Erzeugung von Marked und Markerless Mutants in Modell Cyanobakterienarten
Summary
Introducing multiple genomic alterations into cyanobacteria is an essential tool in the development of strains for industrial and basic research purposes. We describe a system for generating unmarked mutants in the model cyanobacterial species Synechocystis sp. PCC6803 and marked mutants in Synechococcus sp. PCC7002.
Abstract
Cyanobacteria are ecologically important organisms and potential platforms for production of biofuels and useful industrial products. Genetic manipulation of cyanobacteria, especially model organisms such as Synechocystis sp. PCC6803 and Synechococcus sp. PCC7002, is a key tool for both basic and applied research. Generation of unmarked mutants, whereby chromosomal alterations are introduced into a strain via insertion of an antibiotic resistance cassette (a manipulatable fragment of DNA containing one or more genes), followed by subsequent removal of this cassette using a negative selectable marker, is a particularly powerful technique. Unmarked mutants can be repeatedly genetically manipulated, allowing as many alterations to be introduced into a strain as desired. In addition, the absence of genes encoding antibiotic resistance proteins in the mutated strain is desirable, as it avoids the possibility of ‘escape’ of antibiotic resistant organisms into the environment. However, detailed methods for repeated rounds of genetic manipulation of cyanobacteria are not well described in the scientific literature. Here we provide a comprehensive description of this technique, which we have successfully used to generate mutants with multiple deletions, single point mutations within a gene of interest and insertion of novel gene cassettes.
Introduction
Cyanobakterien sind eine evolutionär alten und unterschiedlichen Stamm der Bakterien in fast allen natürlichen Umwelt auf der Erde gefunden. In marinen Ökosystemen sind sie besonders reichlich vorhanden und spielen eine Schlüsselrolle in vielen Nährstoffkreisläufe spielen, für etwa die Hälfte der Kohlenstoff – Fixierung entfallen 1, die Mehrheit der Stickstofffixierung 2 und Hunderte von Millionen von Tonnen an Kohlenwasserstoffproduktion 3 in den Ozeanen jährlich. Chloroplasten, die Organell verantwortlich für die Photosynthese in eukaryotischen Algen und Pflanzen, sind wahrscheinlich von einem Cyanobakterium entwickelt zu haben , die vier von einem Wirtsorganismus verschlungen wurde. Cyanobakterien haben sich als nützlich erwiesen Modellorganismen für die Untersuchung der Photosynthese, Elektronentransport 5 und biochemischen Wege, von denen viele in Pflanzen konserviert sind. Darüber hinaus Cyanobakterien werden zunehmend für die Herstellung von Lebensmitteln verwendet werden, Biokraftstoffe 6, Strom 7 und Industrieverbindungen 8, die aufgrund ihrer halloghly effiziente Umwandlung von Wasser und CO 2 in Biomasse Solarenergie 9 verwenden. Viele Arten können auf Nicht-Ackerland mit minimalen Nährstoffe und Meerwasser gezüchtet werden, dass Cyanobakterien was darauf hindeutet, möglicherweise in großem Umfang angebaut werden könnten, ohne die landwirtschaftliche Produktion zu beeinträchtigen. Bestimmte Arten sind auch Quellen von natürlichen Produkten, einschließlich Antimykotika, antibakterielle und Anti-Krebs – Verbindungen 10,11.
Die Fähigkeit, Mutanten zu erzeugen, ist der Schlüssel zum Verständnis cyanobakteriellen Photosynthese, der Biochemie und Physiologie und essentiell für die Entwicklung von Stämmen für industrielle Zwecke. durch Einfügen eines Antibiotikaresistenzkassette in den Ort von Interesse, die Mehrheit der veröffentlichten Studien erzeugen genetisch Stämme modifiziert. Dies begrenzt die Anzahl von Mutationen, die in einen Stamm eingeführt werden kann, da nur wenige Antibiotikaresistenz Kassetten zur Verwendung in Cyanobakterien verfügbar sind. Die Stämme Gene, Antibiotika re enthält,Beständigkeit kann nicht für die industrielle Produktion in offenen Teichen verwendet werden, die die einzigen kosteneffektiven Mittel , um wahrscheinlich 12 Biokraftstoffe und andere geringwertige Produkte zu erzeugen. Die Erzeugung von nicht markierten Mutanten überwindet diese Einschränkungen. Nicht markierte Mutanten enthalten keine Fremd-DNA, sofern nicht absichtlich enthalten und kann mehrfach manipuliert werden. Daher ist es möglich, so viele Veränderungen in einem Stamm zu erzeugen, wie gewünscht. Zusätzlich nachgeschalteten polaren Effekte auf Gene der Modifikationsstelle minimiert werden, präziser Modifikation des Organismus 13 ermöglicht.
