通过创建一个的合成Curli的操纵子工程粘附的细菌

摘要

的合成操纵子编码既分泌装置和curli纤维的结构的单体的设计进行说明。这些淀粉样蛋白和粘附聚合物的生产过剩允许的，坚持一个可衡量的收益 E.大肠杆菌底盘 ¹。简单的方法来可视化和量化坚持进行说明。

摘要

这里描述的方法，包括重新设计E.一个强大和金属-overinducible的启动子的控制下，通过组装的最小数目curli基因的大肠杆菌的附着性，并在可视化和量化的细菌粘附的产生的收益。这种方法适用于相应的工程原则的抽象和标准化的合成生物学，和的结果中的BBa_K540000的Biobrick（最佳新Biobrick设备，设计，IGEM 2011）。

第一步包括在响应于金属中专门讨论curli生产过剩合成操纵子的设计，因此，在增加的粘附能力的野生型菌株。原curli操纵子进行了修改，在硅片，以优化转录和翻译信号和逃脱的“自然”规定的curli。这种方法允许，以测试成功我们目前了解的curli生产，。 MoreoveR，简化的curli切换的内源性的复杂子（超过10个转录调控因子识别）一个简单的金属调控启动子调控，坚持更容易控制。

所述第二步骤包括：通过简单的方法实施的粘附能力的定性和定量评估。这些方法适用于大范围的附着的细菌，无论参与生物膜形成的生物结构。粘附试验在24孔聚苯乙烯板，提供了一种快速的初步的细菌生物膜的结晶紫染色后的可视化。这种定性试验可以削尖的量化遵守百分比。这样的方法是非常简单的，但更精确的比如前所述¹既具有良好的重复性和再现性的唯一的结晶紫染色。可视化GFP标记的细菌玻片上的荧光或激光CONFOCAL显微镜可以通过直接观察的现象，以加强与24孔板试验所获得的结果。

引言

逆境支持的细菌黏附在生物修复，生物催化或微生物燃料电池中起着重要的作用。生物修复过程使用的微生物降解有机物质的能力，或修改的金属分布（固定，挥发）或形态。这些有益的活动中观察到水生和陆地生态系统，而且在人工开发的系统，以处理工业和生活废弃物污染的水。微生物活性的强度和质量依赖于物理化学因素，但也对微生物的生活方式（自由漂浮或嵌入到生物膜）。生物膜的形成是相关联的新陈代谢，促进抗性的生物杀灭剂通过不同的机制。因此，应鼓励这种现象在大多数的生物修复过程。此外，工程大肠杆菌细胞控制生物膜的形成已被成功地应用到固定化全细胞传感器，生物芯片上^2-3。

适应发生微生物高浓度的金属通过如吸附到细胞外基质成分的不同的机制，外排泵的激活或特定的运营商能够集中在金属进入细胞。在实验室规模，提高这些细菌的活动，通过基因工程使金属污染的有效和廉价的治疗，尤其是在薄弱数量的情况下，剧毒金属拉古等人所描述的2008年^4月 。在这种情况下，细菌修复代表经典的化学过程，使用离子交换树脂相比具有竞争力和节约成本的方法。作者描述了一个E.钴的吸收和保留第一所淘汰的外排泵编码基因RCNA，然后通过改造一个多拷贝质粒使生产过剩的大肠杆菌底盘基因工程优惠钴的吸收转运。会出现这样的菌株作为一种有效的替代离子交换树脂处理放射性污水，但没有解决的一个关键问题是恢复受污染的细菌在结束的过程^4。因此，我们的工作目标是设计一个自定义设计的应变能坚持逆境的支持，如玻璃或塑料。

