JP2011239749A - Detection method and identification method of spore using differential response of spore surface antigen protein and antibody - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、芽胞形成細菌の芽胞表層に存在するタンパク質を探索するための技術に関する。また本発明は、この技術を基礎とした芽胞形成細菌の検出法の開発と改良、芽胞形成細菌の除去法、及び医薬品製造等の応用技術に関する。 The present invention relates to a technique for searching for proteins present in the spore surface of spore-forming bacteria. The present invention also relates to development and improvement of a method for detecting spore-forming bacteria based on this technology, a method for removing spore-forming bacteria, and applied technology such as pharmaceutical production.
芽胞形成細菌(内生胞子形成細菌)は、栄養細胞の分裂・増殖(対数増殖期)、芽胞形成、芽胞(休眠)、発芽、発芽後生育、及び栄養細胞の対数増殖という一連の生物学的変化を伴う生活環を有している。栄養細胞は、栄養源の枯渇など環境条件の変化によって不等分裂を起こし、母細胞とプレスポア(Prespore)の2つの細胞に分化する。プレスポアは、母細胞内に取り込まれてフォアスポア(Forespore、前芽胞)となる。フォアスポアが成熟し、芽胞(Spore)になると母細胞は自己溶解する。 A spore-forming bacterium (endospore-forming bacterium) is a series of biological cells: vegetative cell division / proliferation (logarithmic growth phase), spore formation, spore (dormant), germination, post-emergence growth, and logarithmic growth of vegetative cells. It has a life cycle with change. Vegetative cells undergo unequal division due to changes in environmental conditions such as depletion of nutrients, and differentiate into two cells: mother cells and Prespore. The prespore is taken into the mother cell and becomes a forespore (Forespore). When the forespore matures and becomes a spore, the mother cell self-lyses.
芽胞は高い耐久性(耐熱性、耐圧性、耐薬品性)と長期休眠能を持つことから、食品や飲料、医薬品などの分野において芽胞の混入を想定した厳しい殺菌操作が必要となる。また、芽胞の耐久性の強さは種類(菌種や菌株)により異なるため、原料や製品などに混入した場合、迅速かつ正確に種類を同定し種類に応じた対応をしなければならない。一般細菌や栄養細胞であれば、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)法による迅速検査が可能であるが、芽胞の場合は強固な外殻構造を持つためにDNAやRNAを効率よく抽出する方法があまり知られておらず、またサンプル中に微量に存在する芽胞からDNAやRNAを効率的に抽出することは困難であり、PCR法による検査があまり有効ではない。その他に、抗原抗体反応に基づく免疫染色法、酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)法、フローサイトメトリー(FCM)法などの検査方法も考えられるが、芽胞に特異的な抗原と、それらと特異的に反応する抗体がほとんど知られていないことからそのような検査方法は行われていない。 Since spores have high durability (heat resistance, pressure resistance, chemical resistance) and long-term dormancy, strict sterilization operations that require spore contamination are required in the fields of food, beverages, and pharmaceuticals. In addition, since the strength of durability of the spore varies depending on the type (bacterial species and strains), when it is mixed in raw materials or products, the type must be identified quickly and accurately and a response corresponding to the type must be taken. For general bacteria and vegetative cells, the polymerase chain reaction (PCR) method can be used for rapid testing. However, in the case of spores, a strong outer shell structure makes it difficult to extract DNA and RNA efficiently. In addition, it is difficult to efficiently extract DNA and RNA from spore present in a small amount in a sample, and the PCR method is not very effective. In addition, examination methods such as immunostaining method based on antigen-antibody reaction, enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) method, flow cytometry (FCM) method are also conceivable. Such an inspection method has not been carried out because few antibodies are known to react with the above.
芽胞形成細菌は多様性に富んでおり、全ての芽胞に共通する抗原は知られていないため、抗原抗体反応に基づく検査法を開発するには、検出対象となる芽胞ごとに抗原を取得し、抗体を調製する必要がある。仮に、抗原の種類や性質が特定されない方法で抗体を取得する場合、可能な限り多くの候補試料から目的に合った反応性を持つ抗体を探し出す必要があるし、目的とする芽胞に反応する抗体が得られても、特異性が低く目的とした芽胞以外の細胞と反応する抗体では実用化できない。従って、抗原が特定されないまま抗体を作製しても、実用化までに多大な労力と費用を要しながらも目的芽胞の特異的検出法は開発できないことになる。さらに、特定された抗原でもそれを安定的に取得できない場合は、同じ反応性を示すポリクローナル抗体を安定して調製することが困難であり、実用化できない。 Since spore-forming bacteria are rich in diversity and antigens common to all spores are not known, to develop a test method based on an antigen-antibody reaction, obtain an antigen for each spore to be detected, Antibodies need to be prepared. If an antibody is obtained by a method in which the type and nature of the antigen are not specified, it is necessary to search for an antibody having reactivity suitable for the purpose from as many candidate samples as possible, and the antibody reacts with the target spore. Can not be put to practical use with antibodies that react with cells other than the desired spores because of their low specificity. Therefore, even if an antibody is produced without specifying an antigen, a specific method for detecting a target spore cannot be developed while requiring a great amount of labor and cost until practical use. Furthermore, if the specified antigen cannot be stably obtained, it is difficult to stably prepare a polyclonal antibody exhibiting the same reactivity and cannot be put into practical use.
重篤な健康被害をもたらす芽胞形成細菌として知られるバチルス・アンスラチス(Bacillus anthracis:炭疽菌)の芽胞の検出法については、先行技術が散見され、表面抗原として防御抗原(Protective Antigen:PA)が知られている。この抗原が細胞表面に存在することは既に開示されている(非特許文献1)が、該抗原存在部位の決定は様々な手法を用いたうえでの総合的判断としてなされており、その決定手法は簡便とは言いがたい。 Regarding the method of detecting spores of Bacillus anthracis (Bacillus anthracis), which is known as a spore-forming bacterium causing serious health damage, there are sporadic prior art techniques, and protective antigen (PA) is known as a surface antigen. It has been. Although it has already been disclosed that this antigen is present on the cell surface (Non-Patent Document 1), the determination of the site where the antigen is present has been made as a comprehensive judgment using various methods, and the determination method thereof. Is hard to say.
また、特許文献1及び2は、炭疽菌及びその芽胞に反応する抗体を作製し検出に用いているが、抗原物質が特定されない方法で抗体を取得しているため、同一菌種の菌株間における抗体の反応性の違いや、他の芽胞形成細菌に対する抗体の交叉反応性の有無を遺伝子の塩基配列から予測することができず、菌種あるいは菌株ごとに反応性試験が必要となる。従って、適用範囲を炭疽菌又は炭疽菌の特定菌株に限定した場合に有効な手段と考えられるが、他の芽胞形成細菌に対する検出法の開発に寄与しない。
Moreover, although
さらに、非特許文献2は、PAの抗原抗体アッセイを利用した2カラーFCM法について開示しており、この方法を用いてバチルス属細菌を判別するための表面抗原を探索中であることも述べられている。しかし、具体的な表面抗原の探索方法が示されていないため実施不可能であるだけでなく、その後、成功報告がなされていない。
Furthermore, Non-Patent
バチルス属細菌の芽胞は、内側から順に、コア(Core)、芽胞内膜(Inner spore membrane)、ジャームセルウォール(Germ cell wall)、コルテックス(Cortex)、芽胞外膜(Outer spore membrane)、芽胞殻(Spore Coat、スポアコート)で構成されている。このような基本構造は、ファーミキューテス門(Firmicutes)細菌のほとんど全ての芽胞に共通している。透過型電子顕微鏡を用いた芽胞薄切片の観察により、芽胞殻は大きく内外2つの構造体(インナーコートとアウターコート)に分けられ、それぞれが多層構造(多重殻構造)を持つと推定される。さらに、バチルス・セレウス(B. cereus)や炭疽菌では、芽胞殻の外側にエクソスポリウム(Exosporium)が存在する。エクソスポリウムは芽胞を覆う薄膜で、非定型の袋状構造体である。 The spore of the genus Bacillus is, in order from the inside, the core, the inner spore membrane, the germ cell wall, the cortex, the outer spore membrane, and the spore. It consists of a shell (Spore Coat). Such a basic structure is common to almost all spores of Firmicutes bacteria. By observation of thin sections of spores using a transmission electron microscope, the spore shell is roughly divided into two structures (inner coat and outer coat), each of which has a multilayer structure (multi-shell structure). Furthermore, in B. cereus and Bacillus anthracis, Exosporium exists outside the spore shell. Exosporium is a thin film that covers spores and is an atypical bag-like structure.
芽胞殻やエクソスポリウムはタンパク質などで構成されると考えられ、芽胞殻を構成するタンパク質はコートタンパク質(芽胞殻タンパク質)と呼ばれる。単一もしくは複数種類のコートタンパク質が芽胞の形状に沿って層状に集積し、芽胞を包むようにそれぞれの殻状構造体を形成すると推定されている。現在までに、主にバチルス・ズブチリス(Bacillus subtilis:枯草菌)を用いた研究によって、多種多様なコートタンパク質(芽胞殻タンパク質)が同定され、これらタンパク質の芽胞内での局在化、ネットワーク、芽胞形成における役割などの多くの研究がなされている。いくつかの実験データに基づき、上述のインナーコートとアウターコートは異なるタンパク質で構成されると考えられている。コートタンパク質(芽胞殻タンパク質)の多くは、当初、ドデシル硫酸ナトリウム−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)による分離とエドマン解析によって同定されていた。その後、枯草菌ゲノム解析の進展によって、新たな研究手法によって同定されるようになった。たとえば、本発明者らは先に非特許文献3で、枯草菌の芽胞をSDSとメルカプトエタノールで処理して得られたタンパク質試料をSDS-PAGEによって分離した後、質量分析計(LC-MS/MS)を用いた解析を行って含有タンパク質の種類を同定している。さらに、それぞれのタンパク質をコードする遺伝子の発現時期を解析し、芽胞殻に存在するタンパク質の種類を推定している。しかし、この時点では本発明に示すような芽胞表層に存在するタンパク質を特定するという発想や技術は得られていなかった。
The spore shell and exosporium are considered to be composed of proteins and the like, and the protein constituting the spore shell is called a coat protein (spore shell protein). It is presumed that single or plural types of coat proteins accumulate in layers along the shape of the spore and form each shell-like structure so as to wrap the spore. To date, research using mainly Bacillus subtilis (Bacillus subtilis) has identified a wide variety of coat proteins (spore shell proteins), localization of these proteins in the spore, network, spore Much research has been done on its role in formation. Based on some experimental data, it is believed that the inner coat and outer coat described above are composed of different proteins. Many of the coat proteins (spore shell proteins) were originally identified by separation by sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) and Edman analysis. Later, with the progress of Bacillus subtilis genome analysis, it was identified by a new research method. For example, the present inventors previously separated a protein sample obtained by treatment of Bacillus subtilis spores with SDS and mercaptoethanol by SDS-PAGE in Non-Patent
非特許文献4は、枯草菌の芽胞殻タンパク質を緑色蛍光タンパク質(GFP)で標識し芽胞内の局在部位を検討している。この論文の主目的は、研究対象としたタンパク質が芽胞殻に存在するか否かを知ることであり、それぞれのタンパク質の相対的な位置関係や芽胞表層タンパク質の存在ついては言及していない。
Non-Patent
非特許文献5は、抗CotA抗体を用いた枯草菌の芽胞表面タンパク質について原子間力顕微鏡を用いた新しい検出法を開示しているが、ネガティブコントロールを用いた対比実験データが付随されておらず信憑性に疑問がある。また、数少ない既存の抗体のうちから抗CotA抗体1種類のみを試験しており、その他の芽胞殻タンパク質に対する検討がなされていないため、抗CotA抗体を選択した妥当性が確認できず、該検出法は評価不能である。さらに、原子間力顕微鏡はデータ取得に長時間を要し日常検査に利用できるものではない。 Non-Patent Document 5 discloses a new detection method using an atomic force microscope for spore surface proteins of Bacillus subtilis using an anti-CotA antibody, but is not accompanied by comparison experiment data using a negative control. There is doubt about authenticity. In addition, only one type of anti-CotA antibody is tested from the few existing antibodies, and other spore shell proteins have not been studied. Therefore, the validity of selecting an anti-CotA antibody could not be confirmed. Cannot be evaluated. Furthermore, the atomic force microscope requires a long time for data acquisition and cannot be used for daily inspection.
非特許文献6は、抗CotB抗体を芽胞表層に存在するタンパク質と推定したうえで枯草菌の野生型芽胞と反応させ、FCM法で検出できたとする報告である。この報告ではネガティブコントロールを用いた対比実験データが開示されておらず信憑性に疑問がある。また、開示されたデータによれば、抗CotB抗体とCotBの反応性が弱く芽胞検出技術としての利用価値はほとんどない。 Non-Patent Document 6 is a report that the anti-CotB antibody was presumed to be a protein present in the spore surface, reacted with wild type spores of Bacillus subtilis, and detected by the FCM method. This report does not disclose comparison experiment data using a negative control, so there is doubt about its authenticity. Further, according to the disclosed data, the reactivity between the anti-CotB antibody and CotB is weak, and there is almost no utility value as a spore detection technique.
本発明者らも、非特許文献7によりフォアスポア(前芽胞)の蛍光顕微鏡観察において、GFPあるいは赤色蛍光タンパク質(RFP)で標識した芽胞殻タンパク質がフォアスポア(前芽胞)内に存在することを示した。このことにより、成熟芽胞における該タンパク質の局在部位を推定し、2種類の芽胞殻タンパク質の相対的な位置関係を把握することができるようになった。しかしながら、この時点でも、これらタンパク質の芽胞殻における絶対的位置決定法の想到には至らず、芽胞表層タンパク質を特定するに至らなかった。 According to Non-Patent Document 7, the present inventors have also shown that the spore shell protein labeled with GFP or red fluorescent protein (RFP) exists in the forespore (prespore) in the fluorescence microscope observation of the forspore (prespore). . As a result, the localization site of the protein in the mature spore can be estimated and the relative positional relationship between the two types of spore shell proteins can be grasped. However, even at this time, the absolute position determination method of these proteins in the spore shell has not been conceived, and the spore surface protein has not been specified.
上記いずれの報告も芽胞表層に存在するタンパク質について、推定、仮説を提供しているものの、証明に至ったものはなく、芽胞表層に存在するタンパク質は明らかでなかった。したがって、芽胞を精度よく検出できる方法又は手段を提供することは困難であった。 None of the above reports provide estimations or hypotheses about the proteins present on the spore surface, but none have been proved, and the proteins present on the spore surface were not clear. Therefore, it has been difficult to provide a method or means that can detect spores with high accuracy.
