冀霞,代紹密,余若菁,黃冰冰,劉家銘,李瑋瑋
(1.惠州學(xué)院,廣東 惠州 516007;2.惠州衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 惠州 516025)
牛奶可以提供人類生長(zhǎng)發(fā)育所需的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)也是很多食品的原料,但因其營(yíng)養(yǎng)豐富的特點(diǎn)極易受到細(xì)菌等微生物的污染[1]。結(jié)合現(xiàn)如今我國(guó)牛奶制品的質(zhì)量安全情況,對(duì)牛奶安全生產(chǎn)體系的管控和質(zhì)量安全檢測(cè)顯得尤為重要,尤其是對(duì)牛奶制品中有害微生物檢測(cè)技術(shù)的更新與升級(jí)[2-3]。當(dāng)前,對(duì)牛奶等食品中大腸桿菌的檢測(cè)方法包括計(jì)數(shù)檢測(cè)法、免疫學(xué)法、實(shí)時(shí)熒光定量檢測(cè)法、基因芯片技術(shù)等,然而這些技術(shù)都存在諸多弊端,如傳統(tǒng)的微生物檢測(cè)方法需要經(jīng)過(guò)選擇性培養(yǎng)、純化、生化反應(yīng)等步驟,存在操作復(fù)雜、檢測(cè)周期長(zhǎng)等不足[4-5];免疫學(xué)法受自身抗體、嗜異性抗體等干擾因素影響,易出現(xiàn)假陽(yáng)性[6-7];實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)檢測(cè)法和基因芯片技術(shù)等,存在試驗(yàn)平臺(tái)要求苛刻、成本高的問(wèn)題[8]。因此,迫切需要研究建立快速、精確且經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)牛奶中大腸桿菌的識(shí)別體系。
成簇的規(guī)則間隔短回文重復(fù)序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)常存在于部分細(xì)菌和大部分古細(xì)菌中,CRISPR 相關(guān)蛋白(CRISPR-associated protein,CRISPR-Cas)是用來(lái)抵御外來(lái)病毒或噬菌體基因入侵自身基因組的免疫防御系統(tǒng)[9-10]。當(dāng)細(xì)菌抵御噬菌體等外源DNA 入侵時(shí),在前導(dǎo)區(qū)的調(diào)控下,轉(zhuǎn)錄形成含有保守重復(fù)序列和間隔區(qū)的CRISPR RNA(crRNA),并在效應(yīng)蛋白的協(xié)助下,最終識(shí)別并結(jié)合到與其互補(bǔ)的外源DNA 序列上,發(fā)揮剪切作用[11-12],形成防御病毒和其它外來(lái)DNA 侵入的免疫系統(tǒng)。CRISPR-Cas12 和CRISPR-Cas13 是近年來(lái)被發(fā)現(xiàn)的新型基因編輯系統(tǒng)[13-15],較之前的CRISPR-Cas9系統(tǒng),有很大改進(jìn),尤其是功能性方面。Kellner 等[16]研究發(fā)現(xiàn)CRISPR-Cas13 可以特異性識(shí)別并直接剪切RNA,已被廣泛應(yīng)用于病毒檢測(cè)。而CRISPR-Cas12,又稱Cfd1,只能特異性識(shí)別并直接剪切DNA 雙鏈結(jié)構(gòu)[17-18],相對(duì)CRISPR-Cas13,其更適合研發(fā)檢測(cè)基因組鑒定細(xì)菌的技術(shù)。
本研究基于CRISPR-Cas12a 蛋白剪切編輯系統(tǒng)的原理,以大腸桿菌16S rDNA 保守區(qū)為特異性識(shí)別位點(diǎn),構(gòu)建CRISPR-Cas12a 識(shí)別體系,并用以檢測(cè)被污染牛奶中的大腸桿菌。以期提高牛奶中大腸桿菌的檢測(cè)效率,提升乳源安全水平。
本試驗(yàn)使用的大腸埃希菌(E. coli MG 1655、E. coli ATCC 25922、E. coli BL21、E. coli DH5α)均保存在惠州學(xué)院天然產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)室。