当中的一整套确定的革兰氏细菌的粘附和粘附菌毛，我们选择设计系统，让curli生产的。 Curli薄（直径为2-5 nm）和高度聚集的淀粉样纤维突出的E.大肠杆菌和沙门氏菌表面作为一种非结晶性及不溶性基质^5-7。 Curli也参与了非生物表面的殖民化和发展的生物膜^8。 Curli最近汞离子结合^9。被称为淀粉样蛋白确实具有较高的亲和性的金属离子，如Cu ^{2 +，Zn 2 +的}和Fe ^{3 + 10。}此属性可能会进一步提高去污的金属污染的废水。的CSG群集为生产的curli纤维负责两个趋异转录的操纵子（ 图1）的构成。 csgB，csgA和CSGC基因构成的意义操纵子，编码两个curli的亚基，CsgA和CsgB的。 CSGC似乎是内参与氧化还原活性和，影响CsgG孔隙行为¹¹的curli合成系统。然而，由于缺乏CSGC在大多数curli生产菌表示的相应的蛋白质只提供一个secundary的控制curli生物合成水平。为了简化系统，我们一直在选择工作的最小数量的基因。

该csgDEFG在管理和运输operonencodes必需的蛋白质的细胞表面CsgA和CsgB。 CsgD是的csgBAC操纵子的转录激活和生物膜形成的控制通过控制生产curli菌毛和其它生物膜组分如纤维素^12，并通过抑制鞭毛生产¹³中起着关键的作用。 CSGE，体育用品联合会和CsgG的构成curli特定分泌装置中的外 - 膜通过该主要curli亚基蛋白CsgA的是作为可溶性蛋白分泌。的聚合CsgA是依赖于与膜结合的成核剂：蛋白CsgB（评论^14） 在体内 。复杂的调控途径已被证明是涉及多个双组分系统控制curli基因的表达^15-16。这些复杂的法规允许的细菌，形成厚厚的生物膜的通过的curli的生产环境线索，但难以控制的工业应用。为了促进经济复苏的相遇人-酿一个工业过程中的细菌，细菌固定到固体支持物的确需要通过以下来控制和定义的参数（s）。粘附curli属性链接到它们的淀粉样蛋白性质^17，并可以用来改善生物修复过程，但要创建一个简单的和容易控制的装置。

这7个基因^18，其中一组的5个绝对需要为curli合成（csgB和csgA编码合成纤维单体）和出口（CSGE体育用品联合会和csgG的，编码的curli的分泌复杂）的基因构建合成的操纵子。为了摆脱“自然”的规定，curli，包括这5个CSG的强劲和钴overinducible的的启动子的控制下（ 图2）的基因，设计并合成了一种人工合成的操纵子。一步一步的分析curli编码区和同步功能的设计过程正题操纵子进行说明。可视化和量化细菌粘附聚苯乙烯和玻璃两种方法进行了说明。