上記のとおり、芽胞殻が多種多様なタンパク質で構成されていることと、それらの一部が芽胞の表層に存在しうることは既知の事実として一般に受け入れられていた。 As described above, it has been generally accepted as a known fact that the spore shell is composed of a wide variety of proteins and that some of them may be present on the surface layer of the spore.
ところで、枯草菌は遺伝子組換えが容易な非病原性細菌であるため、芽胞殻タンパク質と任意の有用酵素を融合させることにより遺伝子組換えバイオリアクターとして利用したり、芽胞殻タンパク質と任意の病原微生物の抗原を融合させることにより遺伝子組換えワクチンとして用いる技術が試みられ、支持体には代表的な芽胞殻タンパク質が用いられている。しかし、支持体となる芽胞殻タンパク質の芽胞内での存在位置が明らかでなく、従って表層にあることは確認されておらず、その選択が最適か否かの裏付けは示されてこなかった。 By the way, Bacillus subtilis is a non-pathogenic bacterium that can be easily genetically modified, so it can be used as a genetically modified bioreactor by fusing spore shell protein and any useful enzyme, or spore shell protein and any pathogenic microorganism. A technique for use as a genetically modified vaccine is attempted by fusing these antigens, and a typical spore shell protein is used as a support. However, the position of the spore shell protein as a support in the spore is not clear, and therefore it has not been confirmed to be on the surface layer, and no evidence has been given as to whether the selection is optimal.
炭疽菌に対しては、病原性が極めて強いために抗体を用いた芽胞検出法が開発されその有用性が確かめられていたが、その他の芽胞形成細菌については検出用抗体の積極的な開発はなされなかった。一方で、これらほとんどの芽胞形成細菌はヒトや家畜に無害又は低病原性でありながら、強い抵抗性と長期休眠性を有することから、食品製造分野、医療衛生分野では問題細菌であり、解決されないまま現在に至っている。この分野においては、特定の芽胞を最適な抗体を用いて迅速かつ簡便に検出できる技術の開発が望まれている。 For Bacillus anthracis, spore detection methods using antibodies were developed because of their extremely strong pathogenicity, and their usefulness was confirmed, but for other spore-forming bacteria, active development of detection antibodies It wasn't done. On the other hand, most of these spore-forming bacteria are harmless to humans and livestock or have low pathogenicity, but have strong resistance and long-term dormancy. Remains as it is now. In this field, development of a technique capable of detecting a specific spore quickly and easily using an optimal antibody is desired.
上記のように、バイオリアクター、ワクチン製造分野、食品衛生分野、医療衛生分野などにおいて、支持体としての利用や抗体調製のための基礎技術として、成熟芽胞における芽胞殻タンパク質の位置を決定する技術の確立が望まれている。 As described above, in the bioreactor, vaccine production field, food hygiene field, medical hygiene field, etc., as a basic technology for use as a support or antibody preparation, a technique for determining the position of spore shell protein in mature spores Establishment is desired.
上記課題を解決するために鋭意検討した結果、本発明者らは、候補タンパク質を標識して芽胞形成細菌において発現させた場合に標識に基づいて特定される候補タンパク質が構成する殻の直径と、芽胞形成細菌の芽胞長とを比較し、その差に基づいて芽胞における候補タンパク質の位置を特定できることを見出した。また、本発明者らは、このように芽胞の表層に存在すると推定されたタンパク質に対する抗体が、実際に芽胞形成細菌と反応することを確認し、従って、このような芽胞表層に存在するタンパク質を利用して、芽胞形成細菌を検出などできることを見出した。本発明者らは、上記知見により本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have labeled the candidate protein and expressed the diameter in the shell formed by the candidate protein identified based on the label when expressed in the spore-forming bacteria, We compared the spore length of the spore-forming bacteria and found that the position of the candidate protein in the spore can be identified based on the difference. In addition, the present inventors have confirmed that the antibody against the protein presumed to be present on the surface layer of the spore actually reacts with the spore-forming bacteria. It has been found that spore-forming bacteria can be detected by using it. The present inventors have completed the present invention based on the above findings.
すなわち、本発明は次のとおりである。
[1]芽胞形成細菌において候補タンパク質が芽胞表層に存在するか否かを推定する方法であって、
(a)芽胞形成細菌の芽胞長を測定するステップ、
(b)候補タンパク質が構成する殻の直径を測定するステップ、
(c)上記芽胞長の直径を1とした場合の候補タンパク質が構成する殻の直径比を求め、1から該直径比を引いて2で除した値を該候補タンパク質の絶対的位置とし、絶対的位置が0.06以下であるときに該候補タンパク質が芽胞表層に存在すると推定するステップ
を含む方法。
[2]芽胞長が、芽胞の中心を通り両極を結んだ直線上の明度を光学顕微鏡を用いて評価した場合に観察像の明度の極小値間又は極大値間の距離として得られる、[1]に記載の方法。
[3]候補タンパク質が構成する殻の直径が、芽胞における形状と存在位置を保ったまま標識された該候補タンパク質について顕微鏡を用いて標識シグナルを評価した場合に、得られる像の標識シグナル極大値間の距離として得られる、[1]又は[2]に記載の方法。[4]標識が蛍光タンパク質である、[3]に記載の方法。
[5]ステップ(c)において芽胞表層に存在すると推定された候補タンパク質について、免疫染色法により該候補タンパク質が芽胞表層に存在することを検証するステップをさらに含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[6]芽胞形成細菌が、バチルス属に属する細菌、クロストリジウム属に属する細菌、スポロラクトバチルス属に属する細菌、ゲオバチルス属に属する細菌、サーモアネロバクター属に属する細菌、サーモアネロバクテリウム属に属する細菌、デスルフォトマキュラム属に属する細菌、モーレラ属に属する細菌、アリシクロバチルス属に属する細菌及びリシニバチルス属に属する細菌から選択される、[1]〜[5]のいずれかに記載の方法。
[7]芽胞形成細菌がバチルス・ズブチリスである、[6]に記載の方法。
That is, the present invention is as follows.
[1] A method for estimating whether or not a candidate protein is present on a spore surface in a spore-forming bacterium,
(A) measuring the spore length of spore-forming bacteria;
(B) measuring a diameter of a shell formed by the candidate protein;
(C) The ratio of the diameter of the shell formed by the candidate protein when the diameter of the spore is 1 is obtained, and the value obtained by subtracting the diameter ratio from 1 and dividing by 2 is defined as the absolute position of the candidate protein. Estimating the candidate protein in the spore surface when the target position is 0.06 or less.
[2] The spore length is obtained as the distance between the minimum or maximum values of the brightness of the observed image when the brightness on a straight line passing through the center of the spore and connecting the two poles is evaluated using an optical microscope. ] Method.
[3] The maximum value of the labeled signal of the image obtained when the diameter of the shell constituted by the candidate protein is evaluated using a microscope for the candidate protein labeled while maintaining the shape and location of the spore. The method according to [1] or [2], obtained as a distance between. [4] The method according to [3], wherein the label is a fluorescent protein.
[5] For the candidate protein presumed to be present on the spore surface in step (c), the method further comprises a step of verifying that the candidate protein is present on the spore surface by immunostaining. The method according to any one.
[6] A spore-forming bacterium belongs to the genus Bacillus, the bacterium belonging to the genus Clostridium, the bacterium belonging to the genus Sporolactobacillus, the bacterium belonging to the genus Geobacillus, the bacterium belonging to the genus Thermonerobacter, or the genus Thermonerobacterium The method according to any one of [1] to [5], which is selected from bacteria, bacteria belonging to the genus desulphotomacrum, bacteria belonging to the genus Morella, bacteria belonging to the genus Alicyclobacillus, and bacteria belonging to the genus Ricinibacillus .
[7] The method according to [6], wherein the spore-forming bacterium is Bacillus subtilis.
本発明は、芽胞形成細菌の芽胞表層に存在するタンパク質を効率的かつ確実に探索するための技術を提供する。本発明はまた、この技術を基礎とした芽胞検出法の開発と改良、芽胞の除去法、及び芽胞を用いた医薬品製造等の応用技術の開発に寄与する。従って、本発明により提供される芽胞形成細菌の検出法と除去法は、食品飲料や医薬品の製造分野における衛生管理や、細菌の基礎研究技術に有用である。また、芽胞表層タンパク質の同定は、細菌の応用技術分野における遺伝子組換えワクチン開発や遺伝子組換えバイオリアクターの開発や改良に貢献できる。 The present invention provides a technique for efficiently and reliably searching for proteins present in the spore surface of spore-forming bacteria. The present invention also contributes to the development and improvement of a spore detection method based on this technology, the removal method of spores, and the development of applied technologies such as pharmaceutical production using spores. Therefore, the method for detecting and removing spore-forming bacteria provided by the present invention is useful for hygiene management in the field of production of food and beverages and pharmaceuticals, and basic research techniques for bacteria. In addition, the identification of spore surface proteins can contribute to the development of genetically modified vaccines and the development and improvement of genetically modified bioreactors in the field of bacterial applied technology.
以下、本発明を詳細に説明する。
1.芽胞表層に存在するタンパク質の推定
本発明は、芽胞形成細菌においてタンパク質が芽胞表層に存在するか否かを推定する方法に関する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
1. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for estimating whether or not a protein is present on a spore surface in a spore-forming bacterium.
本発明に係る方法において使用する芽胞形成細菌とは、細菌芽胞(spore)を形成する細菌であって、有芽胞菌とも呼ばれる細菌を指す。芽胞形成細菌としては、限定されるものではないが、バチルス属に属する細菌、例えば炭疽菌(Bacillus anthracis)、枯草菌(Bacillus subtilis)、セレウス菌(Bacillus cereus)、バチルス・チューリンゲンシス(Bacillus thuringiensis)、バチルス・ブレビス(Bacillus brevis)、バチルス・コアグランス(Bacillus coagulans)、バチルス・アミロリケファシエンス(Bacillus amyloliquefaciens)、バチルス・プミリス(Bacillus pumilis)、バチルス・リケニフォルミス(Bacillus licheniformis)、バチルス・コアフイレンシス(Bacillus coahuilensis);クロストリジウム属に属する細菌、例えば破傷風菌(Clostridium tetani)、ボツリヌス菌(Clostridium botulinum)、ウェルシュ菌(Clostridium perfringens);スポロラクトバチルス属に属する細菌、例えばスポロラクトバチルス・イヌリナス(Sporolactobacillus inulinus;ゲオバチルス属に属する細菌、例えばゲオバチルス・ステアロサーモフィルス(Geobacillus stearothermophilus);サーモアネロバクター属に属する細菌、例えばサーモアネロバクター・マスラニイ(Thermoanaerobacter mathranii)、サーモアネロバクター・アセトエチリカス(Thermoanaerobacter acetoethylicus)、サーモアネロバクター・ブロキイsubsp.ブロキイ(Thermoanaerobacter brockii subsp. brockii)、サーモアネロバクター・ブロキイsubsp.フィンニ(Thermoanaerobacter brockii subsp. finni)、サーモアネロバクター・ブロキイsubsp.ラクチエチリカス(Thermoanaerobacter brockii subsp. lactiethylicus)、サーモアネロバクター・セルロリティカス(Thermoanaerobacter cellulolyticus)、サーモアネロバクター・エタノリカス(Thermoanaerobacter ethanolicus)、サーモアネロバクター・イタリカス(Thermoanaerobacter italicus)、サーモアネロバクター・キブイ(Thermoanaerobacter kivui)、サーモアネロバクター・シデロフィラス(Thermoanaerobacter siderophilus)、サーモアネロバクター・スルフロフィラス(Thermoanaerobacter sulfurophilus)、サーモアネロバクター・サーモコプリエ(Thermoanaerobacter thermocopriae)、サーモアネロバクター・サーモヒドロスルフリカス(Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus)、サーモアネロバクター・ウィエジェリイ(Thermoanaerobacter wiegelii);サーモアネロバクテリウム属に属する細菌、例えばサーモアネロバクテリウム・サーモサッカロリティカム(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum)、サーモアネロバクテリウム・アシジトレランス(Thermoanaerobacterium aciditolerans)、サーモアネロバクテリウム・アオテアロエンス(Thermoanaerobacterium aotearoense)、サーモアネロバクテリウム・ポリサッカロリティカム(Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum)、サーモアネロバクテリウム・サッカロリティカム(Thermoanaerobacterium saccharolyticum)、サーモアネロバクテリウム・サーモスルフリゲネス(Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes)、サーモアネロバクテリウム・キシラノリティカム(Thermoanaerobacterium xylanolyticum)、サーモアネロバクテリウム・ゼアエ(Thermoanaerobacterium zeae);モーレラ属に属する細菌、例えばモーレラ・サーモアセティカ(Moorella thermoacetica)、モーレラ・グリセリニ(Moorella glycerini)、モーレラ・ムルデリ(Moorella mulderi)、モーレラ・サーモオートトロフィカ(Moorella thermoautotrophica);アリシクロバチルス属に属する細菌、例えばアリシクロバチルス・アシドテレストリス(Alicyclobacillus acidoterrestris);デスルフォトマキュラム属に属する細菌、例えばデスルフォトマキュラム・ニグリフィカンス(Desulfotomaculum nigrificans)、デスルファトマキュラム・サーモアセトキシダンス(Desulfotomaculum thermoacetoxidans)、デスルファトマキュラム・サーモベンゾイカムsubsp.サーモベンゾイカム(Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. thermobenzoicum)、デスルファトマキュラム・サーモベンゾイカムsubsp.サーモシントロフィカム(Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. thermosyntrophicum)、デスルファトマキュラム・サーモシステルナム(Desulfotomaculum thermocisternum)、デスルファトマキュラム・サーモサポボランス(Desulfotomaculum thermosapovorans)、デスルファトマキュラム・サーモサブテラネウム(Desulfotomaculum thermosubterraneum);リシニバチルス属に属する細菌、例えばリシニバチルス・スフェリカス(Lysinibacillus sphaericus)が挙げられる。なお、当業者には周知であるとおり、上記例示した細菌名及び分類は将来的に変更される可能性もある。 The spore-forming bacterium used in the method according to the present invention refers to a bacterium that forms a bacterial spore and is also called a spore bacterium. Spore-forming bacteria include, but are not limited to, bacteria belonging to the genus Bacillus, such as Bacillus anthracis, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Bacillus thuringiensis Bacillus brevis, Bacillus coagulans, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus pumilis, Bacillus licheniformlen, Bacillus licheniformis, coillus ); Bacteria belonging to the genus Clostridium, such as Clostridium tetani, Clostridium botulinum, Clostridium perfringens; bacteria belonging to the genus Sporolactocillus, such as Sporola Bacteria belonging to the genus Geobacillus, for example, Geobacillus stearothermophilus; Bacteria belonging to the genus Thermonerobacter, for example, Thermoanaerobacter mathranii, Thermoneerobacter aceto erobic Thermonererobacter brockii subsp. Brockii, Thermoanaerobacter brockii subsp. Finni, Thermonererobacter brockii subsp. Thermoanaerobacter cellulolyticus, Thermoanaerobacter ethanolicus, Thermonererobacter itacus Cass (Thermoanaerobacter italicus), Thermoanaerobacter kivui, Thermoanaerobacter siderophilus, Thermoanaerobacter sulfurophile (Thermoanaerobacter sulfurophile) Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus, Thermoanaerobacter wiegelii; bacteria belonging to the genus Thermonerobacterium, such as Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Thermonerobacterium thermosaccharolyticum Acidi Tolerance (Thermoanaerobacterium aciditolerans), Thermoanaerobacterium aotearoens (Thermoanaerobacter ium aotearoense), Thermoanaerobacterium polysaccharolyticum, Thermoanaerobacterium saccharolyticum, Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes, Thermonererobacterium thermosulfurigenes・ Xylanolyticum, Thermoanaerobacterium zeae; bacteria belonging to the genus Morella, such as Moorella thermoacetica, Moorella glycerini, Moorella ella mulderi), Moorella thermoautotrophica; bacteria belonging to the genus Alicyclobacillus, eg Alicyclobacillus acid telestris (Alicyc) lobacillus acidoterrestris); bacteria belonging to the genus Desulfotomaculum, such as Desulfotomaculum nigrificans, Desulfotomaculum thermoacetoxidans, Desulfotomaculum thermoacetoxidans, subsp. Thermobenzoicum (Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. Thermobenzoicum), Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. Thermosyntrophicum, Desulfotomaculum thermobenzoicum subsp. Thermobenzoicum, Desulfotomaculum thermocisternum, Desulfotomaculum thermocisternum -Thermosapovorans (Desulfotomaculum thermosapovorans), Desulfotomaculum thermosubterraneum; Bacteria belonging to the genus Ricinibacillus, Rishinibachirusu sphaericus (Lysinibacillus sphaericus) and the like if example. As is well known to those skilled in the art, the names and classifications of the bacteria exemplified above may be changed in the future.
