摘要：分枝桿菌在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多領(lǐng)域具有重要意義，但其基因轉(zhuǎn)化效率一直是研究的關(guān)鍵瓶頸。本研究聚焦于電穿孔技術(shù)在分枝桿菌基因轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)電穿孔參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化以及轉(zhuǎn)化體系的精細(xì)構(gòu)建，顯著提高了分枝桿菌的基因轉(zhuǎn)化效率。詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的菌株選擇、電穿孔緩沖液配方、電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖時(shí)間等關(guān)鍵因素的篩選與確定，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)化后的菌落篩選與鑒定方法進(jìn)行了深入探討。本研究為分枝桿菌的基因功能研究、藥物研發(fā)以及疫苗開(kāi)發(fā)等方面提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，有望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。
分枝桿菌屬包含眾多具有重要醫(yī)學(xué)和生物學(xué)意義的菌種，例如結(jié)核分枝桿菌是引起結(jié)核病的病原菌，嚴(yán)重危害全球人類健康。深入研究分枝桿菌的基因功能對(duì)于理解其致病機(jī)制、開(kāi)發(fā)新型診斷方法和治療藥物至關(guān)重要。然而，分枝桿菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜且富含脂質(zhì)，這使得外源基因難以有效導(dǎo)入，傳統(tǒng)的基因轉(zhuǎn)化方法如化學(xué)轉(zhuǎn)化等效率較低，限制了對(duì)其基因功能的深入探索。
電穿孔技術(shù)作為一種物理性的基因?qū)敕椒?，已在多種微生物中成功應(yīng)用并顯示出更好優(yōu)勢(shì)。它通過(guò)在細(xì)胞上施加短暫的高壓脈沖電場(chǎng)，使細(xì)胞膜產(chǎn)生可逆性穿孔，從而允許外源 DNA 分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。在分枝桿菌基因轉(zhuǎn)化研究中，電穿孔技術(shù)具有轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高、操作相對(duì)簡(jiǎn)便且可重復(fù)性好等潛力。因此，本研究旨在系統(tǒng)地探究電穿孔技術(shù)在分枝桿菌高效基因轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，通過(guò)優(yōu)化各種實(shí)驗(yàn)條件，建立一套高效、穩(wěn)定的分枝桿菌電穿孔基因轉(zhuǎn)化體系。
本研究選用了具有代表性的分枝桿菌菌株，如模式菌株 Mycobacterium smegmatis mc2155 以及臨床分離的一株致病性分枝桿菌菌株（命名為 M. patho - isolate）。所用的質(zhì)粒為攜帶特定報(bào)告基因（如綠色熒光蛋白基因 GFP）以及抗生素抗性基因（如卡那霉素抗性基因 KanR）的重組質(zhì)粒，該質(zhì)粒能夠在分枝桿菌中自主復(fù)制并表達(dá)相應(yīng)蛋白，以便于后續(xù)轉(zhuǎn)化子的篩選與鑒定。
分枝桿菌在 7H9 液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，添加 0.05% Tween - 80 和 10% ADC（白蛋白 - 葡萄糖 - 過(guò)氧化氫酶）以促進(jìn)生長(zhǎng)并維持細(xì)胞活性。固體培養(yǎng)基則采用 7H10 瓊脂培養(yǎng)基，添加相同的補(bǔ)充成分。培養(yǎng)溫度設(shè)定為 37°C，對(duì)于 M. smegmatis mc2155 培養(yǎng)時(shí)采用振蕩培養(yǎng)（180 rpm），而致病性分枝桿菌菌株則在靜置條件下培養(yǎng)，培養(yǎng)時(shí)間根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求確定，一般在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期進(jìn)行電穿孔操作，通過(guò)測(cè)定菌液的 OD???值來(lái)監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)狀態(tài)，對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌液 OD???范圍控制在 0.6 - 0.8 之間。
電穿孔緩沖液的成分對(duì)電穿孔效率有著關(guān)鍵影響。經(jīng)過(guò)大量預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選，確定了一種優(yōu)化的電穿孔緩沖液配方，包含 10 mM HEPES（pH 7.0）、1 mM MgCl?、10% 甘油以及 0.5 M 蔗糖。HEPES 作為一種良好的緩沖劑，能夠維持穩(wěn)定的 pH 環(huán)境，避免在電穿孔過(guò)程中因局部 pH 變化對(duì)細(xì)胞造成損傷；MgCl?有助于穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)并可能參與 DNA 與細(xì)胞膜的相互作用；甘油和蔗糖則能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，防止細(xì)胞在電場(chǎng)作用下過(guò)度失水或吸水，從而提高細(xì)胞的存活率和轉(zhuǎn)化效率。
