Phormidium lacuna , deniz kaya havuzlarından izole edilmiş filamentli bir siyanobakteridir. Bu makalede filamentlerin doğal kaynaklardan izolasyonu, DNA ekstraksiyonu, genom dizilimi, doğal transformasyon, sfGFP ekspresyonu, kriyokonservasyon ve motiliteye yöntemleri anlatılmaktadır.
Siyanobakteriler, güneş enerjisinin biyokütle üretimi için kullanıldığı temel araştırma ve biyoteknolojik projelerin odak noktasıdır. Phormidium lacuna, yeni izole edilmiş bir filamentli siyanobakteridir. Bu makalede, yeni filamentli siyanobakterilerin deniz kaya havuzlarından nasıl izole edilebileceği açıklanmaktadır. Ayrıca DNA’nın filamentlerden nasıl çıkarılabileceğini ve genomların nasıl sıralanabileceğini de açıklar. Birçok tek hücreli tür için transformasyon kurulmuş olmasına rağmen, filamentli siyanobakteriler için daha az sıklıkla bildirilmektedir. P. lacuna’nın doğal dönüşümü için basitleştirilmiş bir yöntem burada açıklanmaktadır. P. lacuna, doğal dönüşümün kurulduğu Oscillatoriales düzeninin tek üyesidir. Bu makale aynı zamanda süper klasör yeşil floresan proteinini (sfGFP) eksprese etmek için doğal dönüşümün nasıl kullanıldığını göstermektedir. Endojen bir cpcB promotörü, Synechocystis sp. PCC6803’ten cpc560, A2813 veya psbA2 promotörlerinden yaklaşık 5 kat daha güçlü ekspresyonu indükledi. Ayrıca, P. lacuna ve Synechocystis sp.CPP 6803’ün kriyoprezervasyonu için bir yöntem oluşturulmuş ve sıvı bir ortamda ve agar ve plastik yüzeylerde hareketliliği değerlendirmek için yöntemler tanımlanmıştır.
Siyanobakteriler, fotosentezi bir enerji kaynağı olarak kullanan prokaryotik organizmalardır 1,2. Araştırmalar giderek siyanobakteriyel türlere odaklanmaktadır. Birkaç siyanobakteri DNA3 ile dönüştürülebilir. Genler bu türlerde nakavt edilebilir veya aşırı eksprese edilebilir. Bununla birlikte, dönüşüm birkaç türle sınırlıdır 4,5,6,7,8,9,10,11 ve kültür koleksiyonlarından veya vahşi 8’den gelen suşlarda dönüşüm sağlamak zor olabilir. Filamentli Phormidium lacuna türlerinin suşları (Şekil 1), tuz konsantrasyonları veya sıcaklık gibi çevresel koşulların zamanla dalgalandığı deniz kaya havuzlarından izole edilmiştir. Bu filamentli siyanobakteriler, ait oldukları Oscillatoriales12 sırası için model organizmalar olarak kullanılabilir.
Elektroporasyon ile gen transferini test eden denemeler sırasında 13,14 P. lacuna’nın doğal dönüşüm ile dönüştürülebileceği bulunmuştur 15. Bu süreçte, DNA bazı hücreler tarafından doğal olarak alınır. Diğer dönüşüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında16,17, doğal dönüşüm, prosedürü karmaşıklaştırabilecek ek araçlara ihtiyaç duymama avantajına sahiptir. Örneğin, elektroporasyon uygun küvetler, sağlam teller ve uygun voltajın seçilmesini gerektirir. P. lacuna şu anda doğal dönüşüme duyarlı tek Oscillatoriales üyesidir. Orijinal protokol elektroporasyon protokollerine dayandığından, yine de gereksiz olabilecek birkaç yıkama adımı içeriyordu. Protokolü basitleştirmek için farklı yaklaşımlar test edildi ve burada sunulan dönüşüm protokolüne yol açtı.