本発明においては、上述した芽胞形成細菌であれば、任意の種及び株のものを用いることができる。芽胞形成細菌の生活環の過程で芽胞構造や構成タンパク質が変化する可能性があることから、本方法に供される芽胞形成細菌は表層構造が完成した成熟芽胞(休眠芽胞)であることが好ましい。成熟芽胞(休眠芽胞)とは、芽胞形成細菌の母細胞内に存在するプレスポアやフォアスポアでなく、発芽芽胞でない状態の芽胞を指す。成熟芽胞は、発芽や人為的処理(酸、アルカリ、有機溶媒、界面活性剤などでの処理)により芽胞の構造が損なわれていないことが望ましい。 In the present invention, any species and strain can be used as long as they are the spore-forming bacteria described above. Since the spore structure and constituent proteins may change during the life cycle of the spore-forming bacterium, the spore-forming bacterium used in the present method is preferably a mature spore having a surface layer structure (dormant spore). . The mature spores (dormant spores) refer to spores that are not germinating spores and are not prespores or forespores present in the mother cells of spore-forming bacteria. It is desirable that the mature spore is not damaged by germination or artificial treatment (treatment with acid, alkali, organic solvent, surfactant, etc.).
芽胞形成(好ましくは成熟芽胞形成)のための細菌培養方法は公知であり、特に限定されるものではない。例えば、細菌の培養に通常用いられる培地を使用して、適当な条件下で培養することにより調製することができる。具体的には、炭素源(ラクトース、グルコース、スクロース、フラクトース、ガラクトース、廃糖蜜など)、窒素源(ペプトン、カゼインの加水分解物、ホエータンパク質加水分解物、大豆タンパク質加水分解物等の有機窒素含有物)、無機塩類(リン酸塩、ナトリウム、カリウム、マグネシウムなど)を含有し、芽胞形成細菌の培養を効率的に行うことができる培地(天然培地又は合成培地、液体培地又は固体培地のいずれも使用可能)を選択することができる。また芽胞形成細菌の培養は、20℃〜70℃、好ましくは30℃から60℃において、好気条件下又は嫌気性条件下で行う。培養の形式は、静置培養、振とう培養、タンク培養などである。また、培養時間は12時間〜20日、好ましくは12時間〜10日とすることができる。培養開始時の培地のpHは5〜9、好ましくは6〜8に維持することが好ましい。当業者であれば、使用する芽胞形成細菌の種類に応じて、適当な培養条件を選択することができる。 Bacterial culture methods for spore formation (preferably mature spore formation) are known and not particularly limited. For example, it can be prepared by culturing under appropriate conditions using a medium usually used for culturing bacteria. Specifically, carbon sources (lactose, glucose, sucrose, fructose, galactose, waste molasses, etc.), nitrogen sources (peptone, casein hydrolyzate, whey protein hydrolysate, soy protein hydrolyzate, etc.) Product), inorganic salts (phosphate, sodium, potassium, magnesium, etc.) and any medium that can efficiently culture spore-forming bacteria (natural medium or synthetic medium, liquid medium or solid medium) Available). The spore-forming bacteria are cultured at 20 ° C. to 70 ° C., preferably 30 ° C. to 60 ° C. under aerobic conditions or anaerobic conditions. The culture format is stationary culture, shake culture, tank culture, or the like. The culture time can be 12 hours to 20 days, preferably 12 hours to 10 days. It is preferable to maintain the pH of the medium at the start of the culture at 5 to 9, preferably 6 to 8. A person skilled in the art can select appropriate culture conditions according to the type of spore-forming bacteria to be used.
細菌芽胞は、高い耐久性(耐熱性、耐圧性、耐薬品性)を有し、その構造の模式図を図1に示す。詳細な構造は細菌種によって異なるが、細菌芽胞は一般的には、内側から順に、コア、コルテックス、芽胞殻(スポアコート)で構成されている。芽胞殻はさらに内外2層に分けられ、2層それぞれが多層構造を持つことが示されている。さらに、セレウス菌や炭疽菌では、芽胞殻の外側に、芽胞を覆う薄膜の非定型の袋状構造体であるエクソスポリウムが存在する。 Bacterial spores have high durability (heat resistance, pressure resistance, chemical resistance), and a schematic diagram of the structure is shown in FIG. Although the detailed structure differs depending on the bacterial species, the bacterial spore is generally composed of a core, a cortex, and a spore coat (spoor coat) in order from the inside. The spore shell is further divided into two layers, the inner and outer layers, each of which has been shown to have a multilayer structure. Furthermore, in Bacillus cereus and Bacillus anthracis, exosporium, which is a thin, atypical bag-like structure covering the spores, exists outside the spore shell.
本発明においては、評価対象となる候補タンパク質が細菌芽胞の表層に存在するか否かを推定する。「表層」とは、芽胞周縁に形成されるタンパク質などから構成される層であり、芽胞が外界と接する領域である。芽胞表層の構造や構成因子の詳細は明らかにされていないが、水やイオン、アミノ酸、単糖などの低分子を透過させ、タンパク質などの高分子を透過させないと考えられる。また表層とは、例えば表層に存在するタンパク質に対する抗体を芽胞形成細菌と反応させた場合に、表層に存在するタンパク質が該抗体と結合することができるような層を意味する。 In the present invention, it is estimated whether or not the candidate protein to be evaluated exists on the surface layer of the bacterial spore. The “surface layer” is a layer composed of proteins or the like formed at the periphery of the spore and is a region where the spore is in contact with the outside world. Although details of the structure and constituent factors of the spore surface layer have not been clarified, it is considered that low molecules such as water, ions, amino acids, and monosaccharides permeate, and that macromolecules such as proteins do not. The surface layer means a layer that allows a protein present on the surface layer to bind to the antibody when an antibody against the protein present on the surface layer is reacted with a spore-forming bacterium, for example.
本発明の方法では、具体的には、(a)芽胞形成細菌の芽胞長を測定するステップと、(b)候補タンパク質が構成する殻の直径を測定するステップを行う。このステップ(a)及び(b)は、同時に行ってもよいし、又は前後して行ってもよく、その順序は特に限定されるものではない。好ましくは、ステップ(a)を先に行い、ステップ(b)を後に行う。 In the method of the present invention, specifically, (a) a step of measuring the spore length of spore-forming bacteria, and (b) a step of measuring the diameter of the shell formed by the candidate protein are performed. These steps (a) and (b) may be performed simultaneously or before and after, and the order thereof is not particularly limited. Preferably, step (a) is performed first and step (b) is performed later.
候補タンパク質1種類を評価するにあたり、測定に供する芽胞形成細菌の数は限定されないが、多いほど精度向上が期待できる。したがって、上記ステップに供する芽胞の数は、1以上、好ましくは2以上、例えば20〜100、好ましくは40〜60程度とする。 When evaluating one type of candidate protein, the number of spore-forming bacteria to be subjected to the measurement is not limited, but an increase in accuracy can be expected as the number increases. Therefore, the number of spores to be subjected to the above step is 1 or more, preferably 2 or more, for example, 20 to 100, preferably about 40 to 60.
ステップ(a)における「芽胞長」とは、芽胞の直径を意味する。芽胞形成細菌の中には楕円形態のものも含まれ、そのため、直径を規定する直線はいずれの方向に設定してもよいが、両極を結ぶ点(すなわち芽胞の長軸方向の端から端まで)で、かつ芽胞の中心を通るよう設定することが好ましい。測定距離を長くとった方が、芽胞周縁と候補タンパク質が構成する殻の位置関係がよりはっきりと識別できるからである。また、複数の芽胞を測定する場合に、測定方向が常に一定となるために芽胞間の誤差が少なく精度が向上するためである。従って、「芽胞長」とは、好ましくは、芽胞周縁の長軸方向の末端を極と定義した場合、芽胞の中心を通り両極を結んだ直線の距離を指し、図2においてa-bで表される。 The “spore length” in step (a) means the diameter of the spore. Some of the spore-forming bacteria include an oval shape, so the straight line that defines the diameter may be set in any direction, but the point connecting the two poles (ie, from end to end in the long axis direction of the spore) ) And through the center of the spore. This is because the longer the measurement distance, the more clearly the positional relationship between the spore periphery and the shell formed by the candidate protein can be identified. In addition, when measuring a plurality of spores, the measurement direction is always constant, so there is less error between spores and the accuracy is improved. Accordingly, the “spore length” preferably refers to a distance of a straight line passing through the center of the spore and connecting the two poles when the long-axis end of the spore periphery is defined as a pole, and is represented by ab in FIG. .
芽胞長は、上述のように芽胞の中心を通り両極を結んだ直線の距離を測定することができる任意の方法を利用して測定することができる。例えば、光学顕微鏡による観察によって芽胞長を測定することができる。好ましくは、位相差装置、対物レンズ、カメラアダプタレンズ、CCDカメラなどを装着した光学顕微鏡により観察を行い、位相差像を取得する。なお、位相差像に代えて、適当な染色を施した芽胞を用いて光学顕微鏡により得られる検鏡像、又は微分干渉顕微鏡による検鏡像も位相差像と同じ目的(芽胞周縁の特定)に用いることができる。 The spore length can be measured using any method that can measure the distance of a straight line that passes through the center of the spore and connects the two poles as described above. For example, the spore length can be measured by observation with an optical microscope. Preferably, observation is performed with an optical microscope equipped with a phase difference device, an objective lens, a camera adapter lens, a CCD camera, and the like to obtain a phase difference image. In place of the phase contrast image, a microscopic image obtained by an optical microscope using a spore that has been appropriately stained, or a microscopic image obtained by a differential interference microscope should also be used for the same purpose as the phase contrast image (specific identification of the spore periphery). Can do.
位相差顕微鏡により観察する場合、対物レンズは一般的に用いられる位相差顕微鏡用の100倍油浸レンズが使用できるが、正確なデータを得るためには光学性能の優れたものが望ましい。カメラアダプタレンズは、使用するCCDカメラの種類により限定される。CCDカメラは、白黒撮影用でもカラー撮影用でもよいが、より高感度で画素数の多いものが望ましい。芽胞の大きさは一般的に1〜数マイクロメートル程度であることから、対物レンズとカメラアダプタレンズの組合せによって、CCDカメラの1画素当たりに投影される被写体の面積が64.5nm(ナノメートル)以下になることが望ましい。 When observing with a phase contrast microscope, the objective lens can be a commonly used 100 × oil immersion lens for phase contrast microscopes, but in order to obtain accurate data, an objective lens with excellent optical performance is desirable. Camera adapter lenses are limited by the type of CCD camera used. The CCD camera may be used for black-and-white photography or color photography, but a camera with higher sensitivity and a larger number of pixels is desirable. Since the size of the spore is generally about 1 to several micrometers, the area of the object projected per pixel of the CCD camera can be less than 64.5nm (nanometer) by combining the objective lens and camera adapter lens. It is desirable to become.
位相差像(ポジティブコントラスト)では、フォアスポアや母細胞から遊離した芽胞の本体は明部として観察され、栄養細胞やプレスポアは暗黒色に観察されるため、栄養細胞やプレスポアはフォアスポアや芽胞と識別できる。さらに、芽胞は輪郭が暗部として観察されるため暗部の観察されないフォアスポアと区別される。 In the phase contrast image (positive contrast), the body of the spores released from the forespores and mother cells are observed as bright parts, and the vegetative cells and prespores are observed in dark black, so that the vegetative cells and prespores can be distinguished from the forespores and spores. . Furthermore, since the spore is observed as a dark part, the spore is distinguished from the forespore where the dark part is not observed.
位相差顕微鏡では、通常光を照射することにより位相差像が得られる。これを撮影し、画像データとして取り込み、画像解析ソフトを用いてその濃淡を計算することが好ましい。位相差像において、芽胞の輪郭の最も暗い部分を芽胞周縁とみなすことができる(例えば、図3のB)。従って、芽胞長は、芽胞の中心を通り両極を結んだ直線上の明度を光学顕微鏡を用いて評価した場合に観察像の明度の極小値間の距離、又は場合によっては極大値間の距離として得られる(例えば、図3のEにおけるa、b間の長さ)。 In a phase contrast microscope, a phase contrast image is obtained by irradiating normal light. It is preferable to photograph this, capture it as image data, and calculate the shading using image analysis software. In the phase contrast image, the darkest part of the spore outline can be regarded as the spore periphery (for example, B in FIG. 3). Therefore, the spore length is the distance between the minimum values of the brightness of the observed image, or in some cases the distance between the maximum values when the lightness on a straight line passing through the center of the spore and connecting the two poles is evaluated using an optical microscope. Obtained (for example, the length between a and b in E of FIG. 3).