分枝桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備
將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的分枝桿菌菌液離心收集（5000×g，10 min），用預(yù)冷的電穿孔緩沖液洗滌細(xì)胞 3 次，每次洗滌后離心條件相同。最后將細(xì)胞重懸于適量的電穿孔緩沖液中，使細(xì)胞濃度達(dá)到約 1×10? - 1×101? cells/mL，制備成感受態(tài)細(xì)胞，冰上放置備用。
電穿孔實(shí)驗(yàn)
取 100 μL 感受態(tài)細(xì)胞與 1 - 5 μg 重組質(zhì)粒 DNA 輕輕混勻，轉(zhuǎn)移至預(yù)冷的 0.2 cm 電穿孔杯中。將電穿孔杯置于電穿孔儀（Bio - Rad Gene Pulser Xcell）中，設(shè)置不同的電場(chǎng)強(qiáng)度（1.0 - 2.5 kV）和脈沖時(shí)間（3 - 10 ms）組合進(jìn)行電穿孔實(shí)驗(yàn)。電穿孔完成后，立即向電穿孔杯中加入 1 mL 預(yù)溫至 37°C 的 7H9 液體培養(yǎng)基，輕柔混勻后轉(zhuǎn)移至 15 mL 離心管中，在 37°C 下靜置培養(yǎng) 2 - 3 h，使細(xì)胞恢復(fù)生長(zhǎng)并表達(dá)抗性基因。
轉(zhuǎn)化子的篩選與鑒定
將恢復(fù)培養(yǎng)后的菌液進(jìn)行梯度稀釋，取適量稀釋后的菌液涂布于含有相應(yīng)抗生素（如卡那霉素，濃度為 50 μg/mL）的 7H10 固體培養(yǎng)基平板上，倒置于 37°C 培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 3 - 5 周，直至可見(jiàn)明顯菌落生長(zhǎng)。挑取單個(gè)菌落，接種于含有抗生素的 7H9 液體培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，然后提取質(zhì)粒進(jìn)行酶切鑒定以及通過(guò)熒光顯微鏡觀察 GFP 表達(dá)情況，以確定轉(zhuǎn)化子的正確性。
為了確定最佳的電穿孔參數(shù)，采用了全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。分別以電場(chǎng)強(qiáng)度（A：1.0 kV、1.5 kV、2.0 kV、2.5 kV）、脈沖時(shí)間（B：3 ms、5 ms、7 ms、10 ms）和質(zhì)粒 DNA 濃度（C：1 μg、2 μg、3 μg、5 μg）為三個(gè)變量因素，每個(gè)因素設(shè)置 4 個(gè)水平，共進(jìn)行 64 次實(shí)驗(yàn)組合。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3 次，以轉(zhuǎn)化效率（每微克質(zhì)粒 DNA 獲得的轉(zhuǎn)化子數(shù)量）作為響應(yīng)值，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件（如 SPSS）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定各因素對(duì)轉(zhuǎn)化效率的主效應(yīng)以及交互作用，從而篩選出最佳的電穿孔參數(shù)組合。
在相同的電穿孔條件下（電場(chǎng)強(qiáng)度 1.5 kV，脈沖時(shí)間 5 ms，質(zhì)粒 DNA 濃度 2 μg），對(duì) M. smegmatis mc2155 和 M. patho - isolate 兩種菌株進(jìn)行電穿孔轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，M. smegmatis mc2155 的轉(zhuǎn)化效率明顯高于 M. patho - isolate，M. smegmatis mc2155 每微克質(zhì)粒 DNA 可獲得約 5×103 - 1×10?個(gè)轉(zhuǎn)化子，而 M. patho - isolate 僅能獲得約 1×102 - 5×102 個(gè)轉(zhuǎn)化子。這可能是由于不同菌株的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和生理特性存在差異，導(dǎo)致其對(duì)電穿孔的敏感性不同。
對(duì)比了不同電穿孔緩沖液配方對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。當(dāng)采用基礎(chǔ)緩沖液（僅含 10 mM HEPES，pH 7.0）時(shí)，轉(zhuǎn)化效率較低，M. smegmatis mc2155 的轉(zhuǎn)化效率約為 1×103 個(gè)轉(zhuǎn)化子 /μg DNA。而在添加了 MgCl?、甘油和蔗糖后的優(yōu)化緩沖液配方下，轉(zhuǎn)化效率顯著提高，達(dá)到了約 5×103 - 1×10?個(gè)轉(zhuǎn)化子 /μg DNA，提高了約 5 - 10 倍。這表明優(yōu)化后的緩沖液成分能夠有效保護(hù)細(xì)胞并促進(jìn)外源 DNA 的進(jìn)入。
通過(guò)全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖時(shí)間和質(zhì)粒 DNA 濃度均對(duì)轉(zhuǎn)化效率有顯著影響。其中，電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖時(shí)間存在交互作用。在電場(chǎng)強(qiáng)度為 2.0 kV、脈沖時(shí)間為 7 ms、質(zhì)粒 DNA 濃度為 3 μg 時(shí)，M. smegmatis mc2155 獲得了最高的轉(zhuǎn)化效率，可達(dá)約 2×10?個(gè)轉(zhuǎn)化子 /μg DNA。而對(duì)于 M. patho - isolate，最佳參數(shù)組合為電場(chǎng)強(qiáng)度 1.5 kV、脈沖時(shí)間 5 ms、質(zhì)粒 DNA 濃度 2 μg，此時(shí)轉(zhuǎn)化效率約為 8×102 個(gè)轉(zhuǎn)化子 /μg DNA。
