 ° C until it was in the logarithmic growth phase (DD 580nm = 0.5-0.8). Subsequently, the culture was aliquoted in 2 ml batches, the cells were sedimented by centrifugation (2 min, 8000 rpm, EA, 4 ° C). The pellet was resuspended in 1 ml of ice-cold transformation buffer (TMF buffer) and the mixtures incubated on ice for 1 h. After subsequent centrifugation (2 min, 8000 rpm, EA, 4 ° C), the pellets were each taken up in 200 μl of ice-cold TMF buffer. Until further use, the batches were stored on ice or after addition of glycerol at a final concentration of 20% (v / v) at -80 ° C.
Transformation von E. coliTransformation of E. coli
Zur Transformation wurden 200 μl transformationskompetente Zellen mit 20 μl eines Ligationsansatzes oder ca. 100 ng präparierter Plasmid-DNA vermischt, mindestens 30 min auf Eis inkubiert und anschließend für 90 s einem Hitzeschock bei 42°C ausgesetzt. Nach Zugabe von 700 μl LB-Medium folgte die phänische Expression, falls nicht anders angegeben, bei 37°C auf dem Brutroller, die je nach Antibiotikaresistenz 1–3 h dauerte. 100 μl dieses Ansatzes wurden auf entsprechendem Selektivagar ausplattiert, der restliche Ansatz wurde zentrifugiert (2 min, 8000 UpM, EZ, RT), das Pellet in 100 μl LB-Medium aufgenommen und ebenfalls auf Selektivagar ausplattiert. Als Negativkontrolle diente ein Ansatz transformationskompetenter Zellen, dem keine Plasmid-DNA bzw. kein Ligationsansatz zugegeben wurde.to Transformation were 200 ul transformation competent Cells with 20 μl of a ligation batch or about 100 ng prepared plasmid DNA mixed, at least 30 min on Incubated ice and then for 90 s one Heat shock exposed at 42 ° C. After addition of 700 .mu.l LB medium was followed by phenic expression, if not stated otherwise, at 37 ° C on the breed roller, depending on Antibiotic resistance lasted 1-3 h. 100 μl of this Approach was plated on appropriate Selektivagar, the the remaining batch was centrifuged (2 min, 8000 rpm, EA, RT), the pellet was taken up in 100 μl of LB medium and also plated on selective agar. The negative control used was an approach transformation-competent cells, no plasmid DNA or no Ligation mixture was added.
Übertragung von Plasmid-DNA durch Konjugation und TranspositionTransfer of plasmid DNA by Conjugation and transposition
Zum
konjugativen Transfer von mobilisierbaren Plasmiden wurde die Methode
des „biparentalen matings" genutzt. Der als Donor angewendete
E. coli-Stamm S17-1 trägt die tra-Gene des RP4-Plasmids
(
Konjugation und Transposition von Plasmiden von E. coli nach P. putidaConjugation and transposition of plasmids from E. coli to P. putida
Als Rezipient diente einer der P. putida-Stämme KT2440. Die Anzucht der zu konjugierenden P. putida- und E. coli-Stämme erfolgte in LB-Medium unter entsprechendem Selektionsdruck üN bei 30°C (P. putida) bzw. 37°C (E. coli).When Recipients served one of the P. putida strains KT2440. The Cultivation of P. putida and E. coli strains to be conjugated was carried out in LB medium under appropriate selection pressure üN at 30 ° C (P. putida) or 37 ° C (E. coli).
Je 0,5 ml der Rezipientenkultur und der Donorkultur wurden in einem EPG gemischt und zentrifugiert. Anschließend wurde das Pellet mit 1 ml LB-Medium gewaschen, um die Zellen von den entsprechenden Antibiotika zu befreien. Die Zellen wurden erneut zentrifugiert (8000 UpM, EZ, RT), in ihrem Restüberstand resuspendiert und auf einen Filter auf LB-Medium gegeben. Nach einer Inkubationszeit von 16 Stunden bei 30°C wurde der Filter in ein EPG mit LB-Medium gegeben, die Zellen wurden durch vortexen von dem Filter gelöst. Es wurde eine Verdünnungsreihe dieser Zellen angelegt und auf entsprechendem Selektivagar ausplattiert. Zur Kontraselektion des E. coli-Donorstammswurde Irgasan (Ciba Geigy, Basel) in einer Endkonzentration von 25 μg/ml eingesetzt.ever 0.5 ml of the recipient culture and the donor culture were in a EPG mixed and centrifuged. Subsequently, the Pellet washed with 1 ml of LB medium to remove the cells from the corresponding To get rid of antibiotics. The cells were centrifuged again (8000 rpm, EA, RT), resuspended in its residual supernatant and placed on a filter on LB medium. After an incubation period of 16 hours at 30 ° C, the filter was in an EPG with Given LB medium, cells were vortexed by the filter solved. It was a dilution series of this Cells are applied and plated on appropriate Selektivagar. to Contrast selection of the E. coli donor strain was Irgasan (Ciba Geigy, Basel) in a final concentration of 25 μg / ml.
