第六章 生物合成技术

生物合成技术生物技术，又称生物工程或生物工程技术，是生物科学与工程技术相结合而形成的新学科。

生物技术主要包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。

基因工程又称为重组DNA技术，是通过人工操作，在分子水平上进行基因重组、改造和转移，以获得具有新的遗传特性的细胞，合成人们所需物质的技术过程。

酶工程是酶的生产与应用的技术过程。

即是通过人工操作，获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其催化功能的技术过程。

细胞工程是在细胞水平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。

发酵工程又称为微生物工程，是在人工控制的条件下，通过微生物的生命活动而获得人们所需物质的技术过程。

发酵方式主要分为固体发酵和液体发酵两大类。

生物技术可以定向改造生物、加工生物材料，有目的地利用生命过程，广泛应用于医药、农林牧渔、生态、轻工食品、化工、能源、材料、海洋开发及环境保护等领域，涉及面广，促进传统产业的改造和新型产业的形成。

实验1 大肠杆菌感受态细胞的制备及转化一、实验目的1. 学习氯化钙法制备大肠杆菌感受态细胞的方法。

2. 学习将外源质粒DNA转入受体菌细胞并筛选转化体的方法。

二、实验原理转化是将异源DNA分子引入另一细胞品系，使受体细胞获得新的遗传性状的一种手段，它是微生物遗传、分子遗传、基因工程等研究领域的基本实验技术之一。

转化过程所用的受体细胞一般是限制-修饰系统缺陷的变异株，即不含限制性内切酶和甲基化酶的突变株。

受体细胞经过一些特殊方法处理后，细胞膜的通透性发生变化，成为能容许外源DNA分子通过感受态细胞。

在一定条件下，将外源DNA分子与感受态细胞混合保温，使外源DNA分子进入受体细胞。

进入细胞的DNA分子通过复制、表达实现遗传信息的转移，使受体细胞出现新的遗传性状。

将经过转化后的细胞在选择性培养基中培养即可筛选出转化体。

本实验以E. coli DH 5α菌株为受体细胞，用氯化钙处理受体菌使其处于感受态，然后在一定条件下与pBR322质粒携带有抗氨苄青霉素和抗四环素的基因，因而使接受了该质粒的受体菌也具有抗氨苄青霉素和抗四环素的特性，常用Amp r，Tet r符号表示。

将经过转化后的全部受体细胞经过适当稀释后，在含有氨苄青霉素抗四环素的平板培养基上培养，只有转化体才能存活，而未受转化的受体细胞则因无抵抗氨苄青霉素和四环素的能力都被杀死，所有带有抗药基因的质粒DNA能使受体菌从对抗菌素敏感（Amp s，Tet s）转变为具有抗药性（Amp r，Tet r），即表明了该质粒具有生物活性。

这种转化活性是检查质粒DNA生物活性的重要指标。

转化体经过进一步纯化扩增后，再将转入的质粒DNA分离提取出来，可进行重复转化、电泳、电镜观察及做限制性内切酶酶解图谱、分子杂交、DNA测序等实验鉴定。

为提高转化率，实验中要注意以下几个重要因素：（1）细胞生长状态和密度：不要用已经过多次转接及贮存在4℃或室温的培养菌液；细胞生长密度以每毫升培养液中的细胞数在5×107个左右为最佳（可通过测定培养液A600nm控制），密度不足或过高均会使转化率下降。

（2）转化的质粒DNA的质量和浓度：用于转化的质粒DNA应主要是共价闭环DNA（即cccDNA，又称超螺旋DNA），转化率与外源DNA的浓度在一定范围内成正比，但当加入的外源DNA的量过多或体积过大时则会使转化率下降。