研究方案

1。 Biobrick设计和合成的Curli子的

1. 确定的基因的组织和内源性的转录和转译信号的curli基因定位。这些信息被收集在专门的数据库（如RegulonDB ^一个或EcoGene ^b）仔细阅读，并完成有关的出版物。数据管理和预分析，在硅片进行复制管理器^软件 c。
2. 选择相关的编码序列。选择一组绝对必需的基因，为curli合成（csgB和csgA编码合成纤维单体）和出口（CSGE体育用品联合会和csgG的编码的柯林分泌复杂的），构建合成的操纵子。从FASTA格式中的数据的基础上，提取所选择的序列。
   ，由于csgGFE集群是在大肠杆菌中的反义大肠杆菌基因组，将它的反向的补充counterp的这个序列使用Clone管理工具操作过程分子反转分子的艺术。粘贴csgEFG背后csgBA序列使用的功能“结扎”（克隆结扎）。
3. 添加适当的启动。通过放置在五个选定curli基因的控制下，启动子P RCN，curli预测被过度生产的钴和镍的存在下。 RCN的基因编码外排泵，镍和钴的解毒（RCNA）和其同源的金属调节器（rcnR）负责。 RcnR控制RCNA和以响应于Ni和Co ¹⁹其自身基因的表达。的RCN的序列包括rcnR CDS，整个RCN间区域加41第一核苷酸RCNA：placedin，前面的csgBAEFG嵌合序列（ 图1，提供的整个构造的序列作为补充数据）。
4. 优化的转录信号。一个完美的核糖体结合位点（或完美的RBS = AAGGAGGTATATA）中的csgBA DNA序列中的第一个ATG前加入。第二完美的RBS中添加了前面的csgEFG序列。内源性RBS的csgB和体育用品联合会和csgG基因是保守的。
5. 为了适应iGEM比赛的标准，设备必须被夹击一个的标准BioBrick前缀和后缀， 生态 RI，含有限制性酶切位点的Pst I（前缀）和SPE我和 Xba I（后缀）。粘贴对应的序列，在每个端部的^装置 d。
6. 消除任何生态RI，PST我，SPE I 和 Xba I识别位点的设备。为了便于进一步组装过程中，BioBrick部分本身可能不包含任何这些限制性酶切位点。电子限制分析设备显示PstⅠ位点在csgA序列，PstⅠ位点在rcnR序列和一个生态 RI网站的CSGE基因。这些站点分别位于位置80（MUT1），1340（MUT2）和1830年（Mut3）的设备序列（补充资料），并修改为沉默突变。
   CTGCAG改变CGTCTG MUT1 PstⅠ位点
   CTGCAG改变CAGCAG MUT2 PstⅠ位点
   mut3 Eco RI位点GAATTC改变GAATT
7. 通过翻译模拟运行的复制管理器软件（操作>过程分子>翻译分子）。使用序列比对程序BLAST验证之间的的野生型curli蛋白和合成操纵子所编码的蛋白质的同源性的完美。
8. 订购的合成操纵子。来自世界各地的许多公司提供商业基因合成服务，我们的的的伙伴是Genecust（卢森堡）。 4微克的人工操纵子（3165 bp）的几个星期后，已收到插入到pUC57（pIG2）。

2。可视化和量化粘附的细菌对聚苯乙烯

1. M63基本培养基（葡萄糖0.2％）用2毫升的填充的24孔聚苯乙烯板的各孔中，并接种每孔106个细胞的过夜培养。生长的细菌在30°C为18〜48小时，无晃动。 （4孔）表示每一列的一种方式。在需要的时候添加适量的钴（25至100毫米）和抗生素（氨苄青霉素^{100μg.L-1）。} 3的第一行是用来量化粘附的细菌通过平均3次重复的24孔板，剩下的最后一行是用于可视化的生物膜。
2. 为3的第一行 ：为每个孔的24孔板中，恢复包含浮游细胞的上清液。
3. 仔细冲洗每个孔用1ml了M63和游泳池的1毫升的洗涤与初始上清液中得到2.2）。该池被称为的游泳细胞（S）。
4. 在1毫升邻恢复生物膜f M63刮上下吹打（= B）。涡15秒。估价表面连接和游泳细菌的数目的光密度在600 nm（OD600），得到对应于每一种模式的粘附百分率。
5. 遵守的百分比是通过使用下面的公式计算：Bx100 /（3XS + B）。
6. 只有最后一排的24孔培养板：放弃浮游细胞。
7. M63的生物膜的板的底部上已经发展用1ml冲洗。
8. 干燥1小时的开闭板在80℃下
9. 加入100μl20％的结晶紫在每个其次是广泛的可视化与水清洗附着的细菌，持续2分钟。
   三个独立的实验（板）被执行，以确保可重复性。