ステップ(b)における「タンパク質が構成する殻」(本明細書中、「タンパク質殻」ともいう)とは、芽胞における候補タンパク質が存在する位置又は領域を表すものとし、模式的に図2の内側の楕円として示される。「タンパク質が構成する殻の直径」とは、タンパク質殻の長軸方向の両端を、芽胞の中心を通って結んだ直線の距離を指し、図2においてc-dで表される。 The “shell formed by the protein” (also referred to as “protein shell” in the present specification) in step (b) represents a position or region in the spore where the candidate protein exists, and is schematically illustrated in FIG. Shown as an ellipse. “The diameter of the shell formed by the protein” refers to the distance of a straight line connecting both ends of the long axis direction of the protein shell through the center of the spore, and is represented by cd in FIG.
存在位置を検討するタンパク質(候補タンパク質)は、従来の知見を考慮して選択する。例えば枯草菌であれば、芽胞殻タンパク質を検討対象とし、例えばセレウス菌であれば、エクソスポリウム構成タンパク質又は芽胞殻タンパク質を検討対象とする。なお、芽胞殻とエクソスポリウムに含まれるタンパク質が厳密に異なるのか、又は共通性があるのかは、現在のところ確認されていない。そのような芽胞殻タンパク質及びエクソスポリウム構成タンパク質としては、例えば非特許文献3〜7に記載されているものが挙げられる。 Proteins (candidate proteins) whose location is to be examined are selected in consideration of conventional knowledge. For example, if it is Bacillus subtilis, the spore shell protein will be considered, and if it is, for example, Bacillus cereus, the exosporium constituent protein or spore shell protein will be considered. It has not been confirmed at present whether the proteins contained in the spore shell and exosporium are strictly different or in common. Examples of such spore shell proteins and exosporium constituent proteins include those described in Non-Patent Documents 3-7.
候補タンパク質が構成する殻(タンパク質殻)の直径は、上述のようにタンパク質殻の長軸方向の両端を、芽胞の中心を通って結んだ直線の距離を測定することができる方法を利用して測定することができる。例えば、芽胞における候補タンパク質を、芽胞の構造及び該タンパク質の位置を維持したまま標識し、その標識のシグナルに基づいて芽胞におけるタンパク質の位置を特定することによって、そのタンパク質殻の直径を測定することができる。そのような標識としては、候補タンパク質を特異的に標識することができ、芽胞内における候補タンパク質の位置を可視化することができるものが好ましい。例えば検出可能な標識シグナル(光シグナルなど)を生成する標識を使用することができ、例えば蛍光タンパク質(例:緑色蛍光タンパク質(GFP)、赤色蛍光タンパク質(RFP)、シアン蛍光タンパク質(CFP)、黄色蛍光タンパク質(YFP)など)、化学発光タンパク質などを用いることができる。標識は、候補タンパク質に直接的に結合してもよいし、又は標識と特異的に結合する物質を介して間接的に結合してもよい。本発明においては、芽胞を破壊せず構造を維持したまま、候補タンパク質を標識し、正確な局在部位を特定することができる点で、直接的な結合が好ましい。 The diameter of the shell of the candidate protein (protein shell) can be determined by using a method that can measure the distance of the straight line connecting the long ends of the protein shell through the center of the spore as described above. Can be measured. For example, measuring the diameter of the protein shell by labeling a candidate protein in the spore while maintaining the structure of the spore and the position of the protein, and locating the protein in the spore based on the signal of the label Can do. Such a label is preferably one that can specifically label the candidate protein and can visualize the position of the candidate protein in the spore. For example, a label that produces a detectable label signal (such as a light signal) can be used, such as a fluorescent protein (eg, green fluorescent protein (GFP), red fluorescent protein (RFP), cyan fluorescent protein (CFP), yellow Fluorescent protein (YFP) etc.), chemiluminescent protein, etc. can be used. The label may be bound directly to the candidate protein or indirectly through a substance that specifically binds to the label. In the present invention, direct binding is preferable in that a candidate protein can be labeled and an accurate localization site can be specified while maintaining the structure without destroying the spore.
候補タンパク質と標識との結合は、当技術分野で公知の方法により行うことができる。例えば、芽胞形成細菌において候補タンパク質を標識との融合タンパク質として発現させる手法を利用する。標識として蛍光タンパク質を用いる場合を例として以下に説明する。ただし、本発明においては、蛍光タンパク質の場合と同様に他の標識を使用することが可能である。 The candidate protein and the label can be bound by a method known in the art. For example, a technique for expressing a candidate protein as a fusion protein with a label in spore-forming bacteria is used. The case where a fluorescent protein is used as a label will be described below as an example. However, in the present invention, other labels can be used as in the case of fluorescent proteins.
融合タンパク質として使用する蛍光タンパク質は、特に限定されるものではなく、蛍光タンパク質としてベクター系が供給されているGFP、RFP、CFP、YFPなどを使用することができる。芽胞形成細菌内で候補タンパク質と蛍光タンパク質との融合タンパク質を発現させるためには、蛍光タンパク質の遺伝子が芽胞形成細菌のコドン使用頻度に適合していることが好ましい。また、芽胞形成細菌内における生産性が確認されていることと、芽胞タンパク質研究に対する使用実績があることが望ましい。これらの観点から、芽胞形成細菌、例えばバチルス属細菌、特に枯草菌においては、RFP又はGFPを用いることが好ましく、GFPを用いることがさらに好ましい。 The fluorescent protein used as the fusion protein is not particularly limited, and GFP, RFP, CFP, YFP, etc. for which a vector system is supplied as the fluorescent protein can be used. In order to express a fusion protein of a candidate protein and a fluorescent protein in spore-forming bacteria, it is preferable that the gene of the fluorescent protein is compatible with the codon usage of the spore-forming bacteria. In addition, it is desirable that productivity in spore-forming bacteria has been confirmed and that it has been used for spore protein research. From these viewpoints, it is preferable to use RFP or GFP, and more preferable to use GFP in spore-forming bacteria such as Bacillus bacteria, particularly Bacillus subtilis.
候補タンパク質と蛍光タンパク質との融合方法は限定されず、遺伝子組換え手法を用いた任意の方法を利用することができる。そのような方法は、例えばMolecular Cloning(Sambrookら編(1989) Cold Spring Harbor Lab. Press, New York)等の文献に記載されている。具体的には、蛍光タンパク質をコードするDNAを相同組換えにより芽胞形成細菌に導入し、候補タンパク質と蛍光タンパク質とを融合タンパク質として発現させる方法や、候補タンパク質をコードするDNAと蛍光タンパク質をコードするDNAとを融合させた状態で、相同組換えにより芽胞形成細菌に導入し、候補タンパク質と蛍光タンパク質とを融合タンパク質として発現させる方法を用いることができる。 The method for fusing the candidate protein and the fluorescent protein is not limited, and any method using a gene recombination technique can be used. Such a method is described in documents such as Molecular Cloning (edited by Sambrook et al. (1989) Cold Spring Harbor Lab. Press, New York). Specifically, DNA encoding a fluorescent protein is introduced into a spore-forming bacterium by homologous recombination and the candidate protein and the fluorescent protein are expressed as a fusion protein, or the DNA encoding the candidate protein and the fluorescent protein are encoded. A method in which a candidate protein and a fluorescent protein are expressed as a fusion protein after being introduced into a spore-forming bacterium by homologous recombination in a state where the DNA is fused can be used.
候補タンパク質をコードするDNA及び蛍光タンパク質をコードするDNAの調製は、当技術分野で周知の任意の手法を採用することができる。例えば、候補タンパク質をコードするDNAを供与源(例えば芽胞形成細菌)から単離する場合には、グアニジンイソチオシアネート法により調製されたRNAからcDNAを合成する方法により調製することができる。また、PCRによりゲノムDNAを鋳型として増幅することにより調製することも可能である。蛍光タンパク質については、市販の又は公知のベクター系を利用することができる(例えば、pGFG7cプラスミドなど)。このようにして得た候補タンパク質をコードするDNA及び蛍光タンパク質をコードするDNAは、目的によりそのまま、又は所望により制限酵素で消化したり、リンカーを付加することにより使用することができる。 Arbitrary methods well-known in this technical field can be adopted for the preparation of the DNA encoding the candidate protein and the DNA encoding the fluorescent protein. For example, when DNA encoding a candidate protein is isolated from a source (eg, a spore-forming bacterium), it can be prepared by a method of synthesizing cDNA from RNA prepared by the guanidine isothiocyanate method. It can also be prepared by amplifying genomic DNA as a template by PCR. For fluorescent proteins, commercially available or known vector systems can be used (eg, pGFG7c plasmid, etc.). The DNA encoding the candidate protein and the DNA encoding the fluorescent protein thus obtained can be used as they are depending on the purpose, or digested with a restriction enzyme or added with a linker as desired.
続いて、蛍光タンパク質をコードするDNAを、芽胞形成細菌ゲノムの候補タンパク質遺伝子と融合するように導入するか、あるいは蛍光タンパク質をコードするDNAを候補タンパク質をコードするDNAと融合し、融合物を芽胞形成細菌ゲノムの候補タンパク質遺伝子と置換する。そのようなDNAの導入は、当技術分野で公知のあらゆる手法を用いて行うことができる。例えば、組換えベクターを用いて目的のDNAを宿主(芽胞形成細菌)のゲノムに導入することができる。組換えベクターは、適当なベクターに目的のDNAを連結(挿入)することにより得ることができる。目的DNAを挿入するためのベクターは、宿主中のゲノムに組み込み可能なものであれば特に限定されず、例えば、プラスミドDNA、バクテリオファージDNA、レトロトランスポゾンDNAなどが挙げられる。 Subsequently, the DNA encoding the fluorescent protein is introduced so as to be fused with the candidate protein gene of the spore-forming bacterial genome, or the DNA encoding the fluorescent protein is fused with the DNA encoding the candidate protein, and the fusion product is then sporulated. Replace with a candidate protein gene in the forming bacterial genome. Such introduction of DNA can be performed using any technique known in the art. For example, the target DNA can be introduced into the genome of a host (spore-forming bacterium) using a recombinant vector. A recombinant vector can be obtained by ligating (inserting) the target DNA into an appropriate vector. The vector for inserting the target DNA is not particularly limited as long as it can be integrated into the genome of the host, and examples thereof include plasmid DNA, bacteriophage DNA, and retrotransposon DNA.
プラスミドDNAとしては、例えば大腸菌由来のプラスミド(pRFP3KPプラスミド、pUC系プラスミド、pBluescript、ColE系プラスミド、p15A系プラスミド等)、枯草菌由来のプラスミド(例えばpUB110、pTP5等)などが挙げられ、ファージDNAとしてはλファージ(Charon4A、Charon21A、EMBL3、EMBL4、λgt10、λgt11、λZAP)、φX174、M13系ファージベクターなどが挙げられる。レトロトランスポゾンとしては、Ty因子などが挙げられる。 Examples of plasmid DNA include plasmids derived from Escherichia coli (pRFP3KP plasmid, pUC plasmid, pBluescript, ColE plasmid, p15A plasmid, etc.), plasmids derived from Bacillus subtilis (eg, pUB110, pTP5, etc.), and phage DNA Λ phage (Charon4A, Charon21A, EMBL3, EMBL4, λgt10, λgt11, λZAP), φX174, M13 phage vectors and the like. Examples of retrotransposons include Ty factor.
ベクターに目的のDNAを挿入するには、まず、精製されたDNAを適当な制限酵素で切断し、適当なベクターDNAの制限酵素部位又はマルチクローニングサイトに挿入してベクターに連結する。目的のDNAは、導入されたDNAにより候補タンパク質と蛍光タンパク質との融合タンパク質が発現されるようにベクターに組み込まれることが必要である。そこで、組換えベクターには、目的のDNAのほか、必要に応じて相同配列などのエレメントを連結することができる。また、ベクターが細胞内に保持されていることを示す選択マーカーを連結してもよい。なお、選択マーカーとしては、例えばジヒドロ葉酸還元酵素遺伝子、アンピシリン耐性遺伝子、ネオマイシン耐性遺伝子、クロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ遺伝子などが挙げられる。 In order to insert a target DNA into a vector, first, the purified DNA is cleaved with an appropriate restriction enzyme, inserted into a restriction enzyme site or a multicloning site of an appropriate vector DNA, and ligated to the vector. The target DNA needs to be incorporated into a vector so that a fusion protein of a candidate protein and a fluorescent protein is expressed by the introduced DNA. Therefore, in addition to the target DNA, elements such as homologous sequences can be linked to the recombinant vector as necessary. Moreover, you may connect the selection marker which shows that the vector is hold | maintained in the cell. Examples of the selection marker include a dihydrofolate reductase gene, an ampicillin resistance gene, a neomycin resistance gene, a chloramphenicol acetyltransferase gene, and the like.
以上のようにして宿主における目的DNAの発現に適合するように組換えベクターを作製することができる。この組換えベクターを用いて宿主(芽胞形成細菌)を形質転換することにより、該宿主において候補タンパク質と蛍光タンパク質との融合タンパク質を発現させることができる。 As described above, a recombinant vector can be prepared so as to be compatible with the expression of the target DNA in the host. By transforming a host (spore-forming bacterium) using this recombinant vector, a fusion protein of a candidate protein and a fluorescent protein can be expressed in the host.
細菌への組換えベクターの導入方法としては、細菌にDNAを導入する方法であれば特に限定されるものではない。例えばカルシウムイオンを用いる方法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。このように組換えベクターを導入した宿主は、目的DNAがそのゲノムに導入されている株について選択を行う。具体的には、上記の選択マーカーを指標にして形質転換株を選択する。 The method for introducing a recombinant vector into bacteria is not particularly limited as long as it is a method for introducing DNA into bacteria. Examples thereof include a method using calcium ions and an electroporation method. Thus, the host into which the recombinant vector has been introduced selects for a strain in which the target DNA has been introduced into its genome. Specifically, a transformant is selected using the above selection marker as an index.
上述のようにして、形質転換された芽胞形成細菌においては、蛍光タンパク質との融合タンパク質として候補タンパク質が発現される。そのため、蛍光タンパク質の光シグナルを指標として、候補タンパク質が構成する殻を観察し、候補タンパク質の位置を特定することができる。 As described above, candidate proteins are expressed as fusion proteins with fluorescent proteins in transformed spore-forming bacteria. Therefore, the position of the candidate protein can be specified by observing the shell formed by the candidate protein using the light signal of the fluorescent protein as an index.