Konjugation und Transposition von Plasmiden von E. coli nach R. capsulatusConjugation and transposition of plasmids from E. coli to R. capsulatus
Der Rezipient wurde von einer frischen anaeroben Stammplatte in 5 ml Minimalmedium (RCV + N) aufgenommen und üN bei 30°C auf dem Brutroller resuspendiert. Der plasmidtragende E. coli S17-1 Donor wurde üN bei 37°C selektiv auf einer LB-Agarplatte angezogen. Von der Donorplatte wurden Einzelkolonien der logarithmischen Wachstumsphase geerntet und in 1 ml PY-Fe resuspendiert. Jeweils 1 ml der Rezipientenkultur wurde mit 0,5 ml der Donorkultur vermischt und in einem Eppendorfgefäß zentrifugiert (5 min; 13.000 Upm, RT). Das Sediment wurde vorsichtig im Rücklauf resuspendiert. Die Zellsuspension wurde anschließend auf Nitrozellulose-Filter übertragen und üN bei 30°C auf PY-Agarplatten inkubiert. Die Filter wurden in 1 ml Minimalmedium (RCV + N) resuspendiert. Von der Bakterienkultur wurde eine Verdünnungsreihe angelegt und verschiedene Volumina wurden auf Selektivmedium ausgestrichen. Es folgte eine 3-tägige Inkubation im Brutschrank bei 30°C.The recipient was picked up from a fresh anaerobic stem plate in 5 ml minimal medium (RCV + N) and resuspended at 30 ° C. on the incubator. The plasmid-bearing E. coli S17-1 donor was selectively grown at 37 ° C. on an LB agar plate. From the donor plate single colonies of the logarithmic growth phase were harvested and resuspended in 1 ml of PY-Fe. 1 ml each of the recipient culture was mixed with 0.5 ml of the donor culture and centrifuged in an Eppendorf tube (5 min, 13,000 rpm, RT). The sediment was gently resuspended in the reflux. The cell suspension was then transferred to nitrocellulose filters and incubated at 30 ° C. on PY agar plates. The filters were resuspended in 1 ml minimal medium (RCV + N). From the bacterial culture, a dilution series was applied and different volumes were streaked onto selective medium. This was followed by a 3-day incubation in the incubator at 30 ° C.
Polymerasekettenreaktion (PCR)Polymerase Chain Reaction (PCR)
-
(
Mullis & Fallona, 1987 Mullis & Fallona, 1987
Die
Polymerasekettenreaktion wurde zur Amplifizierung von Genen angewendet.
Durch die Wahl entsprechender Oligonukleotide als Startermoleküle
wurden stromaufwärts und stromabwärts der Gene
Erkennungssequenzen für Restriktionsendonukleasen angefügt,
die zur gezielten Klonierung der amplifizierten Fragmente in Klonierungsvektoren
dienten. Die Amplifizierung erfolgte mit Hilfe der thermostabilen
DNA-abhängigen DNA-Polymerase aus Pyrococcus furiosus. Tab. 2.5: Konzentrationen der Reaktionskomponenten
bei PCR-Reaktionen mit der Turbo-Pfu-DNA-Polymerase und Pfu-DNA-Polymerase
Das Volumen eines Reaktionansatzes betrug 50 μl. Die PCR-Reaktionen wurde in dem PCR-Automat „Mastercycler Gradient" der Fa. Eppendorf durchgeführt.The Volume of a reaction mixture was 50 μl. The PCR reactions was in the PCR machine "Mastercycler Gradient" the Fa. Eppendorf performed.
