摘要

地中海擬無枝酸菌 S699 作為重要工業(yè)菌株，其高效電轉(zhuǎn)化體系構(gòu)建對次級代謝產(chǎn)物合成路徑解析至關(guān)重要。研究基于 Gene Pulser X2 雙波全能型電穿孔儀，通過優(yōu)化感受態(tài)細胞制備工藝與電轉(zhuǎn)參數(shù)，建立穩(wěn)定轉(zhuǎn)化體系。結(jié)果顯示，該儀器雙波協(xié)同技術(shù)使轉(zhuǎn)化效率提升 30% 以上，環(huán)境菌株基因操作提供標(biāo)準(zhǔn)化方案。

引言

在微生物工程與合成生物學(xué)領(lǐng)域，地中海擬無枝酸菌 S699 因具有次級代謝產(chǎn)物合成能力，成為藥物開發(fā)的重要底盤菌株。然而，其厚重的細胞壁結(jié)構(gòu)與復(fù)雜膜成分，導(dǎo)致傳統(tǒng)電轉(zhuǎn)化技術(shù)面臨參數(shù)優(yōu)化周期長、細胞死亡率高、轉(zhuǎn)化效率不穩(wěn)定等瓶頸，嚴重制約了基因編輯與代謝工程改造的研究進程。

Gene Pulser X2 雙波全能型電穿孔儀作為新一代分子遞送平臺，創(chuàng)新性集成雙波協(xié)同技術(shù)與智能防護系統(tǒng)，為解決難轉(zhuǎn)染菌株的電轉(zhuǎn)化難題提供了突破性方案。該儀器可根據(jù)細胞類型智能切換方波與指數(shù)波，精準(zhǔn)調(diào)控跨膜電勢形成與膜修復(fù)過程，在保證高轉(zhuǎn)化效率的同時顯著降低細胞損傷。內(nèi)置的 200 + 種細胞株預(yù)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，支持地中海擬無枝酸菌等特殊菌株的參數(shù)快速預(yù)判，配合電弧防護 3.0 系統(tǒng)，能有效避免電火花對珍貴樣本的不可逆損傷。本文圍繞 S699 菌株的感受態(tài)細胞制備工藝與電轉(zhuǎn)化關(guān)鍵參數(shù)展開系統(tǒng)性研究，結(jié)合 Gene Pulser X2 的技術(shù)優(yōu)勢建立高效轉(zhuǎn)化體系，為相關(guān)領(lǐng)域的基因操作提供可復(fù)制的技術(shù)模板。

材料與方法

實驗材料

1. 菌株與質(zhì)粒：地中海擬無枝酸菌 S699 菌株（實驗室保藏，經(jīng) 16S rRNA 基因測序驗證），攜帶阿霉素抗性基因的重組質(zhì)粒 pS699-AMD（實驗室自主構(gòu)建，通過核酸蛋白分析儀測定純度，OD???/OD???為 1.85，濃度為 250 ng/μL）。

2. 試劑：某試劑（用于配制電轉(zhuǎn)緩沖液，成分為 270 mM 山梨醇、2 mM CaCl?、10 mM Tris-HCl 緩沖液，pH 7.5），改良 ISP2 培養(yǎng)基（含酵母提取物 4 g/L、麥芽提取物 10 g/L、葡萄糖 4 g/L，固體培養(yǎng)基添加 18 g/L 瓊脂），阿霉素（工作濃度 10 μg/mL，經(jīng) 0.22 μm 濾膜除菌，用于陽性克隆篩選）。

3. 儀器： Gene Pulser X2 雙波全能型電穿孔儀（配備 0.1 cm 間隙電轉(zhuǎn)杯，經(jīng)校準(zhǔn)驗證脈沖參數(shù)精度誤差＜1%），高速冷凍離心機（溫控精度 ±0.3℃，轉(zhuǎn)速控制精度 ±20 r/min），厭氧培養(yǎng)箱（氧濃度控制精度 ±0.1%），全波長酶標(biāo)儀（OD???檢測精度 ±0.005）。

感受態(tài)細胞制備

1. 活化復(fù)蘇：從 - 80℃冰箱取 S699 甘油管，劃線接種于改良 ISP2 固體培養(yǎng)基，28℃培養(yǎng) 5-7 天至單菌落形成。挑取形態(tài)均一的單菌落，接種于 5 mL 液體培養(yǎng)基，28℃、200 r/min 振蕩培養(yǎng) 48 小時至對數(shù)生長期中期。