In den Mutantenstämmen, suicide Plasmiden, die zwei DNA-Fragmente identisch zu Regionen im cyanobakteriellen Chromosom flankieren das Gen deletiert werden (bezeichnet als die 5'- und 3'-flankierende Bereiche) zuerst konstruiert erzeugen. Zwei Gene werden dann zwischen diesen flankierenden Regionen eingeführt. Eines davon codiert eine antibiotische Resistenz-Protein; der zweite kodiert SacB, die produces Levansucrase, verleihen eine Verbindung Empfindlichkeit gegenüber Saccharose. In der ersten Stufe des Verfahrens, markierte Mutanten, enthält also Stämme einige fremde DNA, erzeugt. Das Plasmid-Konstrukt wird mit den Cyanobakterien-Zellen gemischt, und die DNA wird auf natürliche Weise durch den Organismus aufgenommen. Transformanten werden durch Wachstum auf Agar-Platten, die das entsprechende Antibiotikum und das mutierte Genotyp durch PCR verifiziert ausgewählt. Suicide Plasmide können nicht innerhalb der Stamm von Interesse replizieren. Daher irgendwelche Antibiotika-resistente Kolonien werden aus einem Rekombinationsereignis führen, wobei das interessierende Gen in das Chromosom eingefügt in. Zur Erzeugung nicht markierten Mutanten wird die markierte Mutante dann mit einem zweiten Selbstmord Plasmid gemischt, die nur die 5 'und 3' flankierenden Regionen. wenn Insertion von Fremd-DNA jedoch erforderlich ist, ein Plasmid, bestehend aus den 5'- und 3'-flankierenden Regionen mit einer Kassette, die die Gene von Interesse zwischen diesen DNA-Fragmente eingefügt enthalten, können verwendet werden. Selection ist über Wachstum auf Agar-Platten, die Saccharose. Wie Saccharose auf Zellen letal ist , wenn das sacB Gen – Produkt exprimiert wird, daß die nur Zellen überleben , sind jene , in denen ein zweites Rekombinationsereignis stattgefunden hat, wobei die Saccharose Empfindlichkeitsgens, zusätzlich zu dem Antibiotika – Resistenzgen, aus dem rekombinierten wurde Chromosom und auf dem Plasmid. Als Folge der rekombinatorischen Austausch, die flankierenden Regionen und jede DNA zwischen ihnen werden in das Chromosom inseriert.
Wir haben erfolgreich diese Methoden zu generieren mehrere chromosomale Mutationen in dem gleichen Stamm von Synechocystis sp. PCC6803 (nachfolgend als Synechocystis) 13,14, einzelne Punktmutationen in einem Gen von Interesse 13 und für die Expression von Genkassetten einzuführen. Während Generation von unmarkierten Vorprägungen hat vor unserer Arbeit in Synechocystis 15,16, eine detaillierte Methode nachgewiesen wurde, unterstützt durcheine visuelle Darstellung der kritischen Schritte, ist nicht öffentlich verfügbar. Wir haben galt auch die gleiche Methode zur Erzeugung von markierten Vorprägungen in einem anderen Modell Cyanobakterium, sp Synechococcus. PCC7002 (nachstehend als Synechococcus). Dieses Protokoll stellt eine klare, einfache Methode für Mutanten und ein schnelles Protokoll zur Validierung und Speicherung dieser Stämme zu erzeugen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die wichtigsten Schritte bei der Erzeugung von nicht markierten Mutanten sind: 1) vorsichtig Plasmid-Design, um sicherzustellen, nur die Zielregion verändert wird; 2) sicherzustellen, dass die Proben bleiben axenic, vor allem, wenn die Kultur auf Saccharose; 3) plating Zellen für markierte Mutante Generation zunächst auf Agarplatten BG11 transformiert Antibiotika, gefolgt von der Zugabe von Agar und Antibiotika 24 Stunden später fehlen; 4) markierte Kultivierung Mutanten für 4 volle Tage vor auf BG11 und Saccharose…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir sind dankbar, dass der Umwelt Services Association Education Trust, der Synthetischen Biologie in Cambridge SynBio Fonds und des Ministeriums für soziale Gerechtigkeit und Übertragung von Verantwortung, Regierung von Indien, für die finanzielle Unterstützung.
Materials
| NaNO3 | Sigma | S5506 | |
| MgSO4.7H2O | Sigma | 230391 | |
| CaCl2 | Sigma | C1016 | |
| citric acid | Sigma | C0759 | |
| Na2EDTA | Fisher | EDT002 | |
| H3BO3 | Sigma | 339067 | |
| MnCl2.4H2O | Sigma | M3634 | |
| ZnSO4.7H2O | Sigma | Z4750 | |
| Na2MoO4.2H2O | Sigma | 331058 | |
| CuSO4.5H2O | Sigma | 209198 | |
| Co(NO3)2.6H2O | Sigma | 239267 | |
| Ferric ammonium citrate | Sigma | F5879 | |
| K2HPO4 | Sigma | P3786 | |
| Na2CO3 | Fisher | SODC001 | |
| TES | Sigma | T1375 | |
| NaHCO3 | Fisher | SODH001 | |
| HEPES | Sigma | H3375 | |
| cyanocobalamin | Sigma | 47869 | |
| Na2S2O3 | Sigma | 72049 | |
| Bacto agar | BD | 214010 | |
| Sucrose | Fisher | SUC001 | |
| Petri dish 90 mm triple vented | Greiner | 633185 | |
| 0.2 µm filters | Sartorius | 16534 | |
| 100 mL conical flasks | Pyrex | CON004 | |
| Parafilm M 100 mm x38 m | Bemis | FIL003 | |
| Phusion high fidelity DNA polymerase | Phusion | F-530 | |
| Agarose | Melford | MB1200 | |
| DNA purification kit | MoBio | 12100-300 | |
| Restriction endonucleases | NEB | ||
| T4 ligase | Thermo Scientific | EL0011 | |
| Luria Bertani broth | Invitrogen | 12795-027 | |
| MES | Sigma | M8250 | |
| Kanamycin sulfate | Sigma | 60615 | |
| Ampicillin | Sigma | A9518 | |
| GeneJET plasmid miniprep kit | Thermo Scientific | K0503 | |
| 14 mL round-bottom tube | BD falcon | 352059 | |
| GoTaq G2 Flexi DNA polymerase | Promega | M7805 | |
| 425-600 µm glass beads | Sigma | G8772 | |
| Glycerol | Sigma | G5516 | |
| DMSO | Sigma | D8418 | |
| Fluorescent bulbs | Gro-Lux | 69 | |
| HT multitron photobioreactor | Infors |
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