芽胞形成細菌における候補タンパク質が構成する殻の観察は、標識を検出することができる任意の方法又は手段により行うことができる。例えば標識として蛍光タンパク質、化学発光タンパク質などの光シグナルを生じる物質を使用した場合には、蛍光観察装置、対物レンズ、カメラアダプタレンズ、CCDカメラなどを装着した光学顕微鏡により行うことができる。対物レンズは一般的に用いられる100倍油浸レンズが使用できるが、正確なデータを得るためには光学性能の優れたものが望ましい。カメラアダプタレンズは、使用するCCDカメラの種類により限定される。CCDカメラは、白黒撮影用でもカラー撮影用でもよいが、より高感度で画素数の多いものが望ましい。芽胞の大きさは一般的に1〜数マイクロメートル程度であることから、対物レンズとカメラアダプタレンズの組合せによって、CCDカメラの1画素当たりに投影される被写体の面積が64.5nm(ナノメートル)以下になることが望ましい。 Observation of the shell formed by the candidate protein in the spore-forming bacterium can be performed by any method or means capable of detecting the label. For example, when a substance that generates an optical signal such as a fluorescent protein or a chemiluminescent protein is used as a label, the labeling can be performed with an optical microscope equipped with a fluorescence observation apparatus, an objective lens, a camera adapter lens, a CCD camera, and the like. As the objective lens, a commonly used 100 × oil immersion lens can be used, but in order to obtain accurate data, a lens having excellent optical performance is desirable. Camera adapter lenses are limited by the type of CCD camera used. The CCD camera may be used for black-and-white photography or color photography, but a camera with higher sensitivity and a larger number of pixels is desirable. Since the size of the spore is generally about 1 to several micrometers, the area of the object projected per pixel of the CCD camera can be less than 64.5nm (nanometer) by combining the objective lens and camera adapter lens. It is desirable to become.
標識として蛍光タンパク質、化学発光タンパク質などの光シグナルを生じる物質を使用した場合には、励起波長及び測定する光波長(例えば蛍光波長)は、標識に応じて標準的なものを選択すればよく、蛍光観察に用いるキューブユニットの仕様は限定されない。 When a substance that generates an optical signal such as fluorescent protein or chemiluminescent protein is used as a label, the excitation wavelength and the light wavelength to be measured (for example, fluorescence wavelength) may be selected according to the label, The specifications of the cube unit used for fluorescence observation are not limited.
光シグナル(例えば蛍光)の計測に必要な露光時間は、撮影に用いる顕微鏡とCCDカメラの性能、画像処理のソウトウエアによって異なり、機器の性能に応じた適切な値を設定することができる。値の設定は手動調整のほか、ソフトによる自動計算で行うことができる。蛍光観察時の露光時間が長すぎると非特異的な蛍光の影響が強くなったり、蛍光の検出範囲が不明瞭になるため正確な位置決定ができない。また、露光時間は短すぎると蛍光強度が不十分となり目的タンパク質を検出できないなどの問題がある。 The exposure time required for measuring the optical signal (for example, fluorescence) differs depending on the performance of the microscope and CCD camera used for photographing and the software for image processing, and an appropriate value can be set according to the performance of the device. In addition to manual adjustment, the value can be set automatically by software. If the exposure time at the time of fluorescence observation is too long, the influence of non-specific fluorescence becomes strong or the detection range of fluorescence becomes unclear, so that accurate position determination cannot be performed. Further, if the exposure time is too short, there is a problem that the target protein cannot be detected due to insufficient fluorescence intensity.
標識として光シグナルを生じる物質(好ましくは蛍光タンパク質)を使用した場合、得られる像(好ましくは蛍光像)では、標識は適切な波長の励起光を照射することにより、芽胞の輪郭に沿って楕円状に、ごくまれに両極又は単極に集中して光シグナル(好ましくは蛍光)を発する(例えば図3のC)。得られた観察像について、撮影を行い、画像データとして取り込み、画像解析ソフトを用いてそのシグナル強度を計算する。例えば標識として蛍光タンパク質を使用した場合、標識の蛍光強度(明度)は芽胞の長軸方向に対して両端が極大値として見出されるので(例えば図3のF)、2つの極大値間の距離がタンパク質殻直径となる。 When a substance that generates a light signal (preferably a fluorescent protein) is used as a label, the label is elliptical along the spore contour by irradiating excitation light of an appropriate wavelength in the resulting image (preferably a fluorescent image). In rare cases, light signals (preferably fluorescence) are emitted concentrated on both poles or monopoles (for example, C in FIG. 3). The obtained observation image is photographed, captured as image data, and the signal intensity is calculated using image analysis software. For example, when a fluorescent protein is used as a label, the fluorescence intensity (brightness) of the label is found as a maximum value at both ends with respect to the long axis direction of the spore (for example, F in FIG. 3), so the distance between the two maximum values is The protein shell diameter.
本発明においては、上述のように得られる、芽胞長を測定するための位相差像と、候補タンパク質殻の直径を測定するための観察像(好ましくは蛍光像)とを重ね合わせて評価することが好ましい(例えば図3のA参照)。解析には標準的な画像解析ソフトを選択すればよく、重ね合わせの結果、画像ファイル間にずれが生じる場合は該ソフトに装備された自動補正機能を用いて修正するか、手動で補正する。画像ファイルの形式は任意であるが、Photoshop(登録商標)(Adobe(登録商標))などの汎用画像処理ソフトで取り扱える型式、すなわちTIFF、JPEG、PICTなどが望ましい。 In the present invention, the phase difference image for measuring the spore length obtained as described above and an observation image (preferably a fluorescence image) for measuring the diameter of the candidate protein shell are superimposed and evaluated. Is preferable (for example, see A in FIG. 3). Standard image analysis software may be selected for the analysis. If there is a gap between the image files as a result of the superimposition, it is corrected using an automatic correction function provided in the software or manually corrected. The format of the image file is arbitrary, but a format that can be handled by general-purpose image processing software such as Photoshop (registered trademark) (Adobe (registered trademark)), that is, TIFF, JPEG, PICT, etc. is desirable.
画像データの重ね合わせ像において、芽胞長に重なる直線上の任意の点における明度(位相差像における明暗、標識の観察像におけるシグナル強度)を計算する。ここで、明度の測定開始位置を基準として、開始位置からの距離を横軸とすれば、明度はグラフとして一義的に表示できる(例えば図3のD〜F)。このグラフにおいて、標識のシグナル強度(明度)は芽胞の長軸方向に対して両端が極大値として見出されるので、2つの極大値間の距離を候補タンパク質が構成する殻の直径と定義する。また、芽胞周縁は芽胞の長軸方向に対して両極が極小値として見出される。極小値2点間の距離が芽胞長である。候補タンパク質が構成する殻の直径から芽胞長を差し引いた値の1/2を候補タンパク質の位置(タンパク質の芽胞周縁からの距離)と定義する。また、芽胞長を1とした場合のタンパク質が構成する殻の直径比を求め、1から該直径比を差し引き、2で除することにより、候補タンパク質の絶対的位置(芽胞周縁からの位置)を求めることができる(図2)。 In the superimposed image of the image data, the lightness (brightness in the phase contrast image, signal intensity in the observation image of the label) at an arbitrary point on the straight line overlapping the spore length is calculated. Here, if the horizontal axis is the distance from the start position with the lightness measurement start position as a reference, the lightness can be uniquely displayed as a graph (for example, D to F in FIG. 3). In this graph, since the signal intensity (brightness) of the label is found as a maximum value at both ends with respect to the long axis direction of the spore, the distance between the two maximum values is defined as the diameter of the shell formed by the candidate protein. In addition, at the periphery of the spore, both poles are found as minimum values with respect to the long axis direction of the spore. The distance between the two minimum points is the spore length. 1/2 of the value obtained by subtracting the spore length from the diameter of the shell formed by the candidate protein is defined as the position of the candidate protein (distance from the spore periphery of the protein). In addition, the absolute ratio of the candidate protein (position from the periphery of the spore) is obtained by obtaining the ratio of the diameter of the shell formed by the protein when the spore length is 1, subtracting the diameter ratio from 1, and dividing by 2 Can be obtained (FIG. 2).
なお、タンパク質の位置は、芽胞長とタンパク質殻直径に代えて、観察像におけるi)芽胞周縁とタンパク質外周の円周、ii)芽胞、タンパク質の表面積、iii)芽胞、タンパク質の体積、を測定・評価することによっても推定することができる。 In addition, instead of the spore length and the protein shell diameter, the position of the protein is determined by measuring i) spore periphery and protein periphery, ii) spore, protein surface area, iii) spore, protein volume. It can also be estimated by evaluation.
また、上記の重ね合わせ像を目視することにより、あるいは、前述の座標と明度を表示したグラフからタンパク質殻の直径と芽胞長を目視で測定することにより、候補タンパク質が芽胞周縁の内外いずれにあるかを推定することができる。 In addition, by visually observing the above superimposed image, or by visually measuring the diameter and spore length of the protein shell from the graph displaying the coordinates and lightness described above, the candidate protein is either inside or outside the spore periphery. Can be estimated.
光シグナル強度、及び、芽胞の位相差像の明暗を一定方向から連続的に測定するための機能、タンパク質殻直径と芽胞長を計測する機能、位相差像や複数の標識の画像(蛍光画像)を重ね合せた画像を作成する機能を持つソフトには、ImageJ、Image-Pro(登録商標)(Media Cybernetics)、MetaMorph(登録商標)(Molecular Devices)、RsImageなどがあり、本発明においてはソフトの種類は限定されない。 Function to continuously measure light signal intensity and brightness of spore phase contrast image from a certain direction, function to measure protein shell diameter and spore length, phase contrast image and multiple label images (fluorescence image) Examples of software having a function for creating an image in which images are superimposed include ImageJ, Image-Pro (registered trademark) (Media Cybernetics), MetaMorph (registered trademark) (Molecular Devices), RsImage, etc. The type is not limited.
上述のように決定された候補タンパク質の位置(ピクセル)が−1〜+1である場合、好ましくはタンパク質の位置が0を超えている、又は複数の芽胞について測定した場合のタンパク質の位置の数値範囲が0を挟んで正負に分布している場合には、そのタンパク質は芽胞表層に存在すると推定することができる。また、芽胞長を1とした場合のタンパク質が構成する殻の直径比から求められる絶対的位置については、決定された候補タンパク質の絶対的位置が0.06以下である場合、好ましくはタンパク質の絶対的位置が0未満である、又は複数の芽胞について測定した場合のタンパク質の絶対的位置の数値範囲が0を挟んで分布している場合(好ましくは−0.03〜+0.03)には、そのタンパク質は芽胞表層に存在すると推定することができる。さらに、タンパク質殻直径が芽胞長より大きい場合にも、そのタンパク質が芽胞表層に存在することが推定される。例えば、芽胞長を1とした場合の候補タンパク質が構成する殻の直径比が0.88以上、好ましくは0.95〜1.05である場合には、その候補タンパク質は芽胞表層に存在すると推定することができる。 If the candidate protein position (pixels) determined as described above is between −1 and +1, preferably the protein position is greater than 0 or the numerical range of protein positions as measured for multiple spores Is distributed positively and negatively across 0, it can be presumed that the protein is present on the surface of the spore. In addition, the absolute position obtained from the ratio of the diameter of the shell formed by the protein when the spore length is 1 is preferably the absolute position of the protein when the determined absolute position of the candidate protein is 0.06 or less. Is less than 0, or when the numerical range of the absolute position of the protein as measured for multiple spores is distributed across 0 (preferably −0.03 to +0.03), the protein is a spore It can be estimated that it exists in the surface layer. Furthermore, even when the protein shell diameter is larger than the spore length, it is presumed that the protein exists in the spore surface. For example, when the diameter ratio of the shell formed by the candidate protein when the spore length is 1 is 0.88 or more, preferably 0.95 to 1.05, it can be estimated that the candidate protein is present on the surface of the spore.
ここで、候補タンパク質殻直径が大きいほど、そのタンパク質は芽胞の中心部から離れた位置に存在することになるが、そもそも芽胞表面が単一のタンパク質で均一に覆われているのか、複数のタンパク質によりモザイク状に覆われているのか明らでないという問題がある。また、電子顕微鏡観察により示される芽胞の表面構造には凹凸があることから、芽胞表層にはいくつかの異なるタンパク質が露出している可能性がある。したがって、後述するような芽胞形成細菌の検出には、試薬がタンパク質と接触し得る程度に芽胞表層に露出していればよく、タンパク質が芽胞の最外層を覆うように位置することが必須条件ではない。また、エクソスポリウムのように、芽胞を袋状に包む膜に結合していてもよい。 Here, the larger the candidate protein shell diameter, the more the protein will be located away from the center of the spore. In the first place, whether the spore surface is uniformly covered with a single protein or multiple proteins There is a problem that it is not clear whether it is covered in a mosaic shape. In addition, since the surface structure of the spore shown by electron microscope observation is uneven, several different proteins may be exposed on the surface of the spore. Therefore, for the detection of spore-forming bacteria as described later, it is only necessary that the reagent be exposed on the surface of the spore so that the reagent can come into contact with the protein, and it is essential that the protein is positioned so as to cover the outermost layer of the spore. Absent. Moreover, you may couple | bond with the film | membrane which wraps a spore in a bag shape like exosporium.
芽胞表層に位置すると推定された複数のタンパク質の位置関係を評価する場合、タンパク質の絶対的位置をタンパク質間で比較し、その差が有意でない時、これらタンパク質はいずれも表層に存在すると判断することができる。差が有意な時、値の大きいタンパク質がより表層に位置すると推定される。この時、複数の芽胞について測定を行い、測定値群をタンパク質間で群間比較することが好ましい(例えば図4参照)。 When evaluating the positional relationship between multiple proteins that are estimated to be located on the surface of the spore, compare the absolute position of the proteins between the proteins, and if the difference is not significant, determine that all of these proteins are present on the surface. Can do. When the difference is significant, it is presumed that the protein having a larger value is located on the surface layer. At this time, it is preferable to measure a plurality of spores and compare the measurement value groups between the proteins (for example, see FIG. 4).
なお、複数(N種類)のタンパク質の相対的な位置関係を評価する場合は、N種類の候補タンパク質それぞれを異なる標識(例えば蛍光波長の異なるN種類の蛍光タンパク質)で標識し、上記の手法にて重ね合わせ画像を作成し、画像を解析することにより、各候補タンパク質のタンパク質殻直径を測定する。この直径の大きいものほど外側に存在すると推測することができる。 When evaluating the relative positional relationship of multiple (N types) proteins, each of the N types of candidate proteins is labeled with a different label (for example, N types of fluorescent proteins having different fluorescence wavelengths), and the above method is used. Then, a superimposed image is created, and the protein shell diameter of each candidate protein is measured by analyzing the image. It can be inferred that the larger the diameter is, the more outside it is.