（3）试剂的质量：所用的试剂，如氯化钙等，应是高质量的，且最好分装保存于干燥的暗处。

（4）防止杂菌和其它外源DNA的污染：所有器皿，如离心管、分装用的Eppendorf管等，一定要干净，最好是新的。

整个实验过程中要注意无菌操作。

氯化钙转化法由Cohen等首创。

其转化率一般能达到每1 μg超螺质粒DNA 产生5×106~2×107个转化体，足以满足常规基因克隆试验的需要。

该法具有简单、快速、稳定、重复性好、菌株适用范围广等优点而被广泛采用。

三、仪器、材料与试剂材料：E. coli DH 5α受体菌（Amp s，Tet s），pBR322质粒试剂：含抗菌素的LB平板培养基：将配好的LB固体培养基高温灭菌20 min 后，冷却至60℃左右，加入氨苄青霉素和四环素贮存液，使终浓度分别为50 μg/mL和12.5 μg/mL，摇匀后铺板。

LB液体培养基：胰蛋白胨10 g/L，酵母浸膏5 g/L，氯化钠10 g/L，用氢氧化钠调节至pH 7.5。

120℃高温灭菌20 min。

氨苄青霉素和四环素贮存液：用50%乙醇配制。

0.1 mol/L 氯化钙溶液：每100 mL溶液中含无水氯化钙1.10 g，用无菌重蒸水配制，灭菌处理。

仪器：恒温摇床、电热恒温培养箱、无菌操作超净台、电热恒温水浴箱、分光光度计、台式离心机、带盖离心管、吸量管或自动加样器、Eppendorf管等。

四、实验内容1. 感受态细胞的制备（1）从新活化的E. coli DH 5α菌平板上挑取一单菌落，接种于3 mL LB液体培养基中，37℃振荡培养12 h左右至对数生长期。

将该菌悬浮液以1：100接种量转接于100 mL LB液体培养基中，37℃振荡扩大培养，当培养液开始出现混浊后，每隔20~30 min测一次A600nm，至A600nm≤0.7停止培养。

（2）培养液转入离心管中，在冰上冷却片刻后，于0~4℃，4000 r/min离心10 min。

倒出上清培养液，并将离心管倒置在滤纸片上1 min，使残留的培养液流尽。

用10 mL冰冷的0.1 mol/L 氯化钙溶液轻轻悬浮细胞，冰上放置15~30 min。

于0~4℃，4000 r/min离心10 min。

弃去上清液，加入2 mL冰冷的0.1 mol/L 氯化钙溶液，小心悬浮细胞，冰上放置片刻后即制成了感受态细胞悬液。

（3）以上制备好的感受态细胞悬液可在冰上放置，24 h后直接用于转化实验，也可加入等体积30%灭菌甘油，混匀后，分装于0.5 mLEppendorf管中，每管含100~200 μL感受态细胞悬液，置于-70℃条件下保存半年至一年。

2. 转化（1）取100 μL摇匀后的感受态细胞悬液（如是冷冻保存液，则需化冻后马上进行下面操作），加入pBR322质粒DNA溶液2 μL（含量不超过50 ng，体积不超过10μL），此管为转化实验组。

同时做两个对照管。

受体菌对照组：100 μL感受态细胞悬液+2 μL无菌重蒸水。

质粒DNA对照组：100 μL 0.1 mol/L 氯化钙溶液+2 μLpBR322质粒溶液。

（2）将以上各样品轻轻摇匀，冰上放置30 min后，于42℃水浴中保温1.5 min，然后迅速在冰上冷却3~5 min。

（3）上述各管中分别加入100 μL LB液体培养基，则总体积为0.2 mL，该溶液称为转化反应原液。

混匀，于37℃水浴中温浴45 min（欲获得更高的转化率，此步也可恒温摇动培养），使受体菌恢复正常生长状态，并使转化体产生抗药性（Amp r，Tet r）。

3. 稀释和平板培养（1）将上述经培养的转化反应原液摇匀后，进行梯度稀释，方法见表1.表1 转化反应原液梯度稀释表（2）分别取适当稀释度的各样品培养液0.1 mL，接种于两种（含抗菌素和不含抗菌素）LB平板培养基上，涂匀。