Genom dizisi, gen nakavtına veya aşırı ekspresyonuna dayanan daha ileri moleküler çalışmalar için gereklidir. Genom dizileri yeni nesil dizileme makineleri ile kısa süreler içinde elde edilebilse de, DNA’nın çıkarılması zor olabilir ve türlere bağlıdır. P. lacuna ile çeşitli protokoller test edildi. Modifiye edilmiş bir setil trimetil amonyum bromür (CTAB) bazlı yöntem oluşturuldu ve bu da DNA’nın kabul edilebilir saflığı ve laboratuvarda devam eden çalışmalar için her saflaştırma döngüsünün DNA verimi ile sonuçlandı. Beş suşun genomu bu protokolle dizilenebilir. Bir sonraki mantıksal dönüşüm adımı, P. lacuna’da protein ekspresyonu oluşturmaktı.
Bu protokolde belirteç protein olarak kullanılan sfGFP, herhangi bir floresan mikroskobu ile tespit edilebilir. Test edilen tüm promotörler P. lacuna sfGFP ekspresyonu için kullanılabilir. Dönüşümden kaynaklanan suşların sayısının artması, kültürlerin depolanması için bir yönteme ihtiyaç duyulmasına neden olmuştur. Bu tür yöntemler Escherichia coli ve diğer birçok bakteri için kurulmuştur18. Standart protokollerde, gliserol kültürleri hazırlanır, sıvı azot içinde aktarılır ve -80 ° C’de depolanır. Bu yöntem sadece birkaç adım gerektirir ve kurulduğu türler için oldukça güvenilirdir. Standart protokol P. lacuna için uygun değildi, çünkü canlı hücreler her durumda kurtarılamadı. Bununla birlikte, gliserol çözüldükten sonra çıkarıldığında, tüm denemelerin hücreleri hayatta kaldı. Tip IV pili veya fotoreseptörlerin rolünü araştırmak için nakavt mutagenezi ile birleştirilebilen P. lacuna’nın hareketliliğinin analizi için basit yöntemler sunulmaktadır. Bu tahliller, tek hücreli siyanobakteriler 19,20,21’inkilerden farklıdır ve diğer Osilatoryalar için de yararlı olabilir.
Kültür koleksiyonlarından birçok siyanobakteri suşu mevcut olmasına rağmen 32,33,34,35,36, vahşi doğadan yeni siyanobakterilere hala talep vardır, çünkü bu türler belirli özelliklere uyarlanmıştır. P. lacuna kaya havuzlarından toplandı ve tuz konsantrasyonlarının ve sıcaklığın30 varyasyonlarına uyarla…
The authors have nothing to disclose.
Çalışma Karlsruher Teknoloji Enstitüsü tarafından desteklendi.