LB 固體培養(yǎng)基、LB 液體培養(yǎng)基、磷酸鹽緩沖液(phosphate buffer saline,PBS)、異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(lsopropyl β-D-thiogalactoside,IPTG)、二喹啉甲酸(bicinchoninic acid,BCA) 法蛋白質(zhì)定量檢測(cè)試劑盒:生工生物工程(上海)股份有限公司;氨芐青霉素(100 mg/mL):上海麥克林生化科技有限公司;羥乙基哌嗪乙硫磺酸緩沖液、Tris 緩沖溶液、DNA Marker、Ex Taq DNA 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增試劑盒、限制性內(nèi)切酶Sac I 和BamH I:寶日醫(yī)(北京)生物技術(shù)有限公司;DNA 凝膠回收試劑盒:康寧生命科學(xué)(吳江)有限公司;質(zhì)粒pMBP-Cas12a:美國(guó)Addgene 公司;質(zhì)??焖偬崛≡噭┖校罕本┒?guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司;蛋白質(zhì)Marker、考馬斯亮藍(lán)染色液、十二烷基苯磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)凝膠配制試劑盒:北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司。
ABI-9700 PCR 基因擴(kuò)增儀:美國(guó)Applied Biosystems 公司;ZHTY-50N 振蕩培養(yǎng)箱:上海知楚儀器有限公司;NanoDrop 2000 微量分光光度計(jì)、Sorvall Legend Micro 21R 高速冷凍離心機(jī):美國(guó)賽默飛公司;Universal Hood Ⅱ凝膠成像系統(tǒng):美國(guó)Bio-Rad 公司;GHP-9050 隔水式培養(yǎng)箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HH-1 數(shù)顯恒溫水浴鍋:常州智博瑞儀器制造有限公司;SW-CJ-1FD 潔凈工作臺(tái):蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;QQ-150Y 超聲波細(xì)胞粉碎機(jī):上海啟前電子科技有限公司。
1.3.1 表達(dá)載體構(gòu)建及鑒定
根據(jù)Cas12a(Cpf1)的基因序列,設(shè)計(jì)引物Cpf1-F:CCCTGAAAGACGCGCAGACTAATTCGAGCTCGAAC AACAACAACAATAACAATAACAACAACCTCGGGGAA AACCTGTACTTCCAATCCAATGC;Cpf1-R:TTATTTAA TTACCTGCAGGGAATTCGGATCCTTATTAATGTTTCAC GCTGGTCTGCGCAT,并以2 μL 的pMBP-Cas12a 質(zhì)粒為模版,對(duì)Cas12a 目的片段進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,PCR 反應(yīng)體系中,加入2.5 μL 10×PCR 緩沖液,2 μL 脫氧核糖核苷三磷酸(deoxy-ribonucleoside triphosphate,dNTP),0.5 μL Cpf1-F 引物,0.5 μL Cpf1-R 引物,0.125 μL Ex Taq酶,用雙蒸水補(bǔ)齊至25 μL。反應(yīng)條件設(shè)置:98 ℃預(yù)變性1 min;98 ℃保持30 s,52 ℃保持30 s,72 ℃保持2 min,35 個(gè)循環(huán);72 ℃延伸5 min,并將PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行膠純化回收。將膠回收的Cas12a PCR 目的片段與Sac I和BamH I 酶切并膠回收的pMAL-c5x 質(zhì)粒連接,將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到DH5α 感受態(tài)細(xì)胞中,在含有100 μg/mL氨芐青霉素抗生素的LB 固體培養(yǎng)基上過(guò)夜培養(yǎng)。挑取培養(yǎng)基上的單菌落進(jìn)行PCR 驗(yàn)證,并測(cè)序,獲得重組質(zhì)粒pMAL-c5x-Cas12a。
1.3.2 Cas12a 蛋白的表達(dá)純化
用質(zhì)粒提取試劑盒提取重組的pMAL -c5x -Cas12a 質(zhì)粒,并轉(zhuǎn)入E. coli(BL21)中。將轉(zhuǎn)入質(zhì)粒的細(xì)菌過(guò)夜培養(yǎng),1∶100 的體積比轉(zhuǎn)接于含有100 μg/mL 氨芐青霉素抗生素LB 液體培養(yǎng)基中,培養(yǎng)至OD600約為0.6,加入1 mmol/L 的IPTG,繼續(xù)誘導(dǎo)4 h。PBS 重懸誘導(dǎo)后收集的菌體,并超聲破碎(6 mm 變幅桿,52.5 W,工作3.5 s,間隙7 s)至菌液透明。10 000 r/min 離心15 min,去除細(xì)胞碎片,吸取50 μL 上清液保留,將剩余上清液在4 ℃、10 000 r/min 條件下繼續(xù)離心15 min,分離上清液和沉淀,吸取上清液,沉淀加200 μL 的PBS 重懸,分離蛋白與蛋白上樣緩沖液混合,100 ℃沸水浴5 min,10 000 r/min 條件下離心5 min,取20 μL 進(jìn)行SDSPAGE,濃縮膠恒壓80 V、分離膠電壓120 V,0.1%考馬斯亮藍(lán)染色30 min,脫色液脫色至蛋白質(zhì)條帶清晰,并拍照分析。