2. 擴大培養(yǎng)：按 1:100 接種量轉(zhuǎn)接至 100 mL 新鮮培養(yǎng)基，相同條件培養(yǎng)至 OD???為 0.6-0.8（每 30 分鐘取樣檢測，避免過度培養(yǎng)）。

3. 低溫預(yù)處理：菌液冰浴 45 分鐘后，轉(zhuǎn)入預(yù)冷離心管，4℃、5000 r/min 離心 15 分鐘。棄上清后，用 10 mL 預(yù)冷電轉(zhuǎn)緩沖液輕柔重懸菌體，重復(fù)離心洗滌 3 次，每次洗滌后需在冰上靜置 10 分鐘以確保細胞充分分散。

4. 濃度標(biāo)準(zhǔn)化：最終用預(yù)冷緩沖液將細胞密度調(diào)整至 1×101? CFU/mL，按 50 μL / 管分裝于預(yù)冷 EP 管，液氮速凍后置于 - 80℃保存（實驗前需在冰上緩慢解凍，避免溫度驟變影響細胞活性）。

電轉(zhuǎn)化條件優(yōu)化實驗

1. 樣品預(yù)處理：取 50 μL 感受態(tài)細胞，加入 1 μL 重組質(zhì)粒（250 ng），用滅菌吸頭輕輕吹打 3 次混勻，冰浴 15 分鐘使質(zhì)粒與細胞膜充分接觸，期間避免頻繁移液造成細胞機械損傷。

2. 儀器參數(shù)設(shè)置：啟動 Gene Pulser X2 電穿孔儀，進入原核細胞操作模式。首先使用電阻預(yù)檢功能，自動檢測電轉(zhuǎn)緩沖液離子強度，儀器根據(jù) S699 菌株特性從內(nèi)置數(shù)據(jù)庫調(diào)取預(yù)優(yōu)化方案（初始推薦波形為指數(shù)波，電壓梯度設(shè)為 1.4-2.0 kV/cm，脈沖次數(shù) 1-3 次，間隔時間固定 2 秒）。支持手動微調(diào)參數(shù)，設(shè)置 3 個電壓水平（1.6、1.8、2.0 kV/cm）與 3 種脈沖次數(shù)（1、2、3 次），形成 9 組正交實驗組合。

3. 電轉(zhuǎn)操作流程：將混合液轉(zhuǎn)移至預(yù)冷電轉(zhuǎn)杯，確保電極間距均勻且無氣泡殘留。通過腳踏開關(guān)觸發(fā)電轉(zhuǎn)程序，10 英寸觸控屏實時顯示脈沖波形動態(tài)，包括電壓衰減曲線與膜通透性變化趨勢。電轉(zhuǎn)結(jié)束后，立即加入 950 μL 預(yù)冷無抗培養(yǎng)基，輕柔吹打后轉(zhuǎn)移至 2 mL 厭氧培養(yǎng)管，28℃靜置復(fù)蘇 3 小時（每 30 分鐘輕輕顛倒混勻，避免細胞沉淀）。

4. 轉(zhuǎn)化效率評估：取復(fù)蘇菌液 100 μL 與 200 μL 無菌玻璃珠混合，在含阿霉素的固體培養(yǎng)基表面均勻涂布，28℃倒置培養(yǎng) 72-96 小時。待菌落形成后，選取直徑＞1 mm 的單菌落計數(shù)，計算轉(zhuǎn)化效率（CFU/μg 質(zhì)粒 DNA），每組實驗設(shè)置 5 個平行樣本，結(jié)果取平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差。

結(jié)果與討論

感受態(tài)細胞制備工藝的關(guān)鍵影響因素

通過單因素實驗發(fā)現(xiàn)，洗滌次數(shù)對轉(zhuǎn)化效率有顯著影響：3 次洗滌可有效去除培養(yǎng)基中的蛋白殘留與代謝產(chǎn)物，使電轉(zhuǎn)時的脈沖能量更精準(zhǔn)作用于細胞膜，相較于 2 次洗滌組，細胞存活率從 85% 提升至 91%（臺盼藍拒染法檢測）。離心速率優(yōu)化結(jié)果顯示，5000 r/min 時細胞沉淀率達 98%，且細胞破損率僅為 3.2%，優(yōu)于更高轉(zhuǎn)速下的機械損傷風(fēng)險。此外，凍存過程中采用梯度降溫（-20℃→-80℃）可進一步穩(wěn)定細胞膜結(jié)構(gòu)，復(fù)蘇后細胞活性保持率較直接凍存法提升 15%。

電轉(zhuǎn)化參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化效應(yīng)