Autoclave 3870 ELV | Tuttnauer | 3870 ELV | |
Bacto Agar | OttoNorwald | 214010 | |
BG-11 Freshwater Solution | Sigma Aldrich | C3061 | |
BG-11 medium | Merck | 73816-250ML | |
Boric acid | Merck | 10043-35-3 | H3BO3 |
Calcium chloride dihydrate | Carl Roth | 10035-04-8 | CaCl2 · 2 H2O |
Cell culture flasks Cellstar with filter screw cap, sterile, 250 mL | Greiner | 658190 | |
Cell culture flasks Cellstar with filter screw cap, sterile, 50 mL | Greiner | 601975 | |
Centrifuge LYNX 4000 | Thermo Scientific | 75006580 | and rotor |
Centrifuge microstar 17 | VWR International | N/A | for up to 13,000 rpm |
Cetyltrimethylammonium Bromide (CTAB) | PanReac AppliChem | 57-09-0 | C19H42BrN |
Chloroform : Isoamyl Alcohol 24 : 1 | PanReac AppliChem | A1935 |
|
Cobalt(II) chloride hexahydrate | Merck | 7791-13-1 | CoCl2 · 6 H2O |
Copper(II) sulphate pentahydrate | Merck | 7758-99-8 | CuSO4 · 5 H2O |
D(+)-Biotin | Carl Roth | 58-85-5 | C10H16N2O3S |
DNA ladder 1 kb | New England Biolabs | N3232 | |
DNA ladder 100 bp | New England Biolabs | N3231 | |
Electrical pipetting help accujet-pro S | Brand GmbH | 26360 | for pipetting 1-25 mL |
Ethanol | VWR | 64-17-5 | C2H6O |
Ethylenediamine tetraacetic acid disodium salt dihydrate | Carl Roth | 6381-92-6 | EDTA-Na2 · 2 H2O |
Fluorescence microscope ApoTome | Zeiss | ||
Fluorescence microscope Axio Imager 2 | Zeiss | ||
French Pressure Cell Press | American Instrument Company | N/A | |
Gel documation System Saffe Image | Invitrogen | ||
Gelelctrophoresis system Mupid-One/-exu | ADVANCED | ||
Glassware, different | |||
Glycerol | Carl Roth | 56-81-5 | C3H8O3 |
Iron(III) chloride hexahydrate | Merck | 10025-77-1 | FeCl3 · 6 H2O |
Kanamycin | Sigma-Aldrich | 25389-94-0 | |
Kanamycin sulphate | Carl Roth | 25389-94-0 | C18H36N4O11 · H2SO4 |
Lauroylsarcosine, Sodium Salt (Sarcosyl) | Sigma Aldrich | 137-16-6 | C15H28NO3 · Na |
LB Broth (Lennox) | Carl Roth | X964.4 | |
Light source, fluorescent tube L18W/954 daylight | OSRAM | cultivation of cyanobacteria | |
Light source, LED panel XL 6500K 140 W | Bloom Star | N/A | cultivation of cyanobacteria, up to 1,000 µmol m-2 s-1 |
Magnesium chloride hexahydrate | Carl Roth | 7791-18-6 | MgCl2 · 6 H2O |
Manganese(II) chloride tetrahydrate | Serva | 13446-34-9 | MnCl2 · 4 H2O |
Microscope DM750 | Zeiss | ||
Midi prep plasmid extraction kit NucleoBond Xtra Midi kit | Macherey-NAGEL GmbH & Co. KG | REF740410.50 | |
Minicomputer Raspberry Pi 4 + | Conrad Electronics | 2138863-YD | for time-lapse recording |
Ocular camera EC3 | Leica | for continuous recording up to 30 s | |
Ocular camera MikrOkular Full HD | Bresser | for time-lapse recordings, coupled to Raspberry Pi minicomputer | |
Petri dishes polystyrole, 100 mm x 20 mm | Merck | P5606-400EA | |
Petri dishes polystyrole, 60 mm x 15 mm | Merck | P5481-500EA | |
Photometer Nanodrop ND-1000 | Peqlab Biotechnologie | ||
Photometer Uvikon XS | Goebel Instrumentelle Analytik GmbH | ||
Pipetman 100-1,000 µL | Gilson | SKU: FA10006M | |
Pipetman 10-100 µL | Gilson | SKU: FA10004M | |
Plastic pipettes 10 mL, sterile | Greiner | 607107 | |