さらに、上述のとおり芽胞表層に存在すると推定されたタンパク質について、該タンパク質又はその標識タンパク質と特異的に結合する抗体を用いた免疫染色法により、芽胞形成細菌の芽胞表層に存在することを検証してもよい。そのような免疫染色法に使用することができる抗体及びその反応手順は、当技術分野で公知のものを使用することができ、後述の「2.芽胞表層タンパク質の利用」の項で詳細に説明している。 Furthermore, it was verified that the protein presumed to be present on the spore surface as described above was present on the spore surface of spore-forming bacteria by immunostaining using an antibody that specifically binds to the protein or its labeled protein. May be. As an antibody that can be used in such an immunostaining method and a reaction procedure thereof, those known in the art can be used, and will be described in detail in the section “2. Utilization of Spore Surface Protein” described later. is doing.
本発明に係る方法により、芽胞形成細菌における芽胞表層に存在するタンパク質を簡便、効率的にかつ信頼性をもって決定することが可能となる。また、本発明の方法により、候補タンパク質が芽胞の表層に存在するか否かを推定するだけではなく、芽胞形成細菌のどの位置に存在するかを詳細に判定することができる。 The method according to the present invention makes it possible to easily, efficiently and reliably determine the proteins present on the spore surface in spore-forming bacteria. Further, according to the method of the present invention, it is possible not only to estimate whether the candidate protein is present on the surface layer of the spore but also to determine in detail in which position of the spore-forming bacterium.
2.芽胞表層タンパク質の利用
上述のように本発明に従って芽胞表層に存在すると推定されたタンパク質(「芽胞表層タンパク質」ともいう)を利用して、芽胞形成細菌を検出、同定、除去又は精製することが可能である。具体的には、芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質と、芽胞形成細菌上の芽胞表層タンパク質との反応に基づいて、芽胞形成細菌を検出、同定、除去又は精製する。
2. Use of Spore Surface Protein As described above, it is possible to detect, identify, remove or purify spore-forming bacteria using a protein presumed to be present on the spore surface according to the present invention (also referred to as “spore surface protein”). It is. Specifically, the spore-forming bacterium is detected, identified, removed or purified based on the reaction between the substance that specifically binds to the spore-surface protein and the spore surface protein on the spore-forming bacterium.
例えば、本明細書の実施例3及び4に示されているように、CotZタンパク質及びCgeAタンパク質が枯草菌の芽胞表層に存在することが確認された。そのため、CotZタンパク質と特異的に結合する物質及び/又はCgeAタンパク質と特異的に結合する物質を利用することによって、枯草菌を検出、同定、除去又は精製することが可能である。なお、枯草菌のCgeAタンパク質をコードする遺伝子の塩基配列及びそのアミノ酸配列の一例をそれぞれ配列番号1及び2に、枯草菌のCotZタンパク質をコードする遺伝子の塩基配列及びそのアミノ酸配列の一例をそれぞれ配列番号3及び4に示す。また、CgeAタンパク質は、バチルス・アミロリケファシエンス(Bacillus amyloliquefaciens)(アクセッション番号YP_001421555)、バチルス・プミリス(Bacillus pumilis)(アクセッション番号YP_001487126)、枯草菌(B. subtilis)168(アクセッション番号AAB81150)などに存在することが知られており、CotZタンパク質は、バチルス・アミロリケファシエンス(Bacillus amyloliquefaciens)(アクセッション番号YP_001420770.1)、バチルス・リケニフォルミス(Bacillus licheniformis)(YP_090868.1)、セレウス菌(B. cereus)(アクセッション番号YP_002529012.1)、B. プミリス(B. pumilis)(アクセッション番号YP_001486347.1)、リシニバチルス・スフェリカス(Lysinibacillus sphaericus)(アクセッション番号YP_001696970.1)、B. コアフイレンシス(B. coahuilensis)(アクセッション番号ZP_03226709.1)、B. チューリンゲンシス(B. thuringiensis)(アクセッション番号YP_035462.1)、枯草菌(B. subtilis)168(アクセッション番号NP_389056.1)、枯草菌(B. subtilis)subsp. Natto(アクセッション番号BAI84730.1)などに存在することが知られている。
For example, as shown in Examples 3 and 4 of the present specification, it was confirmed that CotZ protein and CgeA protein are present in the spore surface of Bacillus subtilis. Therefore, Bacillus subtilis can be detected, identified, removed or purified by using a substance that specifically binds to the CotZ protein and / or a substance that specifically binds to the CgeA protein. An example of the base sequence of the gene encoding the CgeA protein of Bacillus subtilis and an example of its amino acid sequence are shown in SEQ ID NOs: 1 and 2, respectively. An example of the base sequence of the gene encoding the CotZ protein of Bacillus subtilis and an example of its amino acid sequence are shown. The
芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質は、該タンパク質と特異的に結合することが知られている物質であれば特に限定されるものではない。例えば、抗体、核酸若しくはペプチドアプタマー、酵素などが挙げられる。好ましくは、芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質は、抗体又は抗体フラグメントである。 The substance that specifically binds to the spore surface protein is not particularly limited as long as it is known to bind specifically to the protein. For example, antibodies, nucleic acids or peptide aptamers, enzymes and the like can be mentioned. Preferably, the substance that specifically binds to the spore surface protein is an antibody or an antibody fragment.
芽胞表層タンパク質と特異的に結合する抗体又は抗体フラグメントは、定法に従って調製することができる。抗原となるタンパク質又はペプチドは、芽胞から抽出したものや、化学合成したペプチド、又は遺伝子組み換え技術を利用した方法で生産したものなど、公知の方法により得られたものを使用できる。 An antibody or antibody fragment that specifically binds to the spore surface protein can be prepared according to a conventional method. As the protein or peptide serving as an antigen, a protein or peptide extracted from a spore, a chemically synthesized peptide, or a protein produced by a method using a gene recombination technique can be used.
化学合成の場合には、公知のペプチド合成手法に従って、例えば市販のペプチド合成機や市販のペプチド合成用キットを用いて、抗原ペプチドを合成することができる。 In the case of chemical synthesis, an antigenic peptide can be synthesized according to a known peptide synthesis method, for example, using a commercially available peptide synthesizer or a commercially available peptide synthesis kit.
また、遺伝子組換え手法を用いる場合には、抗原ペプチドをコードする核酸は、芽胞形成細菌(芽胞菌又は発芽菌のいずれでもよい)より抽出したRNAから精製したmRNAを用いて、芽胞表層タンパク質をコードする遺伝子の配列に基づいて設計したプライマーを用いた逆転写ポリメラーゼ連鎖反応(RT-PCR)により、又は芽胞表層タンパク質をコードする遺伝子の配列に基づいて設計したプローブを用いたcDNAライブラリーからのスクリーニングにより得ることができる。あるいは、芽胞形成細菌より抽出したDNAを鋳型として、芽胞表層タンパク質をコードする遺伝子の配列に基づいて設計したプライマーを用いた核酸増幅反応(例えばPCRなど)を行うことにより、抗原ペプチドをコードする核酸を得ることができる。抗原ペプチドを組換え発現させるための発現ベクターは、上記核酸を適当なベクターに連結することにより得ることができる。また、上記核酸又は発現ベクターを、目的の抗原ペプチドが発現し得るように宿主細胞中に導入することにより、形質転換体を作製することができる。このような形質転換体の作製は当技術分野で周知であり、当業者であれば、使用するベクター、宿主細胞などを適宜選択して行うことができる。芽胞表層タンパク質の抗原ペプチドは、該抗原ペプチドをコードする核酸が導入された形質転換体を培養し、その培養物から採取することにより得ることができる。培養後、抗原ペプチドが細胞内又は菌体に生産される場合には、細胞又は菌体を破砕することによりペプチドを抽出する。また、抗原ペプチドが細胞外又は菌体外に生産される場合には、培養液をそのまま使用するか、遠心分離等により細胞又は菌体を除去する。 In the case of using a genetic recombination technique, the nucleic acid encoding the antigenic peptide is a spore surface protein using mRNA purified from RNA extracted from spore-forming bacteria (which may be either spore bacteria or germs). From a cDNA library using reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) with primers designed based on the sequence of the encoding gene or using probes designed based on the sequence of the gene encoding the spore surface protein It can be obtained by screening. Alternatively, a nucleic acid encoding an antigenic peptide can be obtained by performing a nucleic acid amplification reaction (for example, PCR) using a primer designed based on the sequence of a gene encoding a spore surface protein using DNA extracted from spore-forming bacteria as a template. Can be obtained. An expression vector for recombinantly expressing the antigenic peptide can be obtained by ligating the nucleic acid to an appropriate vector. Moreover, a transformant can be produced by introducing the nucleic acid or expression vector into a host cell so that the target antigen peptide can be expressed. Production of such transformants is well known in the art, and those skilled in the art can carry out by appropriately selecting a vector, a host cell and the like to be used. The antigenic peptide of the spore surface protein can be obtained by culturing a transformant introduced with a nucleic acid encoding the antigenic peptide and collecting it from the culture. After the culture, when the antigenic peptide is produced intracellularly or in cells, the peptide is extracted by disrupting the cells or cells. In addition, when the antigen peptide is produced outside the cells or cells, the culture solution is used as it is, or the cells or cells are removed by centrifugation or the like.
化学合成又は組換え手法により生成された抗原ペプチドは、タンパク質の単離精製に用いられる一般的な生化学的方法、例えば硫酸アンモニウム沈殿、ゲルクロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィー等を単独で又は適宜組み合わせて用いることにより、単離精製することができる。目的の抗原ペプチドが得られたか否かは、ポリアクリルアミドゲル電気泳動又は硫酸ドデシルナトリウム−ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)等により確認することができる。 Antigen peptides produced by chemical synthesis or recombinant techniques can be obtained by general biochemical methods used for protein isolation and purification, such as ammonium sulfate precipitation, gel chromatography, ion exchange chromatography, affinity chromatography, etc. Alternatively, it can be isolated and purified by appropriately combining them. Whether or not the target antigen peptide has been obtained can be confirmed by polyacrylamide gel electrophoresis or sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE).
上述のように調製された抗原ペプチドを用いて、芽胞表層タンパク質に対する抗体を作製することができる。その場合、抗原性を高めるため、キャリアタンパク質(例えば、キーホールリンペットヘモシアニン(KLH)、ウシ血清アルブミン(BSA)、オボアルブミン(OVA)など)と結合させてもよい。これらのキャリアタンパク質は、当技術分野で公知であり、市販のキットも販売されている。また、このように調製された抗原ペプチドは、芽胞表層タンパク質に対する抗体を精製するためにも用いることができる。 An antibody against the spore surface protein can be produced using the antigenic peptide prepared as described above. In that case, in order to enhance antigenicity, it may be combined with a carrier protein (for example, keyhole limpet hemocyanin (KLH), bovine serum albumin (BSA), ovalbumin (OVA), etc.). These carrier proteins are known in the art and commercially available kits are also sold. The antigen peptide thus prepared can also be used to purify antibodies against spore surface proteins.
免疫原は、上述のように得られた芽胞表層タンパク質の抗原ペプチド又はキャリアタンパク質と結合した抗原ペプチドを抗原としてバッファーに溶解して調製する。なお、必要であれば、免疫を効果的に行うためにアジュバント(フロイント完全アジュバント(FCA)、フロイント不完全アジュバント(FIA)等)を添加してもよい。 The immunogen is prepared by dissolving the antigen peptide of the spore surface protein obtained as described above or the antigen peptide bound to the carrier protein as an antigen in a buffer. If necessary, an adjuvant (Freund's complete adjuvant (FCA), Freund's incomplete adjuvant (FIA), etc.) may be added for effective immunization.
ポリクローナル抗体を作製する場合は、免疫原を、哺乳類、鳥類などの動物、例えばマウス、ウサギ、ラット、ヤギ、ニワトリ、アヒルなどに投与する。免疫は、主として静脈内、皮下、腹腔内、足蹠に注入することにより行われる。また、免疫の間隔は特に限定されず、数日から数週間間隔で、1〜5回の免疫を行う。その後、最終の免疫日から14〜90日後に、血清又は卵黄(鳥類の場合)を採取し、免疫アッセイ、例えば酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)、酵素免疫アッセイ(EIA)、放射性免疫アッセイ(RIA)等で抗体価を測定し、最大の抗体価を示した日に採取する。その後は、血清又は卵黄中に存在する芽胞表層タンパク質に対して特異的なポリクローナル抗体の反応性を上記の免疫アッセイなどで測定する。 When producing polyclonal antibodies, the immunogen is administered to animals such as mammals and birds, such as mice, rabbits, rats, goats, chickens and ducks. Immunization is performed mainly by injecting intravenously, subcutaneously, intraperitoneally, or into the footpad. The interval between immunizations is not particularly limited, and immunization is performed 1 to 5 times at intervals of several days to several weeks. Thereafter, serum or egg yolk (in the case of birds) is collected 14-90 days after the last immunization, and immunoassays such as enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), enzyme immunoassay (EIA), radioimmunoassay (RIA) ), Etc., and collect on the day when the maximum antibody titer was shown. Thereafter, the reactivity of the polyclonal antibody specific to the spore surface protein present in the serum or egg yolk is measured by the above immunoassay or the like.
例えば、CgeAタンパク質に対するウサギポリクローナル抗体(抗血清)の作製方法がKuwana, R. et al., Microbiol, 150(2):163-170, 2004年に記載されており、同じ手法を用いて任意の芽胞表層タンパク質に対する抗体を作製することができる。 For example, a method for producing a rabbit polyclonal antibody (antiserum) against the CgeA protein is described in Kuwana, R. et al., Microbiol, 150 (2): 163-170, 2004. Antibodies against spore surface proteins can be made.
抗血清を直接免疫学的測定方法に用いることもできるが、芽胞表層タンパク質又は抗原ペプチドを用いるアフィニティクロマトグラフィー、プロテインA又はプロテインGアフィニティクロマトグラフィーなどを行って、抗血清中の抗体を精製して使用することが好ましい。 Antiserum can also be used directly in immunological measurement methods, but the antibody in the antiserum can be purified by affinity chromatography using spore surface protein or antigen peptide, protein A or protein G affinity chromatography, etc. It is preferable to use it.
モノクローナル抗体を作製する場合は、免疫原を、哺乳類、例えばマウス、ウサギ、ラットなどに投与する。免疫は、主として静脈内、皮下、腹腔内、足蹠に注入することにより行われる。また、免疫の間隔は特に限定されず、数日から数週間間隔で、1〜5回の免疫を行う。そして、最終の免疫日から14〜90日後に抗体産生細胞を採集する。抗体産生細胞としては、リンパ節細胞、脾臓細胞、末梢血細胞等が挙げられる。 When producing monoclonal antibodies, the immunogen is administered to mammals such as mice, rabbits, rats and the like. Immunization is performed mainly by injecting intravenously, subcutaneously, intraperitoneally, or into the footpad. The interval between immunizations is not particularly limited, and immunization is performed 1 to 5 times at intervals of several days to several weeks. Then, antibody-producing cells are collected 14 to 90 days after the final immunization day. Examples of antibody-producing cells include lymph node cells, spleen cells, peripheral blood cells and the like.
