1-4. 大腸菌
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1) 特徴
大腸菌(Escherichia coli, E. coli)
大腸に生息する0.5×4μmほどの桿菌(棒状の細菌)で、約466万塩基対の環状DNAをゲノムにもち、遺伝子はおよそ4,300個
細胞表面のタンパク質や多糖類の違いに基づき、いくつかのタイプに分けられるが、一部(e.g. 病原性大腸菌O-157)を除き非病原性
研究に使われる大腸菌はK12株とよばれる系統だが、その他B株などもわずかに使用される
K12株は扱いやすく、またプラスミドやファージを使った遺伝解析や遺伝子操作が容易
遺伝子工学の中心的な生物である大腸菌のなかの標準的な菌株
条件がよいと約15分に1回という、非常に速い速度で分裂・増殖する
このことが迅速な遺伝子組換え実験を可能にしている理由の一つ
2) 遺伝子型
元の野生型大腸菌から派生株が多数作製されている
DNA組換え実験で大腸菌を使用する場合、目的に適した菌株の大腸菌を使用する必要がある
DNAの増えやすさ
DNAの導入のしやすさ
入れた後の増幅性や安定性
DNAのもつ遺伝子の検出のしやすさ
つくられるタンパク質の安定性など
大腸菌株の性質は細菌がもつ遺伝子によるが、それらは個々の大腸菌で記載されている遺伝子型(genotype, 遺伝子マーカーともいう)で判断できる
実際に使用する場合、以下の遺伝子型が特に重要
Tn
トランスポゾンが入っている
「::」と表示される
トランスポゾンで運ばれる薬剤耐性遺伝子を持つ
e.g. Tn5はカナマイシン耐性
栄養要求性
特定の栄養素が合成できず増殖させる場合、それを加えなくてはならない
e.g. thyAはチミン要求性
薬剤耐性
細菌を殺す抗生物質Xを無毒化する酵素遺伝子を持つ
e.g. strAはストレプトマイシン耐性
Xを加えて培養することができる
稔性
雄菌の性質を示すF因子($ \mathrm F^+)をもつか、それがゲノムに組み込まれたもの(Hfr)をもつ
M13ファージの感染に必須
組換え能
recA, recBCDなどがかかわるが、とりわけ主要組換え遺伝子recA遺伝子が重要
野生型($ recA^+)は組換えが高頻度に起こるため、大腸菌に組換え操作を施したばかりのDNAを導入する場合は、recA機能を欠いた$ recA^-菌を使う
サプレッサーtRNA
ナンセンス変異を抑圧するサプレッサーtRNAが発現していると、ナンセンス変異をもつファージ(e.g. Charon4A)を増やすことができる
UAGコドンを抑圧するsupE(グルタミンを対応させる)、supF(チロシンを対応させる)がよく使われる
ラクトース代謝遺伝子
ラクトース(乳糖)オペロン中のlacZ遺伝子と、そのリプレッサー遺伝子であるlacIが対となって制御系が構築されている
青白選択で導入した導入したラクトースオペロンを利用する場合、染色体の遺伝子は機能しないようにした菌株を用いる
プロテアーゼ
大腸菌でタンパク質を産生させる場合はプロテアーゼ(ペプチド結合を加水分解する酵素)の少ない菌株(e.g. ompT)を使用する
3) 培養
培地
大腸菌はグルコースと数種類の無機塩類の入った合成培地(最小限の栄養素が入っているものは最少培地)で増殖可能
単に大腸菌を十分に増やすというのであれば、糖、アミノ酸、ビタミン、ミネラルなどが豊富に入った酵母抽出物とタンパク質分解物であるトリプトンに食塩を加えた半合成培地(e.g. LB培地)を用いればよい
培地を作る場合、水に試薬類を溶かし、pHを7.0にしてからオートクレーブ減菌する
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減菌により、雑菌の増殖(コンタミネーション)が防止でき、純粋培養が可能になる
オートクレーブ前に寒天を加えると、冷えた後で固まるので、固形培地として使うことができる
液体培養
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大腸菌を液体培地に接種(植菌)し、培養を開始すると(酸素を取り込ませるため、撹拌する)、誘導期を経て、細胞が約15分ごとに1回分裂する対数増殖期に入り、急速に増え始める
半日も経つと、栄養素の枯渇や物理的制約、代謝産物や老廃物の蓄積によって増殖速度が低下し、それ以上増えなくなる(定常期)
その後、死細胞が増え、生菌数が減少し(死滅期)、やがてほとんどが死滅する
プレートを使った培養
寒天を入れた培地をシャーレで固めたものをプレート(平板培地)という
白金耳(菌を塗るために先端が輪になった金属製の器具)で大腸菌をプレートに塗ると、一晩の培養で1個の細菌が目で見える集団(コロニー)にまで成長する
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多数の細菌でも適当に希釈して接種するとコロニーが独立して出現するので、結果的に細菌1個1個を独立(純粋)に扱える純粋培養ができる
このような画線培養のほか、培養方法には塗り広げ培養や、ファージのプラークを出させる軟寒天重層法などがある
4) 滅菌
滅菌
生命体、さらにはゲノムやウイルスなど、それらすべてを死滅・無力化させる操作
無菌
滅菌された状態
細菌やウイルスの操作、組織培養は無菌操作を基本とする
遺伝子工学では主に以下の4つの滅菌法が用いられる
オートクレーブ(高圧蒸気滅菌)
121℃の水蒸気(2気圧の水蒸気)による15分間の加熱を、専用の機械(機械もオートクレーブという)を使って行う
主に水分を含むものに使われる
乾熱滅菌
水分のないもので、耐熱性のもの(e.g. 金属製、ガラス製、耐熱性プラスチック製)をオーブンを使って180℃、30分間加熱する
火災滅菌
白金耳など、細菌を扱う器具で行われる
ガスバーナーなどの火炎中で赤熱するだけの操作
ピンセットやガラス器具の一部分を滅菌する目的でも行われる
フィルター滅菌
熱不安定な液体試料や有機溶剤などを、穴サイズ0.2μmのフィルターに通す
生物はのぞけるが、ウイルスや核酸は通過する
その他、エチレンオキサイドガスやγ線といった特殊な滅菌法もある
殺菌
増殖型細菌を殺すこと
紫外線や殺菌剤(逆性石鹸、アルコール、ハロゲン(塩素、ヨード)など)、煮沸などの方法がある
紫外線はDNAを損傷させ、殺菌剤はタンパク質を編成させる
程度の差はあるがウイルスにも有効である
消毒
殺菌のうち、病原性のものを殺す場合、あるいは感染性を失わせる場合
ただし滅菌でない限り、カビや細菌の胞子を殺すことはできない