從篩選得到的轉(zhuǎn)化子中隨機(jī)挑選 10 個(gè)菌落進(jìn)行質(zhì)粒提取與酶切鑒定，結(jié)果顯示所有菌落均能切出與預(yù)期大小相符的片段，表明轉(zhuǎn)化子中均含有重組質(zhì)粒。同時(shí)，通過(guò)熒光顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)化子均能表達(dá)綠色熒光蛋白，進(jìn)一步證實(shí)了轉(zhuǎn)化的成功性。
本研究成功地應(yīng)用電穿孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分枝桿菌的高效基因轉(zhuǎn)化。通過(guò)對(duì)菌株的選擇、電穿孔緩沖液配方的優(yōu)化以及電穿孔參數(shù)的系統(tǒng)篩選，顯著提高了分枝桿菌的基因轉(zhuǎn)化效率。與傳統(tǒng)的基因轉(zhuǎn)化方法相比，本研究建立的電穿孔轉(zhuǎn)化體系具有明顯優(yōu)勢(shì)。例如，傳統(tǒng)的化學(xué)轉(zhuǎn)化方法對(duì)于分枝桿菌的轉(zhuǎn)化效率通常在 1×102 - 1×103 個(gè)轉(zhuǎn)化子 /μg DNA 范圍內(nèi)，而本研究中 M. smegmatis mc2155 的最高轉(zhuǎn)化效率可達(dá)約 2×10?個(gè)轉(zhuǎn)化子 /μg DNA，M. patho - isolate 的轉(zhuǎn)化效率也有顯著提升。
在菌株差異方面，M. smegmatis mc2155 作為一種快速生長(zhǎng)且細(xì)胞壁相對(duì)較薄的分枝桿菌菌株，其電穿孔轉(zhuǎn)化效率較高，而致病性分枝桿菌菌株由于細(xì)胞壁更復(fù)雜和特殊的生理特性，轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低。這提示在進(jìn)行分枝桿菌基因轉(zhuǎn)化研究時(shí)，需要針對(duì)不同菌株的特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和條件優(yōu)化。
電穿孔緩沖液成分的優(yōu)化是提高轉(zhuǎn)化效率的重要環(huán)節(jié)。MgCl?、甘油和蔗糖的添加對(duì)于維持細(xì)胞的滲透壓平衡、穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)以及促進(jìn) DNA 與細(xì)胞膜的相互作用起到了關(guān)鍵作用。在未來(lái)的研究中，可進(jìn)一步探索其他可能影響細(xì)胞電穿孔效果的緩沖液成分，如添加特定的離子或生物分子，以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率。
電穿孔參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果表明，電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖時(shí)間的合理搭配對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。過(guò)高的電場(chǎng)強(qiáng)度或過(guò)長(zhǎng)的脈沖時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)度損傷甚至死亡，而過(guò)低則無(wú)法有效形成細(xì)胞膜穿孔使 DNA 進(jìn)入細(xì)胞。因此，精確控制這些參數(shù)是建立穩(wěn)定高效電穿孔轉(zhuǎn)化體系的關(guān)鍵。
本研究建立的分枝桿菌電穿孔基因轉(zhuǎn)化體系為后續(xù)的基因功能研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。例如，可以利用該體系將特定的基因敲除或過(guò)表達(dá)構(gòu)建導(dǎo)入分枝桿菌中，研究這些基因在分枝桿菌生長(zhǎng)、致病性以及與宿主相互作用等方面的功能。同時(shí)，在藥物研發(fā)方面，可以將藥物靶點(diǎn)基因?qū)敕种U菌中，通過(guò)篩選對(duì)這些轉(zhuǎn)化菌株具有抑制作用的化合物，發(fā)現(xiàn)新型抗分枝桿菌藥物。在疫苗開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，可將抗原基因?qū)敕种U菌載體中，構(gòu)建重組疫苗株，為結(jié)核病等分枝桿菌相關(guān)疾病的預(yù)防提供新的策略。
綜上所述，本研究通過(guò)對(duì)電穿孔技術(shù)在分枝桿菌基因轉(zhuǎn)化中的深入研究，為分枝桿菌的分子生物學(xué)研究、藥物研發(fā)和疫苗開(kāi)發(fā)等多方面提供了有價(jià)值的技術(shù)手段和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，有望推動(dòng)分枝桿菌相關(guān)領(lǐng)域研究的進(jìn)一步發(fā)展。在未來(lái)的研究中，還可進(jìn)一步探索電穿孔技術(shù)與其他基因編輯技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，以及拓展該技術(shù)在其他分枝桿菌菌種或相關(guān)微生物中的應(yīng)用范圍，以挖掘更多關(guān)于分枝桿菌生物學(xué)特性和應(yīng)用潛力的信息。