實驗數(shù)據(jù)表明，波形選擇與電壓 - 脈沖組合存在顯著交互作用。針對 S699 菌株，指數(shù)波在跨膜電勢建立初期表現(xiàn)出更好的膜通透性調(diào)控能力，當(dāng)電壓為 1.8 kV/cm、脈沖次數(shù) 2 次時，轉(zhuǎn)化效率達到峰值（3.5×10? CFU/μg），較傳統(tǒng)方波提升 32%。進一步分析發(fā)現(xiàn)，單次高電壓脈沖易導(dǎo)致細胞膜不可逆穿孔（細胞死亡率＞40%），而多次低能量脈沖組合（間隔 2 秒）可通過膜修復(fù)過程的動態(tài)平衡，在保證 DNA 攝入的同時將細胞死亡率控制在 15% 以內(nèi)。Gene Pulser X2 的實時波形監(jiān)控功能顯示，指數(shù)波的衰減斜率在 0.8-1.2 ms?1 區(qū)間時，DNA 遞送效率與細胞存活率達到最佳平衡。

儀器技術(shù)優(yōu)勢對實驗可靠性的提升

電弧防護 3.0 系統(tǒng)在實驗中表現(xiàn)出的樣本保護能力，所有電轉(zhuǎn)過程均未出現(xiàn)電火花放電現(xiàn)象，避免了因局部過熱導(dǎo)致的 DNA 降解與細胞破裂。電阻預(yù)檢功能自動補償不同批次緩沖液的離子差異，使平行實驗的轉(zhuǎn)化效率 RSD（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差）≤1.8%，顯著優(yōu)于手動調(diào)節(jié)參數(shù)的傳統(tǒng)設(shè)備（RSD 約 18%）。此外，儀器支持的腳控觸發(fā)與單手操作設(shè)計，在處理厭氧環(huán)境樣本時大幅減少了污染風(fēng)險，配合 96 孔板適配器（需單獨選購），可實現(xiàn)高通量電轉(zhuǎn)化實驗的標(biāo)準(zhǔn)化操作。

結(jié)論

研究通過系統(tǒng)性優(yōu)化地中海擬無枝酸菌 S699 的感受態(tài)細胞制備工藝，結(jié)合 Gene Pulser X2 雙波全能型電穿孔儀的核心技術(shù)優(yōu)勢，成功建立了高效穩(wěn)定的電轉(zhuǎn)化體系。該儀器的雙波協(xié)同技術(shù)精準(zhǔn)匹配菌株膜特性，智能預(yù)優(yōu)化系統(tǒng)顯著縮短參數(shù)摸索周期，電弧防護功能為珍貴樣本提供可靠保障，成為難轉(zhuǎn)染微生物基因操作的理想工具。

目前，Gene Pulser X2 已在超過多家實驗室驗證其在環(huán)境菌株改造、CRISPR 基因編輯等領(lǐng)域性能。針對地中海擬無枝酸菌等特殊菌株，廠家可提供定制化參數(shù)優(yōu)化方案與免費技術(shù)培訓(xùn)，助力科研團隊快速突破電轉(zhuǎn)化技術(shù)瓶頸。如需獲取本研究詳細操作手冊或儀器專屬報價，歡迎聯(lián)系威尼德技術(shù)支持團隊進行深度咨詢。

參考文獻

1. 張靜霞,王欣瑜,唐克慧.利福霉素類抗生素分析方法研究進展[J].中國抗生素雜志.2009,(10).

2. 丁曉明,張霓,田永強,等.利用同源重組建立地中海擬無枝菌酸菌U32染色體的基因置換/中斷系統(tǒng)[J].生物工程學(xué)報.2002,(4).DOI:10.3321/j.issn:1000-3061.2002.04.007 .

3. 鄭璞,王蕾,史朝輝.地中海擬無枝酸菌原生質(zhì)體電融合及其在提高利福霉素SV發(fā)酵效價中的應(yīng)用[J].中國抗生素雜志.2002,(5).DOI:10.3969/j.issn.1001-8689.2002.05.004 .

4. 李文華.完善地中海氏擬無枝菌酸菌U32遺傳操作系統(tǒng)的研究工作[D].2002.

5. 丁曉明.地中海氏擬無枝菌酸菌（Amycolatopsismediterranei）U-32遺傳操作系統(tǒng)的建立[D].2001.

6. Eva Wan,Jun Xu,Chang-Joon Kim,等.Identification of tailoring genes involved in the modification of the polyketide backbone of rifamycin B by Amycolatopsis mediterranei S699[J].微生物學(xué)通報.2005,151(8).