Plastic tube, sterile, 15 mL | Greiner | 188271 | |
Plastic tube, sterile, 50 mL | Greiner | 227261 | |
Potassium bromide | Carl Roth | 7758-02-3 | KBr |
Potassium chloride | Carl Roth | 7447-40-7 | KCl |
Power supply Statron 3252-1 | Statron Gerätetechnik GmbH | ||
Power supply Voltcraft PPS 16005 | Conrad Electronics | for LED | |
Proteinase K | Promega | MC500C | from Maxwell 16 miRNA Tissue Kit AS1470 |
Q5 polymerase | New England Biolabs | M0491S | |
Sequencing kit NextSeq 500/550 v2.5 | Illumina | ||
Sequencing system NextSeq 550 SY-415-1002 | Illumina | ||
Shaker Unimax 2010 | Heidolph Instruments | for cultivation | |
Sodium acetate | Carl Roth | 127-09-3 | NaCH3COO |
Sodium chloride | Carl Roth | 7647-14-5 | NaCl |
Sodium dihydrogen phosphate monohydrate | Carl Roth | 10049-21-5 | NaH2PO4 · H2O |
Sodium fluoride | Carl Roth | 7681-49-4 | NaF |
Sodium hydrogen carbonate | Carl Roth | 144-55-8 | NaHCO3 |
Sodium molybdate dihydrate | Serva | 10102-40-6 | Na2MoO4 · 2 H2O |
Sodium nitrate | Merck | 7631-99-4 | NaNO3 |
Sodium sulphate | Carl Roth | 7757-82-6 | Na2SO4 |
Strontium chloride hexahydrate | Carl Roth | 10025-70-4 | SrCl2 · 6 H2O |
Thiamine hydrochloride | Merck | 67-03-8 | C12H17ClN4OS · HCl |
TRIS | Carl Roth | 77-86-1 | C4H11NO3 |
Ultrasonic device UP100H with sonotrode MS3 | Hielscher Ultrasound Technology | UP100H | |
Ultraturrax Silent Crusher M | Heidolph Instruments | homogenizer | |
Urea | Carl Roth | 57-13-6 | CH4N2O |
Vitamin B12 | Sigma | 68-19-9 | C63H88CoN14O14P |
Vitamin solution | 0.3 µM thiamin-HCl, 2.1 nM biotin, 0.37 nM cyanocobalamin | ||
Water Stills, Water treatment | VEOLIA water technologies | ELGA_21001 | |
Zinc sulphate heptahydrate | Sigma | 7446-20-0 | ZnSO4 · 7 H2O |
software, URL | |||
gatb-minia program for DNA assembly | https://github.com/GATB/gatb-minia-pipeline | makes large scaffolds from short DNA reads, Linux based | |
ImageJ | software for immage processing (pixel intensities, circle diameter) | ||
RAST annotation server | https://rast.nmpdr.org | input: genome DNA sequence, detects open reading frames, lists protein sequences and their functions | |
Culture media | |||
Artificial seawater | 0.41 M NaCl , 53 mM MgCl2,28 mM Na2SO4, 10 mM CaCl2 , 9 mM KCl , 2.4 mM NaHCO3 ,0.84 mM KBr, 0.49 mM H3BO3, 90 µM SrCl2, 72 µM NaF | ||
f/2 -liquid medium | artificial seawater, 0.1 % (v/v) trace element solution, 0.05 % (v/v) vitamin solution, 0.88 mM NaNO3, 36 µM NaH2PO4 | ||
f/2+ liquid medium | f/2-medium, with 10 times increased NaNO3 and NaH2PO4 (0.88 mM NaNO3, 36 µM NaH2PO4 | ||
f/2+-agar | 3 % (w/v) bacto agar, artificial seawater, 0.1 % (v/v) trace element solution, 0.05 % (v/v) vitamin solution ,8.8 mM NaNO3, 0.36 mM NaH2PO4 | ||
f/2-agar | 3 % (w/v) bacto agar, artificial seawater, 0.1 % (v/v) trace element solution, 0.05 % (v/v) vitamin solution ,0.88 mM NaNO3, 36 µM NaH2PO4 | ||
Trace element solution | 0.36 mM NaH2PO4, 12 µM Na2EDTA, 39 nM CuSO4, 26 nM Na2MoO4 , 77 nM ZnSO4, 42 nM CoCl2, 0.91 µM MnCl2 | ||
Vitamin solution | 0.3 µM thiamin-HCl, 2.1 nM biotin, 0.37 nM cyanocobalamin |