使用平衡緩沖液(Tris-NaCl,pH8.0)對(duì)麥芽糖結(jié)合蛋白(maltose binding protein,MBP)親和層析柱進(jìn)行平衡,利用MBP 柱親和層析柱對(duì)帶有MBP 標(biāo)簽的Cas12a 蛋白進(jìn)行吸附純化,用平衡緩沖液(Tris-NaCl,pH8.0) 對(duì)未結(jié)合的雜蛋白進(jìn)行洗滌,用洗脫緩沖液(Tris-NaCl,pH8.0,10 mmol/L 麥芽糖) 對(duì)吸附在MBP純化柱上的Cas12a 蛋白進(jìn)行洗脫。將洗脫的蛋白放置于含有20 mmol/L Tris、300 mmol/L NaCl 的pH8.0 緩沖液中,4 ℃透析過(guò)夜。然后,用含有20 mmol/L Tris、300 mmol/L NaCl 的pH8.0 溶液平衡Superdex 200,將酶切的Cas12a 蛋白,用凝膠過(guò)濾層析柱進(jìn)行純化。取純化的Cas12a 蛋白進(jìn)行SDS-PAGE。
1.3.3 設(shè)計(jì)crRNA
根據(jù)京都基因與基因組百科全書(shū)數(shù)據(jù)庫(kù)(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG),獲取大腸桿菌(E. coli)K12-MG1655 的16S rDNA 序列,設(shè)計(jì)crRNA[19]。crRNA 形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)的直接重復(fù)序列為AA-UUUCUACUAAGUGUAGAU,間隔序列與靶序列互補(bǔ),T 被U 取代。選取crRNA:5'- UUUGAGUUUUAACCUUGCGGCCGU -3',進(jìn)行定制合成。
1.3.4 大腸桿菌污染牛奶的制備
取大腸桿菌標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控菌株ATCC 25922 接種于3 mL LB 液體培養(yǎng)基中,37 ℃,200 r/min 過(guò)夜培養(yǎng),取100 μL 菌液與900 μL 牛奶混勻,為10-1稀釋,依次用牛奶對(duì)大腸桿菌進(jìn)行稀釋,至10-9,制成不同濃度滴度的大腸桿菌污染牛奶液。取10-3、10-4、10-5、10-6、10-75個(gè)稀釋度的牛奶污染樣品涂布,平行3 次,37 ℃過(guò)夜培養(yǎng)后,對(duì)污染牛奶進(jìn)行菌落統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)GB 4789.38—2012《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)大腸埃希氏菌計(jì)數(shù)》計(jì)算各稀釋梯度培養(yǎng)基上的菌落數(shù),并表示為菌落形成單位CFU/mL,得到牛奶中大腸桿菌菌落總數(shù),用GraphPad prism 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。同時(shí),取40 μL 各個(gè)稀釋度的牛奶污染液,至2 mL LB 液體培養(yǎng)基,37 ℃、200 r/min 過(guò)夜培養(yǎng),進(jìn)行增菌。
1.3.5 PCR 擴(kuò)增
將牛奶污染樣品10 000 r/min 離心3 min 后,棄去上清液,加入100 μL 純水重懸,95 ℃水浴10 min 后12 000 r/min 離心10 min,取上清液作為PCR 模板。應(yīng)用合成的16S rDNA 序列通用引物27F:AGAGTTTGAT CCTGGCTCAG;1492R:GGCTACCTTGTTACGACTT 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。PCR 反應(yīng)體系為2.5 μL PCR 緩沖液,2 μL dNTP,0.5 μL 27F 引物,0.5 μL 1492R 引物,0.125 μL Ex Taq 酶,2 μL 模板,用雙蒸水補(bǔ)齊至25 μL。反條件設(shè)置為98 ℃預(yù)變性1 min;94 ℃保持30 s,52 ℃保持30 s,72 ℃保持2 min,35 個(gè)循環(huán);72 ℃延伸5 min,16 ℃保存,并將PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行膠純化回收。
1.3.6 Cas12a 切割活性檢驗(yàn)