以上各步操作均需在无菌超净台上进行。

（3）待菌液完全被培养基吸收后，倒置培养皿，于37℃恒温培养箱内培养24 h ，待菌落生长良好而又未相互重叠时停止培养，每组平行做两份。

4. 检出转化体和计算转化率统计每个培养皿中的菌落数，各实验组平皿内菌落生长情况应如表2所示。

表2 各实验组在培养皿内生长情况及结论不含抗菌素培养基 含抗菌素培养基 结果说明 受体菌对照组有大量菌落长出 无菌落长出 本实验中未产生抗药性突变株 质粒DNA 对照组无菌落长出 无菌落长出 pBR322质粒DNA 溶液不含杂菌 转化实验组 有大量菌落长出 有菌落长出 pBR322质粒进入受体细胞使其产生抗药性所以，转化实验组在含抗菌素培养基平皿中长出的菌落即为转化体，根据此皿中菌落数则可计算出转化体总数和转化率，计算公式如下：接种菌液体积转化反应原液总体积稀释倍数菌落数转化体总数⨯⨯= %100⨯=）质量（加入质粒转化体总数转化率g DNA μ 再根据受体菌对照组不含抗菌素平皿中检出的菌落数，则可求出转化反应液内受体菌总数，进一步可计算出本实验条件下，由多少个受体菌可获得一个转化体。

五、注意事项（1）本实验涉及溶液的移取、分装等需敞开实验器皿的操作，均应在无菌超净台中进行，以防污染。

（2）衡量受体菌生长情况的A 600nm 和细胞数之间的关系随菌株的不同而不同，因此，不同菌株的合适A 600nm 是不同的。

（3）转化菌不宜培养时间过长，使其菌落过多而重叠，妨碍计数和单菌落的挑选。

六、思考题1. 如果一次实验的转化率偏低，应从哪些方面去分析原因？2. 制备感受态细胞的基本原理是什么？3. 如果在对照组不该长出菌落的平皿中长出了一些菌落，你该怎样分析你的实验结果，并进行下面的实验？实验2 PCR扩增基因特异片段一、实验目的1. 学习PCR体外扩增的原理及其引物设计原则；2. 了解扩增过程中各因素对扩增结果的影响；3. 掌握PCR的基本操作二、实验原理PCR(polymerase chain reaction)是在体外进行的由引物介导的酶促DNA扩增反应。

在分子生物学研究中，广泛地应用于研究基因突变，获取加上酶切位点的目的基因和DNA序列测定等方面，是分子生物学中一项极为常用的技术。

PCR的原理是在模板DNA、引物和4种脱氧核糖核苷酸(dNTP)存在的条件下，依赖于DNA聚合酶的体外酶促合成反应。

两个引物分别位于靶序列的两端，同两条模板的3＇端互补，由此限定扩增片段。

PCR反应由一系列的变性—退火—延伸反复循环构成，即在高温下模板双链DNA变性解链，然后在较低的温度下同过量的引物退火，再在适中的温度下由DNA聚合酶催化进行延伸。

由于每一循环的产物都可作为下一循环反应的模板，因此扩增产物的量以指数级方式增加。

理论上，经过N次循环可使特定片段扩增到2n-1，考虑到扩增效率不可能达到100％，实际上要少些，通常经25～30次循环可扩增106倍，这个量足够分子生物学研究的一般要求。

（一）PCR引物设计1. Tm值Tm值是PCR引物设计中的一个重要参数，是指引物与模板之间精确互补并且在模板过量的情况下有50％的引物与模板配对，而另外50％的引物处于解离状态时的温度，Tm值一般高于55℃。

合适的引物选择应需考虑到以下因素，如Taq酶的最适温度(T E)和Tm值等。

最常用的Taq酶的最适温度(T E)范围为70～74℃，根据T E可以先确定一个合适的退火温度范围(Ta)。