ハイブリドーマを得るため、抗体産生細胞とミエローマ細胞との細胞融合を行う。抗体産生細胞と融合させるミエローマ細胞として、一般に入手可能な株化細胞を使用することができる。使用する細胞株としては、薬剤選択性を有し、未融合の状態ではHAT選択培地(ヒポキサンチン、アミノプテリン、チミジンを含む)で生存できず、抗体産生細胞と融合した状態でのみ生存できる性質を有するものが好ましい。ミエローマ細胞としては、例えばP3X63-Ag.8.U1(P3U1)、NS-Iなどのマウスミエローマ細胞株が挙げられる。ミエローマ細胞と抗体産生細胞との細胞融合は、血清を含まないDMEM、RPMI-1640培地などの動物細胞培養用培地中で、抗体産生細胞とミエローマ細胞とを混合し、細胞融合促進剤(例えばポリエチレングリコール等)の存在下で融合反応を行う。また、エレクトロポレーションを利用した市販の細胞融合装置を用いて細胞融合させることもできる。細胞融合処理後の細胞から目的とするハイブリドーマを選別する。例えば、細胞懸濁液をウシ胎児血清含有RPMI-1640培地などで適当に希釈後、マイクロタイタープレート上にまく。各ウエルに選択培地(例えばHAT培地)を加え、以後適当に選択培地を交換して細胞培養を行う。その結果、選択培地で培養開始後、10〜30日程度で生育してくる細胞をハイブリドーマとして得ることができる。 In order to obtain a hybridoma, cell fusion between antibody-producing cells and myeloma cells is performed. Generally available cell lines can be used as myeloma cells to be fused with antibody-producing cells. The cell line used has drug selectivity and cannot survive in a HAT selection medium (including hypoxanthine, aminopterin, and thymidine) in an unfused state, but can survive only in a state fused with antibody-producing cells. Those having the following are preferred. Examples of myeloma cells include mouse myeloma cell lines such as P3X63-Ag.8.U1 (P3U1) and NS-I. Cell fusion between myeloma cells and antibody-producing cells is performed by mixing antibody-producing cells and myeloma cells in an animal cell culture medium such as serum-free DMEM, RPMI-1640 medium, etc. The fusion reaction is carried out in the presence of glycol or the like. Alternatively, cell fusion can be performed using a commercially available cell fusion device utilizing electroporation. The target hybridoma is selected from the cells after cell fusion treatment. For example, the cell suspension is appropriately diluted with a fetal bovine serum-containing RPMI-1640 medium or the like and then spread on a microtiter plate. Selective medium (for example, HAT medium) is added to each well, and thereafter cell culture is performed by appropriately replacing the selective medium. As a result, cells that grow in about 10 to 30 days after the start of culture in a selective medium can be obtained as hybridomas.
次に、増殖してきたハイブリドーマの培養上清を、芽胞表層タンパク質又は芽胞形成細菌の芽胞に反応する抗体が存在するか否かについてスクリーニングする。ハイブリドーマのスクリーニングは、通常の方法に従えばよく、例えば酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)、酵素免疫アッセイ(EIA)、又は放射性免疫アッセイ(RIA)等を採用することができる。融合細胞のクローニングは、限界希釈法等により行い、目的のモノクローナル抗体を産生するハイブリドーマを樹立する。 Next, the culture supernatant of the hybridoma that has proliferated is screened for the presence of antibodies that react with spore surface proteins or spores of spore-forming bacteria. The screening of hybridomas may be carried out in accordance with a usual method, and for example, enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), enzyme immunoassay (EIA), or radioimmunoassay (RIA) can be employed. Cloning of the fused cells is performed by a limiting dilution method or the like to establish a hybridoma that produces the target monoclonal antibody.
樹立したハイブリドーマからモノクローナル抗体を採取する方法として、通常の細胞培養法又は腹水形成法等を採用することができる。上記抗体の採取方法において抗体の精製が必要とされる場合は、硫安塩析法、イオン交換クロマトグラフィー、ゲル濾過、アフィニティークロマトグラフィーなどの公知の方法を適宜選択して、又はこれらを組み合わせることにより精製することができる。 As a method for collecting the monoclonal antibody from the established hybridoma, a normal cell culture method or ascites formation method can be employed. When antibody purification is required in the antibody collection method, known methods such as ammonium sulfate salting-out method, ion exchange chromatography, gel filtration, affinity chromatography are appropriately selected, or a combination thereof is used. Can be purified.
本発明においては、同一菌種又は近縁種の芽胞形成細菌の芽胞を含めて感度よく検出することが望ましい場合は、ポリクローナル抗体を使用することが好ましく、特定の菌種又は菌株に限定的に反応する抗体を取得することが望ましい場合には、モノクローナル抗体を使用することが好ましい。 In the present invention, when it is desirable to detect with high sensitivity including spores of spore-forming bacteria of the same or related species, it is preferable to use a polyclonal antibody, limited to a specific strain or strain. When it is desired to obtain a reactive antibody, it is preferable to use a monoclonal antibody.
さらに、上述のようにして作製した芽胞表層タンパク質と特異的に結合する抗体分子から、一本鎖抗体(米国特許第4,946,778号)、F(ab’)2フラグメント、及びFabフラグメントなどを、当技術分野で公知の技術を利用して作製することができる。このような抗体誘導体及び抗体フラグメントも、目的とする活性、すなわち芽胞表層タンパク質との反応性を保持する限り、本発明において使用することが可能である。 Furthermore, from the antibody molecules that specifically bind to the spore surface protein produced as described above, single-chain antibodies (US Pat. No. 4,946,778), F (ab ′) 2 fragments, Fab fragments, etc. It can be produced using techniques known in the field. Such antibody derivatives and antibody fragments can also be used in the present invention as long as the desired activity, that is, reactivity with the spore surface protein is retained.
上述の通り作製した芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質(好ましくは抗体)を用いて、芽胞形成細菌を検出し、同定し、除外し、又は精製することが可能である。この検出、同定、除外及び/又は精製は、芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質と、芽胞形成細菌の芽胞に存在する芽胞表層タンパク質との結合を検出することができる、当技術分野で公知の任意の方法により実施することができる。 Using a substance (preferably an antibody) that specifically binds to a spore surface protein produced as described above, spore-forming bacteria can be detected, identified, excluded, or purified. This detection, identification, exclusion and / or purification is known in the art, which can detect the binding of substances that specifically bind to spore surface proteins to spore surface proteins present in the spores of spore-forming bacteria. It can be carried out by any method.
本発明に係る方法においては、サンプルと、芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質とを接触させ、サンプル中の芽胞形成細菌に存在する芽胞形成タンパク質と、該物質との反応を検出することによって、サンプル中の芽胞形成細菌の存在を検出する又は被験細菌が芽胞形成細菌であると同定する。本発明において「検出」とは、芽胞形成細菌の存在の有無を検出することだけではなく、芽胞形成細菌を定量的に検出すること、芽胞形成細菌を免疫染色することも含む。 In the method according to the present invention, the sample is brought into contact with a substance that specifically binds to the spore surface protein, and the reaction between the spore-forming protein present in the spore-forming bacteria in the sample and the substance is detected. Detecting the presence of spore-forming bacteria in the sample or identifying the test bacterium as a spore-forming bacterium. In the present invention, “detection” includes not only detecting the presence or absence of spore-forming bacteria, but also quantitatively detecting spore-forming bacteria and immunostaining spore-forming bacteria.
本発明において「接触」とは、サンプル中に存在する芽胞形成細菌の芽胞表層タンパク質と、該芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質とが結合できるように近接することができる状態にすることを意味し、例えば、液状サンプルと該物質を含有する溶液とを混合すること、液状サンプルを該物質を固定化した固相支持体にアプライすること、固形サンプルに対して該物質を含有する溶液を塗布すること、該物質を含有する溶液に固形サンプルを浸漬することなどの操作が含まれる。 In the present invention, the term “contact” means that the spore surface protein of the spore-forming bacterium present in the sample and a substance that specifically binds to the spore surface protein can be brought into close proximity so that they can bind to each other. Meaning, for example, mixing a liquid sample and a solution containing the substance, applying the liquid sample to a solid support on which the substance is immobilized, and a solution containing the substance for a solid sample. Operations such as application and immersion of a solid sample in a solution containing the substance are included.
なお、芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質は、1種を使用してもよいし、又は複数種を組み合わせて使用することも可能である。例えば、1種の芽胞表層タンパク質と特異的に結合する1種の物質又は複数種の物質を使用することができ、あるいは複数種の芽胞表層タンパク質と特異的に結合する複数種の物質を使用することができる。 In addition, as the substance that specifically binds to the spore surface protein, one kind may be used, or a plurality of kinds may be used in combination. For example, one substance or a plurality of substances that specifically bind to one spore surface protein can be used, or a plurality of substances that specifically bind to a plurality of spore surface proteins can be used. be able to.
芽胞形成細菌に存在する芽胞表層タンパク質と、該タンパク質と特異的に結合する物質との反応を検出するためのアッセイは、液相系及び固相系のいずれで行ってもよく、またアッセイの条件も当業者に公知である。 The assay for detecting the reaction between the spore surface protein present in the spore-forming bacterium and a substance that specifically binds to the protein may be performed in either a liquid phase system or a solid phase system, and the assay conditions Are also known to those skilled in the art.
また本発明に係る方法においては、サンプルと、芽胞表層タンパク質と特異的に結合する物質とを接触させ、該物質と結合した芽胞表層タンパク質を有する芽胞形成細菌を分離することによって、サンプルから芽胞形成細菌を除去又は精製することができる。 In the method according to the present invention, the sample is contacted with a substance that specifically binds to the spore surface protein, and the spore-forming bacteria having the spore surface protein bound to the substance are separated, thereby forming a spore from the sample. Bacteria can be removed or purified.
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
実施例1:蛍光融合タンパク質発現株の作製
芽胞殻タンパク質として知られるCotB、CotC、CotD、CotF、CotZ、GerQ、YaaH、YmaG、YsnD、YtxOをコードする遺伝子について、これらを挟むプライマーを用いて枯草菌168のゲノムDNAをPCR法で増幅させた。増幅産物をBamHI、XhoIで処理後、DNA連結酵素を用いてgfp遺伝子をもつpGFP7Cプラスミドと連結し、定法に従い、大腸菌(Escherichia coli)JM109に形質転換した。組換え大腸菌から目的プラスミドを抽出し、コンピテントセルを用いた相同組換えにより枯草菌168株の染色体DNAに導入した。形質転換体はクロラムフェニコール耐性によりセレクションした。
Example 1: Preparation of a fluorescent fusion protein expression strain For genes encoding CotB, CotC, CotD, CotF, CotZ, GerQ, YaaH, YmaG, YsnD, YtxO known as spore shell proteins, using a primer sandwiching them, hay The genomic DNA of
得られた遺伝子組換え枯草菌の芽胞を蛍光顕微鏡で観察したところ、芽胞の91%以上においてGFPに由来する蛍光が確認できた。 When the spores of the obtained recombinant Bacillus subtilis were observed with a fluorescence microscope, fluorescence derived from GFP could be confirmed in 91% or more of the spores.
実施例2:蛍光顕微鏡観察
蛍光顕微鏡はオリンパス社製、テレビカメラはRoper Scientific社製CoolSNAP ES/OL、対物レンズはAUPlanApo100×を用いた。位相差像と蛍光像の重ね合わせ画像はRSImagePro ver.4.5を用いて解析した。コントラストとバランスの調整にはDENEBA社製CANVAS8ソフトを用いた。
Example 2: Observation with a fluorescence microscope The fluorescence microscope used was Olympus, the television camera used was CoolSNAP ES / OL manufactured by Roper Scientific, and the objective lens used was AUPlanApo100x. The superimposed image of the phase contrast image and the fluorescence image was analyzed using RSImagePro ver.4.5. The contrast and balance were adjusted using CANVAS8 software from DENEBA.
GFPの蛍光撮影のための曝露時間は0.5〜2秒であった。画像における1ピクセルは64.5nmに相当した。 The exposure time for fluorescence imaging of GFP was 0.5-2 seconds. One pixel in the image corresponded to 64.5nm.
実施例3:芽胞殻タンパク質の位置決定
実施例1で作製したGFPとの融合タンパク質として芽胞殻タンパク質を発現する枯草菌168株について、芽胞を調製し、顕微鏡観察を行った。顕微鏡観察は、検討対象であるタンパク質それぞれについて、40個以上の芽胞を用いて行った。
Example 3: Position determination of spore shell protein Spores were prepared for 168 strains of Bacillus subtilis expressing spore shell protein as a fusion protein with GFP produced in Example 1, and microscopic observation was performed. Microscopic observation was performed using 40 or more spores for each protein to be examined.
結果を図3に示す。GFP融合タンパク質産生芽胞の位相差像(図3のB)と蛍光観察像(図3のC)の重ね合わせ像(図3のA)のX1からX2までの明度を、画像解析ソフトを用いて連続的に計測した。図3のD〜Fに示すグラフの横軸は長さを、縦軸は明度を示す。 The results are shown in FIG. Using the image analysis software, the brightness from X1 to X2 of the superposition image (A in Fig. 3) of the phase contrast image (B in Fig. 3) and the fluorescence observation image (C in Fig. 3) of the GFP fusion protein-producing spore Continuously measured. The horizontal axis of the graph shown to DF of FIG. 3 shows length, and a vertical axis | shaft shows the brightness.
位相差顕微鏡では、芽胞の周囲が暗い輪郭として観察された(図3のB)。横軸に芽胞中心を通り両極を結んだ直線上の位置、縦軸に位相差像の明るさ(明度)を示したグラフ(図3のE)では、aとbは位相差像の最暗部(ネガティブピーク)を示し、芽胞周縁がネガティブピーク(極小値)として認識された。このab間の距離は芽胞長を示す。また、非芽胞細胞や母細胞が視野背景より暗いのに対し、新生芽胞は明るいものとして観察された。 In the phase contrast microscope, the periphery of the spore was observed as a dark outline (B in FIG. 3). In the graph (E in Fig. 3) where the horizontal axis shows the position on a straight line passing through the spore center and connects the two poles, and the vertical axis shows the brightness (brightness) of the phase contrast image, a and b are the darkest parts of the phase contrast image. (Negative peak) was shown, and the spore periphery was recognized as a negative peak (minimum value). The distance between the abs indicates the spore length. In addition, non-spore cells and mother cells were darker than the visual field background, whereas new spore was observed as bright.