根據(jù)文獻(xiàn)[20]的方法,在酶切反應(yīng)體系中,加入0.5 μL 1 mol/L N-2-羥乙基哌嗪-N'-2-乙磺酸(2-[4-(2 -hydroxyethyl)piperazin -1 -yl]ethanesulfonic acid,HEPES),3.75 μL 1 mol/L KCl,2.5 μL 100 mmol/L MgCl2,0.25 μL 10 % 甘油,1.25 μL 10 mmol/L 二硫蘇糖醇(dithiothreitol,DTT),純化的97 ng MG1655 16S rDNA PCR 產(chǎn)物,以及按照3∶4 的摩爾比分別加入不同濃度的純化后的30 nmol/L Cas12a 和40 nmol/L crRNA;50 nmol/L Cas12a 和66.67 nmol/L crRNA;100 nmol/L Cas12a 和133.3 nmol/L crRNA,純水補(bǔ)齊至25 μL,37 ℃孵育2 h 后,用1%的瓊脂糖凝膠電泳分析。
每組試驗(yàn)平行進(jìn)行3 次,數(shù)據(jù)通過(guò)GraphPad Prism 8 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖,兩組計(jì)量數(shù)據(jù)比較采用Student's t 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,P<0.05 為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
pMAL-c5x-Cas12a 質(zhì)粒構(gòu)建結(jié)果驗(yàn)證見(jiàn)圖1。
圖1 pMAL-c5x-Cas12a 質(zhì)粒構(gòu)建Fig.1 pMAL-c5x-Cas12a plasmid construction
根據(jù)Cas12a(Cpf1)的基因序列,利用設(shè)計(jì)合成的上下游引物(Cpf1-F,Cpf1-R),以pMAL-c5x-Cas12a質(zhì)粒中的Cas12a 序列為模版進(jìn)行PCR 擴(kuò)增后,得到3816 bp 大小的片段,與預(yù)測(cè)的片段大小相符(圖1A)。對(duì)Cas12a 的PCR 產(chǎn)物進(jìn)行膠回收,將膠回收的PCR產(chǎn)物與Sac I 和BamH I 酶切后的pMAL-c5x 質(zhì)粒進(jìn)行連接轉(zhuǎn)化,通過(guò)100 μg/mL 氨芐青霉素抗生素的LB固體培養(yǎng)基篩選,隨機(jī)選取8 個(gè)單菌落進(jìn)行PCR 鑒定并測(cè)序分析,PCR 產(chǎn)物大小為3 920 bp 的單菌落為陽(yáng)性,共獲得5 個(gè)陽(yáng)性菌落(圖1B),隨機(jī)選擇3 個(gè)陽(yáng)性菌落進(jìn)行測(cè)序,所得陽(yáng)性菌落均比對(duì)成功,pMAL-c5x-Cas12a 質(zhì)粒構(gòu)建成功。
Cas12a 蛋白誘導(dǎo)少量表達(dá)結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 Cas12a 蛋白誘導(dǎo)表達(dá)Fig.2 Cas12a protein expression
將構(gòu)建成功的pMAL-c5x-Cas12a 質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到BL21 感受態(tài)細(xì)胞中,加入IPTG 誘導(dǎo)表達(dá),以不加IPTG 的菌液蛋白做為陰性對(duì)照,進(jìn)行少量表達(dá)。蛋白SDS-PAGE 結(jié)果顯示,加入IPTG 誘導(dǎo)后,總蛋白、上清液和沉淀樣品中均出現(xiàn)了130 kDa 左右的條帶,且比不加誘導(dǎo)劑組的蛋白條帶明顯增強(qiáng),大小也與Cas12a蛋白一致,說(shuō)明Cas12a 蛋白表達(dá)成功。
Cas12a 蛋白純化結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 Cas12a 蛋白純化Fig.3 Cas12a protein purification
根據(jù)1.3.2 誘導(dǎo)表達(dá)條件,將Cas12a 蛋白進(jìn)行大量表達(dá),獲得的蛋白上清通過(guò)MBP 親和層析柱進(jìn)行純化,對(duì)純化獲得的Cas12a 蛋白進(jìn)行酶切消化,最后用凝膠過(guò)濾層析的方法除去剩余的雜質(zhì)蛋白。通過(guò)SDSPAGE 和考馬斯亮藍(lán)染色驗(yàn)證,與未經(jīng)蛋白純化的對(duì)照組相比,洗脫樣中,泳道5~7 有比較明顯的分子量為130 kDa 蛋白條帶,且其含量和純度較好(圖3)。因此,將上述3 種回收的蛋白進(jìn)行混和、分裝,作為構(gòu)建CRISPR-Cas12a 檢測(cè)體系的Cas12a 蛋白。
