細菌質粒可作為基因無性繁殖的運載工具載體(對過沉),因而質粒DNA的提取是分子遺傳學實驗中常用的基本方法。
細菌質粒是一種雙鏈環狀的DNA分子,其大小約1~200kb處不等。現已在很多種細菌中發現了質粒。質粒是獨立於細菌染色體之外可進行複製和遺傳的輔助性遺傳單位,同時其又依賴於宿主編碼的酶和蛋白質來進行複製和轉錄。一般情況下,質粒含有編碼某些酶的基因,而這些酶往往在一定條件下對細菌宿主有利。例如某些質粒基因的表型表現為對抗生素的抗性,即抗藥性,以及產生抗生素、大腸杆菌素和限製酶、修飾酶等。
質粒具有複製能力;轉移能力,如很多質粒可以通過一種稱為細菌接合的方式轉移到新宿主內。利用這種特性,人們在基因工程中廣泛使用質粒作為轉移目的基因的載體。
實驗原理
現已有很多方法用於從細菌中提取和純化質粒DNA,而這些方法一般均可分為三步:①細菌培養物的生長;②細菌的收獲和裂解;③質粒DNA的純化。
(一)細菌培養物的生長及質粒的擴增
從瓊脂平板上挑取一個單菌落,接種到培養物中(如含適當抗生素的LB液體培養基中)然後從中抽提質粒DNA。現在用於基因工程中的許多質粒載體(如係列)都複製到很高的拷貝數,因此隻要將培養物放到標準培養基中生長至對數晚期,即可大量抽提質粒DNA,所以不必選擇性地擴增質粒人。而對於某載體(如由於質粒不能如此自由地複製,一般需要在已經培養一段時間的細菌培養物中加入氯黴素繼續培養若幹小時,以便對質粒進行選擇性擴增。因為氯黴素可以抑製宿主的蛋白質合成,結果阻止了細菌染色體DNA的複製,但是鬆弛型質粒仍可繼續複製。在若幹小時內,其拷貝數持續遞增,從而達到質粒的選擇性擴增。
(二)細菌的收獲、裂解及質粒DNA的分離
細菌的收獲可以通過離心來進行,而細菌的裂解則可根據質粒的大小選擇不同的方法。如大質粒容易受損,應采用溫和裂解法,例如將細菌懸於蔗糖等滲溶液中,然後用溶菌酶和EDTA進行處理,破環細胞壁和細胞膜,再加入去汙劑如SDS溶解球形體。對於一些小質粒,則可用劇烈的方法來裂解。例如加入EDTA後,加入溶菌酶及SDS,通過煮沸或減變性裂解法使之溶解。這些處理可破壞堿基配對,使宿主的線性染色體DNA發生不可遞的變性作用。但相對分子量較小的閉環質粒DNA鏈由於拓撲纏繞狀態而不能彼此分開,當條件恢複正常時,質粒DNA鏈可迅速準確配置,重新形成完全天然的超螺旋分子,隨之用酚氯仿抽提,染色體DNA和蛋白質一同沉澱,而質粒DNA仍留在水相中,再加入乙醇沉澱質粒人即可獲得用於轉化和DNA體外重組實驗所需的質粒DNA。
當然,采用何種裂解細菌的方法,除考慮到質粒大小外,還應綜合考慮將來如何純化質粒DNA的方法,以選擇最適當的方法。限於篇幅,在此不加贅述。
(三)質粒DNA的純化
通常使用的純化方法都利用質粒DNA相對較小及共價閉合環狀這兩個性質。目前常用的方法主要有氯化銫溴化乙錠梯度平衡離心分離質粒,以及聚乙二醇分級沉澱法來純化質粒DNA。
由於目前所用的質粒大多數複製量很大,一般小量製備質粒即可得到足量的DNA,完成以下種種工作:限製酶圖的繪製、細菌轉化、特定人片段的分離、常規亞克隆以及放射性標記探針的製備等,所以可以免去進一步提純的問題。
本次實驗主要介紹堿變性抽提質粒DNA的方法。此法優點是快速,而且使用範圍廣,對象可以包括各種的細菌,例如大腸杆菌、假單胞菌、各種芽胞杆菌、根瘤菌、沙門氏菌等。