蛍光顕微鏡像では、タンパク質が構成する殻(タンパク質殻)の縁において強い蛍光が観察され特に両極で顕著であった(図3のC)。縦軸に蛍光像の蛍光強度(明度と表現)を示したグラフ(図3のF)では、cとdは蛍光標識タンパク質が発した蛍光の強さのピークを示し、タンパク質両極がピーク(極大値)として認識された。このcd間の距離はタンパク質殻直径を示す。 In the fluorescence microscopic image, strong fluorescence was observed at the edge of the shell (protein shell) formed by the protein, which was particularly remarkable at both poles (C in FIG. 3). In the graph (F in FIG. 3) showing the fluorescence intensity (brightness and expression) of the fluorescence image on the vertical axis, c and d indicate the peak of the fluorescence intensity emitted by the fluorescently labeled protein, and the protein bipolar is the peak (maximum). Value). The distance between cd indicates the protein shell diameter.
位相差像と蛍光像の重ね合わせ像(図3のA)からグラフを作成し、このグラフ(図3のD)から芽胞長とタンパク質殻直径を求め、これらの値からタンパク質位置(単位:ピクセル)を求めた。 A graph is created from the superimposed image of the phase contrast image and the fluorescence image (A in FIG. 3), the spore length and the protein shell diameter are obtained from this graph (D in FIG. 3), and the protein position (unit: pixel) is obtained from these values. )
種々の芽胞殻タンパク質の位置を表1及び図4に示す。表1では、実際に測定されたタンパク質の位置をピクセル及びnm(ナノメートル)単位で示す。また、芽胞長を1とした場合のタンパク質殻の直径比と、それに基づいて計算したタンパク質の絶対的位置も示す。図4では、上記式から算出された芽胞殻タンパク質の位置の平均(ピクセル単位)を、芽胞周縁を基準(0)として示した。すなわち、芽胞殻タンパク質の位置は[(d-c)-(b-a)]×1/2で表される。1ピクセルは64.5ナノメートルに相当する。 The positions of various spore shell proteins are shown in Table 1 and FIG. Table 1 shows the actual protein positions measured in pixels and nm (nanometers). In addition, the diameter ratio of the protein shell when the spore length is 1 and the absolute position of the protein calculated based on the ratio are also shown. In FIG. 4, the average (pixel unit) of the position of the spore shell protein calculated from the above formula is shown with the spore periphery as the reference (0). That is, the position of the spore shell protein is represented by [(d-c)-(b-a)] × 1/2. One pixel corresponds to 64.5 nanometers.
表1及び図4に示されるように、蛍光標識タンパク質の位置の平均値が「正」となった又は直径比が1より大きくなったものはCotZ-GFPのみであった。一方、目視により芽胞周縁上ないし外側に観察されたものはCotZ-GFP及びCgeA-GFPであった。タンパク質殻直径が大きかったのはCotZ-GFP、CgeA-GFPの順であった。 As shown in Table 1 and FIG. 4, only CotZ-GFP had an average value of the positions of fluorescently labeled proteins of “positive” or a diameter ratio greater than 1. On the other hand, CotZ-GFP and CgeA-GFP were observed on the spore periphery or outside by visual inspection. The protein shell diameter was large in the order of CotZ-GFP and CgeA-GFP.
上記の絶対的位置の検討から、CotZ-GFP及びCgeA-GFPは、これまでの研究(非特許文献5及び6)で芽胞表層に存在すると報告されていたCotA、CotB及びCotCのGFP融合タンパク質よりも外側にあることが示唆された。 From the examination of the absolute position described above, CotZ-GFP and CgeA-GFP are derived from GFP fusion proteins of CotA, CotB, and CotC, which have been reported to exist on the spore surface in previous studies (Non-Patent Documents 5 and 6) Was also suggested to be outside.
各タンパク質の位置を比較すると、図4のように、CotZ-GFP及びCgeA-GFPは今回測定したタンパク質の中で最外層に位置することがわかった。但し、これら距離の測定値は標準偏差を含んだものであったため、これら2種類のタンパク質の位置(測定値)について統計学的処理を行い、P値<0.01のとき有意な差があるとみなした。たとえば、P値がCotZ-GFPとCgeA-GFPでは0.055だが、CgeA-GFPとCotC-GFPでは7.8×10-12であった。以上より、CotZとCgeAの位置に有意な差はなく、いずれも芽胞殻の最外層に位置することが示唆された。従って、タンパク質の絶対的位置が0.06以下、好ましくは0.03以下である場合には、タンパク質が芽胞表層に存在すると推定可能であるといえる。 When the positions of the respective proteins were compared, it was found that CotZ-GFP and CgeA-GFP were located in the outermost layer among the proteins measured this time, as shown in FIG. However, since these distance measurements included standard deviations, statistical processing was performed on the positions (measurements) of these two types of proteins, and it was considered that there was a significant difference when P value <0.01. It was. For example, the P value was 0.055 for CotZ-GFP and CgeA-GFP, but 7.8 × 10 −12 for CgeA-GFP and CotC-GFP. From the above, there was no significant difference in the positions of CotZ and CgeA, suggesting that both are located in the outermost layer of the spore shell. Therefore, when the absolute position of the protein is 0.06 or less, preferably 0.03 or less, it can be estimated that the protein is present on the spore surface.
同様の解析により、YxeEは芽胞殻の外層と内層の中間に位置し、CotT、YmaG、YsnD、CotF、YaaH、CotD、GerQ及びYeeKは芽胞殻内層に存在することがわかった。 Similar analysis revealed that YxeE was located between the outer and inner layers of the spore shell, and that CotT, YmaG, YsnD, CotF, YaaH, CotD, GerQ, and YeeK existed in the inner layer of the spore shell.
実施例4:抗GFP抗体を用いた検証
実施例3の解析よりCotZ-GFP及びCgeA-GFPは芽胞殻(スポアコート)の最外層に位置していることが分かった。そこで、これらの最外層タンパク質が芽胞の表面に露出することの検証のため、抗GFP抗体を用いた蛍光顕微鏡観察を行った(図5)。すなわち、実施例1〜3の方法で調製した芽胞に対し、1次抗体としてウサギ由来の抗GFP抗体を、2次抗体としてヤギ由来の蛍光標識抗ウサギIgG抗体(Invitrogen社Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG(H+L))を用いて免疫染色を行った。染色された芽胞は顕微鏡観察に供された。位相差像(青)と蛍光標識抗GFP抗体の蛍光(赤)を撮影し、ソフトを用いて重ね合わせ像を作成した。結果を図5に示す。
Example 4: Verification using anti-GFP antibody The analysis of Example 3 showed that CotZ-GFP and CgeA-GFP were located in the outermost layer of the spores (spoor coat). Therefore, in order to verify that these outermost layer proteins are exposed on the surface of the spore, fluorescence microscopic observation using an anti-GFP antibody was performed (FIG. 5). That is, for the spores prepared by the methods of Examples 1 to 3, a rabbit-derived anti-GFP antibody as a primary antibody and a goat-derived fluorescent-labeled anti-rabbit IgG antibody (Invitrogen Alexa Fluor 594 goat anti-anti- Rabbit IgG (H + L)) was used for immunostaining. Stained spores were subjected to microscopic observation. A phase contrast image (blue) and a fluorescence labeled anti-GFP antibody fluorescence (red) were photographed, and a superimposed image was created using software. The results are shown in FIG.
図5に示されるように、枯草菌野生株はGFPをもっていないため、抗GFP抗体の結合は見られなかったが(蛍光像で芽胞が観察されなかった)、CotZ-GFP株及びCgeA-GFP株の芽胞では抗GFP抗体の結合が観察された(蛍光像で芽胞が確認された)。一方、CotA-GFPなどの他のGFP融合株に同じ操作を行っても、抗GFP抗体の結合が観察できなかった(蛍光像で芽胞が観察できなかった)。 As shown in FIG. 5, since the Bacillus subtilis wild strain does not have GFP, binding of anti-GFP antibody was not observed (no spore was observed in the fluorescence image), but the CotZ-GFP strain and CgeA-GFP strain. Anti-GFP antibody binding was observed in the spore (the spore was confirmed by a fluorescence image). On the other hand, even when the same operation was performed on other GFP fusion strains such as CotA-GFP, the binding of the anti-GFP antibody could not be observed (spores could not be observed in the fluorescence image).
これらの結果はCgeA-GFPとCotZ-GFPが芽胞の表面に露出していることを示しており、これらのタンパク質がスポアコートの最外層に位置しているという、実施例3の解析結果と一致する。 These results indicate that CgeA-GFP and CotZ-GFP are exposed on the surface of the spore, which is consistent with the analysis result of Example 3 that these proteins are located in the outermost layer of the spore coat. To do.
実施例5:抗CgeA抗体を用いた検証
抗CgeA抗体を用いてCgeAが枯草菌野生株の芽胞の表面に露出することを検証した。すなわち、実施例1〜3の方法で調製した芽胞(枯草菌168株及びcgeA遺伝子破壊株の芽胞)に対し、1次抗体としてウサギ由来の抗CgeA抗体を、2次抗体としてヤギ由来の蛍光標識抗ウサギIgG抗体(Invitrogen社Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG(H+L))を用いて免疫染色を行った。染色された芽胞は顕微鏡観察に供された。なお、本実施例に用いた抗CgeA抗体は発明者が作製したものであり、作製方法はKuwana, R. et al., Microbiol, 150(2):163-170, 2004年にて開示されている。免疫染色後の位相差像(青)と蛍光標識抗CgeA抗体の蛍光(赤)を撮影し、ソフトを用いて重ね合わせ像を作成した。
Example 5: Verification using anti-CgeA antibody Using an anti-CgeA antibody, it was verified that CgeA was exposed on the surface of spores of Bacillus subtilis wild strains. That is, for the spores prepared by the methods of Examples 1 to 3 (spores of Bacillus subtilis 168 strain and cgeA gene-disrupted strain), the rabbit-derived anti-CgeA antibody as the primary antibody and the goat-derived fluorescent label as the secondary antibody Immunostaining was performed using an anti-rabbit IgG antibody (Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG (H + L) manufactured by Invitrogen). Stained spores were subjected to microscopic observation. The anti-CgeA antibody used in this example was prepared by the inventors, and the method of preparation was disclosed in Kuwana, R. et al., Microbiol, 150 (2): 163-170, 2004. Yes. The phase contrast image (blue) after immunostaining and the fluorescence (red) of the fluorescence-labeled anti-CgeA antibody were photographed, and a superimposed image was created using software.
この結果を図6に示す。野生株の芽胞では抗CgeA抗体の結合が観察された(蛍光像で芽胞が観察された)。この結合はCgeA破壊株では失われたため、抗CgeA抗体とCgeAの特異的な結合であることがわかる。以上の解析より、CgeAは枯草菌芽胞の表面に露出していることが明らかになった。 The result is shown in FIG. Anti-CgeA antibody binding was observed in wild-type spores (spores were observed in the fluorescence image). This binding was lost in the CgeA-disrupted strain, indicating that it is a specific binding between the anti-CgeA antibody and CgeA. The above analysis revealed that CgeA was exposed on the surface of Bacillus subtilis spores.
本発明は、芽胞形成細菌の芽胞表層に存在するタンパク質を効率的かつ確実に探索するための技術を提供する。本発明はまた、この技術を基礎とした芽胞検出法の開発と改良、芽胞の除去法、及び芽胞を用いた医薬品製造等の応用技術の開発に寄与する。従って、本発明により提供される芽胞形成細菌の検出法と除去法は、食品飲料や医薬品の製造分野における衛生管理や、細菌の基礎研究技術に有用である。また、芽胞表層タンパク質の同定は、細菌の応用技術分野における遺伝子組換えワクチン開発や遺伝子組換えバイオリアクターの開発や改良に貢献できる。 The present invention provides a technique for efficiently and reliably searching for proteins present in the spore surface of spore-forming bacteria. The present invention also contributes to the development and improvement of a spore detection method based on this technology, the removal method of spores, and the development of applied technologies such as pharmaceutical production using spores. Therefore, the method for detecting and removing spore-forming bacteria provided by the present invention is useful for hygiene management in the field of production of food and beverages and pharmaceuticals, and basic research techniques for bacteria. In addition, the identification of spore surface proteins can contribute to the development of genetically modified vaccines and the development and improvement of genetically modified bioreactors in the field of bacterial applied technology.
Claims (8)
(a)芽胞形成細菌の芽胞長を測定するステップ、
(b)候補タンパク質が構成する殻の直径を測定するステップ、
(c)上記芽胞長の直径を1とした場合の候補タンパク質が構成する殻の直径比を求め、1から該直径比を引いて2で除した値を該候補タンパク質の絶対的位置とし、絶対的位置が0.06以下であるときに該候補タンパク質が芽胞表層に存在すると推定するステップ
を含む方法。 A method for estimating whether a candidate protein is present on a spore surface in a spore-forming bacterium, comprising:
(A) measuring the spore length of spore-forming bacteria;
(B) measuring a diameter of a shell formed by the candidate protein;
(C) The ratio of the diameter of the shell formed by the candidate protein when the diameter of the spore is 1 is obtained, and the value obtained by subtracting the diameter ratio from 1 and dividing by 2 is defined as the absolute position of the candidate protein. Estimating the candidate protein in the spore surface when the target position is 0.06 or less.
(a)サンプルと、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法により芽胞表層に存在すると推定されたタンパク質と特異的に結合する物質とを接触させるステップ、及び
(b)サンプル中の芽胞形成細菌に存在する該タンパク質と該物質との反応を検出するステップ
を含む方法。 A method for detecting spore-forming bacteria in a sample, comprising:
(A) contacting the sample with a substance that specifically binds to a protein presumed to be present on the spore surface by the method according to any one of claims 1 to 7, and (b) in the sample A method comprising a step of detecting a reaction between the substance present in a spore-forming bacterium and the substance.
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Cited By (2)
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WO2015037578A1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-03-19 | 学校法人常翔学園 | Method for rapid detection of spores by fluorescent staining |
EP4365292A1 (en) * | 2022-11-03 | 2024-05-08 | Consiglio per la ricerca in agricoltura e l'analisi dell'economia agraria | Aptamer for the detection of the microorganism bacillus subtilis |
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- 2010-05-20 JP JP2010116610A patent/JP2011239749A/en active Pending
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EP4365292A1 (en) * | 2022-11-03 | 2024-05-08 | Consiglio per la ricerca in agricoltura e l'analisi dell'economia agraria | Aptamer for the detection of the microorganism bacillus subtilis |
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