Fluoreszenzmessungenfluorescence measurements
PBS-Puffer (pH 7,0)PBS buffer (pH 7.0)
- 4 mM KH2PO4; 16 mM Na2HPO4; 115 mM NaCl4 mM KH 2 PO 4 ; 16 mM Na 2 HPO 4 ; 115 mM NaCl
Fluoreszenzmessungen
ganzer Zellen wurden in PBS-Puffer durchgeführt. Zu diesem
Zweck wurden O.D.580 = 1 entsprechende Aliquots
den jeweiligen Expressionskulturen entnommen, pelletiert und mit PBS-Puffer
gewaschen. Anschließend wurden die Zellen in 1 ml PBS-Puffer
aufgenommen. Die so erhaltenen Zellsuspensionen wurden als Stammlösungen
für die folgenden Fluoreszenzmessungen verwendet. Die Fluoreszenz
der Proben wurde mit einem Fluoreszenzphotometer (
ONPG-LösungONPG solution
- 0,8 mg/ml ONPG; 14 μl/ml β-Mercaptoethanol; in 1 × Z-Puffer0.8 mg / ml ONPG; 14 μl / ml β-mercaptoethanol; in 1xZ buffer
Stopp-PufferStop buffer
- 1 M Na2CO3 1M Na 2 CO 3
Die Enzymaktivität der β-Galaktosidase wurde mit dem ONPG-Test untersucht. Beim ONPG-Test ersetzt das synthetische Galactosid O-Nitrophenol-β-D-galactopyranosid das natürliche Substrat der β-Galaktosidase. Es wird wie Laktose durch die Galactosid-Permease in die Zelle hineingebracht und durch die β-Galactosidase hydrolysiert. Hierbei entstehen die beiden Reaktionsprodukte Galaktose und o-Nitrophenol. Letzteres verursacht eine Gelbfärbung, die photometrisch gemessen werden kann. Zunächst wurden die Zelldichten der einzelnen Kulturen bestimmt. Je 400 μl der Proben wurden mit 25 μl Chloroform und 25 μl des Zellaufschluss-Puffers versetzt, resuspendiert und 5 min bei RT inkubiert. Nach der Zugabe von 400 μl ONPG-Lösung wurde die Zeit bis zur Gelbfärbung der Proben gemessen. Durch die Zugabe des Stopp-Puffers konnte die Reaktion beendet und die Gelbfärbung der Proben photometrisch gemessen werden.The Enzyme activity of β-galactosidase was measured with the Examined ONPG test. The ONPG test replaces the synthetic galactoside O-nitrophenol-β-D-galactopyranoside the natural Substrate of β-galactosidase. It gets through like lactose the galactoside permease is introduced into the cell and by the β-galactosidase hydrolyzed. This produces the two reaction products galactose and o-nitrophenol. The latter causes a yellowing, which can be measured photometrically. At first were determines the cell densities of each culture. 400 μl each the samples were mixed with 25 μl chloroform and 25 μl of the cell disruption buffer, resuspend and incubate for 5 min RT incubated. After the addition of 400 μl ONPG solution was added the time to yellowing of the samples was measured. By the addition of the stop buffer could terminate the reaction and the Yellowing of the samples can be measured photometrically.
mRNA-Quantifizierung mittels Real-time RT-PCRmRNA quantification by means of real-time RT-PCR
Zur
Isolierung bakterieller Gesamt-RNA wurde ein Aliquot der Bakterienkultur
in der exponentiellen Wachstumsphase (OD580 =
0.9) geerntet (4000 Upm, 4°C, 5 min). Das Zellpellet wurde
dann entweder direkt weiterverarbeitet oder bis zurweiteren Verwendung
bei –80°C gelagert (
Synthese der cDNASynthesis of the cDNA
Die Synthese der cDNA erfolgte ausgehend von 500 ng Gesamt-RNA, die durch reverse Transkription mit reverser Transkriptase (Omniscript Reverse Transkriptase, Qiagen, Hilden) in cDNA umgeschrieben wurde. Die RNA wurde vor der Synthese für 5 min bei 68°C inkubiert und dann 5 min auf Eis abgekühlt. Anschließend wurde der vorbereitete Mastermix aus Reaktionspuffer, Nukleotiden und reverser Transkriptase zugegeben. Die Synthese erfolgte für 1 h bei 37°C. Die synthetisierte cDNA wurde ohne weitere Aufreinigung als template in der Real-time PCR eingesetzt.The Synthesis of the cDNA was carried out starting from 500 ng of total RNA, the by reverse transcription with reverse transcriptase (Omniscript Reverse transcriptase, Qiagen, Hilden) into cDNA. The RNA was pre-synthesized for 5 min at 68 ° C incubated and then cooled for 5 min on ice. Subsequently was the prepared master mix of reaction buffer, nucleotides and reverse transcriptase added. The synthesis was carried out for 1 h at 37 ° C. The synthesized cDNA was without further Purification used as a template in real-time PCR.
RealTime PCRRealTime PCR
Die
Real-time PCR wurde mit dem LightCycler realplex (Eppendorf) durchgeführt.
Als Reagenzien dienten die Bestandteile Quantitect SYBR Green I
Kit (Qiagen, Hilden). Der Fluoreszenzfarbstoff SYBR Green I (Invitrogen,
Karlsruhe) bindet doppelsträngige DNA und hat ein Absorptionsmaximum
bei einer Wellenlänge von 521 nm. In der unten stehenden
Tabelle ist der Ablauf der RealTime PCR sowie der Schmelzkurve aufgelistet.
Literaturliterature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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