3。可视化在玻璃上粘附的细菌在显微镜下观察

1. 获取的荧光机箱。 ，E.大肠杆菌 ^SCC1Ë应变constitutivelŶ表达绿色荧光蛋白（GFP）从亲本菌株MG1655 ²⁰是一个合适的宿主质粒轴承的合成curli操纵子与没有可观察到的差异。
2. 变换SCC1 pIG2质粒（=合成curli操纵子插入的EcoRⅠ/ PstⅠ位点的pUC57质粒），以获得S23中的应变。变换SCC1与对照质粒（pUC18中），得到的对照菌株S24 ^21。
3. 生长过夜预培养的S23和的控制（S24）的菌株在30℃在M63培养基中与葡萄糖（0.2％）和氨苄青霉素^{（100μg.L-1）。}
4. 接种在培养皿中加入100μl的预培养相同的培养基中的15毫升。添加适当浓度的钴（ 即 25μM）和阴性对照组无钴不要忘了。介绍3个矩形盖玻片，在每个培养皿。在30°C孵育过夜，无晃动。
5. 取出盖玻片来回在培养皿中，并仔细地排出。小心的下表面用一个小棉用70℃的乙醇浸渍的东西，每一个细菌的残留物擦干净。对于共聚焦观察，上清洁两个上端几毫米到允许进一步固定盖玻片。
6. 附着的细菌可直接可视化，但很快在荧光显微镜下，但仔细避免干燥的样品。
7. 共聚焦观察，在载玻片上的上表面覆盖的放置面朝上的生物膜沉积盖玻片。其形成的生物膜，再覆盖更大范围的盖玻片上，其被固定到载玻片清漆。反转设置，使生物膜将现在的下表面上。
8. 将设置下的激光共聚焦显微镜。右键Axioplan2 LSM510（蔡司）激光共聚焦显微镜被用来，在Platim平台^f。
9. 设置。在488 nm激发GFP，并收集细菌荧光在500至600纳米的范围内 。使用40倍油浸物镜，用于获取图像的激光扫描共焦模式。扫描的整体三维结构的从固体表面上形成生物膜，与生长培养基的接口，采用的步骤为1μm。
10. 执行立体的预测与IMARIS软件（位面，苏黎世，瑞士）。确定生物膜厚度通过分析沿统计的纵向部分的平均的z值。量化生物膜biovolumes的共聚焦Z-栈中提取所描述的其他地方^22。

^一个 RegulonDB提供机械的操纵子的组织，它们的分解有关的转录单位，启动子和其Σ型，基因和它们的核糖体结合位点，终止子，具体的转录调节因子的结合位点，以及其组织成监管短语。ET =“_blank”> http://regulondb.cs.purdue.edu/index.jsp

^B的EcoGene数据库包含更新信息的E.大肠杆菌 K-12基因组和蛋白质组序列，其中包括广泛的基因书目。的主要EcoGene焦点已经重新评估翻译起始位点。 http://ecogene.org/

^Ç http://www.scied.com/dl_cmp9d.htm

^ð http://partsregistry.org/wiki/index.php?title=Help:BioBrick_Prefix_and_Suffix

^Ë春洲诗，南洋理工大学，新加坡的礼物。

^的f Platim微观平台UMS3444生物科技杰兰- Lyon Sud酒店。

结果

在硅片注释野生型CSG序列E.大肠杆菌 K12与转录和转译信号的优化已经允许设计的单一的合成curli操纵子P RCN-CSG示于图3（补充数据中所有序列）。协议2和协议3，坚持与curli生产用于可视化和量化。使用24孔聚苯乙烯板（协定书，2）的结晶紫染色生物膜的形成在每个孔中的底部可以迅速可视化和它与野生型菌株似乎是由紫色颜色强度的差异较少的附着性比工程...

讨论

关键步骤

合成生物学的方法，最关键的一步，这是基因设计。合成基因设计必须一丝不苟，以确保有效的系统生产。两个基因编码的纤维单体和三种基因编码的蛋白质参与在其分泌系统已组装与一个强大和金属诱导的启动子，以建立一个新的一种新的应用程序的功能单元，用于：核的污水的生物除污。按计划和预测，此设备导致增强的高curli生产，这是通过增加在培养基中的钴?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
的试剂的名称	公司	目录编号	评论（可选）
pIG2			pUC57（ORI促进pMB1，2710 bp）的一个3165 bp的经EcoRI / PstI片段合成P RCN - csgBAEFG操纵放大器ŕ
pUC18中			多拷贝质粒（2686 bp的促进pMB1 ORI），放大器ŕ
S23			SSC1（GFP标记的MG1655，礼品的CC士）/ pIG2
S24			SSC1/pUC18
氯化钴	西格玛		0,1 M储备溶液在室温下保存
M63			29
24 - 孔板	Nunc公司	55429	聚苯乙烯24孔板