Cas12a 蛋白酶切大腸桿菌K12 -MG1655 的16S rDNA 序列結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 Cas12a 蛋白酶切大腸桿菌K12-MG1655 的16S rDNA 序列Fig.4 Cas12a protease digested 16S rDNA sequence of E. coli K12-MG1655
利用細(xì)菌16S rDNA 序列的通用引物27F、1492R,對(duì)大腸桿菌K12-MG1655 的16S rDNA 序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增,核酸電泳檢測(cè)結(jié)果顯示,獲得1 542 bp 的擴(kuò)增產(chǎn)物(圖4A)。將擴(kuò)增的PCR 產(chǎn)物進(jìn)行膠回收純化,按30∶40 物質(zhì)的量濃度加入Cas12a 純化蛋白和crRNA進(jìn)行酶切,陰性對(duì)照組用無(wú)菌水代替Cas12a。核酸電泳檢測(cè)酶切結(jié)果顯示(圖4B),Cas12a 濃度為30 nmol/L、crRNA 濃度為40 nmol/L 時(shí),呈現(xiàn)出890 bp 和1 542 bp兩種條帶,說(shuō)明K12-MG1655 的16S rDNA 序列未完全酶切;Cas12a 濃度為50 nmol/L、crRNA 濃度為66.67 nmol/L 時(shí),呈現(xiàn)出890、628 bp 和1 542 bp 3 種條帶,說(shuō)明K12-MG1655 的16S rDNA 序列未完全酶切,但酶切條件明顯優(yōu)化;Cas12a 濃度為100 nmol/L、cr-RNA 濃度為133.3 nmol/L 時(shí),呈現(xiàn)出明顯的890 bp 和628 bp 兩種條帶,且無(wú)1 542 bp 條帶,說(shuō)明K12-MG1655的16S rDNA 序列在此條件下完全酶切。根據(jù)酶切結(jié)果,100 nmol/L 蛋白濃度的MG1655 切割效果較好,將此條件作為構(gòu)建CRISPR-Cas12a 檢測(cè)體系。
牛奶樣品的菌落總數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖5。CRISPR-Cas12a體系檢測(cè)牛奶中大腸桿菌結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖5 污染大腸桿菌牛奶樣品的菌落總數(shù)結(jié)果Fig.5 Total viable count of E. coli-contaminated milk samples
圖6 CRISPR-Cas12a 體系檢測(cè)牛奶中大腸桿菌Fig.6 Detection of E. coli in milk by CRISPR-Cas12a system
從圖5 中可看出,不同濃度污染的牛奶中大腸桿菌數(shù)量存在顯著性差異。將感染不同濃度大腸桿菌的牛奶樣品用LB 液體培養(yǎng)基以1∶100 體積比稀釋,過(guò)夜培養(yǎng),進(jìn)行增菌,收集增菌后的菌液,并用細(xì)菌16S rDNA 序列的通用引物27F、1492R 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。從圖6 核酸電泳檢測(cè)結(jié)果顯示,不同濃度污染的牛奶均可獲得1 542 bp 的擴(kuò)增產(chǎn)物條帶(圖6A)。根據(jù)上述結(jié)果,采用100 nmol/L Cas12a、133.3 nmol/L crRNA濃度的CRISPR-Cas12a 檢測(cè)體系對(duì)純化的大腸桿菌ATCC25922 16S rDNA 序列的PCR 純化產(chǎn)物進(jìn)行酶切,不加CRISPR-Cas12a 檢測(cè)體系純化的16S rDNA序列的PCR 產(chǎn)物作為陰性對(duì)照,并進(jìn)行核酸電泳檢測(cè)。結(jié)果顯示,CRISPR-Cas12a 檢測(cè)體系組呈現(xiàn)出890 bp和628 bp 條帶,沒(méi)有加入檢測(cè)體系的對(duì)照組DNA 片段沒(méi)有被酶切(圖6B),牛奶中的大腸桿菌基于CRISPRCas12a 的檢測(cè)體系建立成功。
基于CRISPR-Cas12a 的基因編輯技術(shù),本研究成功表達(dá)、純化了CRISPR-Cas12a 蛋白,并用純化的CRISPR-Cas12a 蛋白、特異性的crRNA 等的混合體系,對(duì)目的基因16S DNA 準(zhǔn)確完成靶向切割,成功構(gòu)建以大腸桿菌為模型的一種細(xì)菌檢測(cè)體系。牛奶作為人們?nèi)粘I钪兄饕獱I(yíng)養(yǎng)攝取源,其質(zhì)量安全直接影響人們身體健康,本研究建立的CRISPR-Cas12a 系統(tǒng)可檢測(cè)牛奶中的大腸桿菌,具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、檢測(cè)速度快等特點(diǎn),為提高乳源中細(xì)菌的特異性檢測(cè)效率奠定了基礎(chǔ)。