פרוייקט ביוטק 2016
כיצד משפיע ריכוז IPTG על רמת הביטוי של הוריאנט .W.T?
שמות המבצעים: מירי פינקין ונעה בוגין
שמות המנחים: גדי ערמוני, ירדנה דוד ורופאיידה מרוואת בחסות מכון ויצמן למדע
שם המורה: ענת קפלן
שם התיכון: הדרים הוד השרון
מבוא למחקר
במהלך עבודתנו במכון וויצמן נבדוק מהם התנאים האופטימליים לייצור PON1 ונתמקד בריכוז הIPTG במצע הגידול.
שאלת המחקר שלנו היא: כיצד משפיע ריכוז ה IPTG על רמת הביטוי של הוריאנט .W.T?
בקרה
גורמים קבועים
pH
זמן דגירה
סוג מצע הגידול
סוג הוריאנט (W.T.ׁ)
חזרות
ניסוי מקדים
מטרת השיטה: החדרת הפלסמיד הרקומביננטי לחיידקים
תיאור השיטה: נשתמש בפלסמידים מהונדסים גנטית שעליהם גן המקודד לPON1 בוריאנט W.T., לפניו שני מקטעי דנ"א המהווים את אופרון הלקטוז המהונדס (P,O ׂׂׂׂ),לפניהם גן מווסת I, אחרי הגן המקודד לPON1 ישנו מקטע דנ"א המקודד ל8 חומצות היסטידין, רצף Ori, גן המקנה תכונה של עמידות בפני אמפיצילין.
במבחנה אחת נשים חיידקים מסוג E.coli, פלסמידים רקומביננטים ויוני סידן. יוני הסידן נועדו לגשר בין קרום תא החיידק לפלסמיד: המטען החשמלי של קרום תא החיידק ושל הפלסמיד הוא שלילי לכן בכדי למנוע דחייה חשמלית, נוסיף יוני סידן. ניקח מבחנה נוספת שבה שבה חיידקים. נפעיל שוק תרמי על המבחנות: נשים את המבחנות בקרח למשך 30 דקות. לאחר מכן נעביר את המבחנות מאמבט הקרח למים במטמפרטורה של 42 מעלות למשך 60 שניות בדיוק. נעביר את המבחנות שוב לקרח כתוש ל2 דקות ולבסוף נעביר את המבחנות לאמבט מים במטפרטורה של 37 מעלות למשך שעה.
- 2. שם השיטה: זריעה וברירה
מטרת השיטה: לברור את החיידקים אשר קלטו את הפלסמיד הטרנסגני.
תיאור השיטה: נשתמש ב3 צלחות פטרי: צלחת ראשונה תכיל מצע גידול מוצק אגר ואמפיצילין שעליה נזרע חיידקים ממבחנת הניסוי. המטרה בצלחת זו היא לברור את בין החיידקים שקלטו את הפלסמיד לבין אלו שלא. צלחת שנייה תכיל אגר עם אמפיצילין וחיידקים ממבחנת הבקרה. המטרה בצלחת זו היא לוודא שאין לחיידקים עמידות טבעית בפני אמפיצילין. הצלחת השלישית תכיל אגר וחיידקים ממבחנת הניסוי. המטרה בצלחת זו היא לבדוק שאין שום דבר במהלך הניסוי שגרם למותם של החיידקים חוץ מהאמפיצילין.
משתנים בניסוי המקדים:
משתנה תלוי- כמות מושבות החיידקים על צלחת הפטרי.
משתנה בלתי תלוי-
א. החיידקים שקלטו את הפלסמיד הטרנסגני או לא קלטו.
ב. סוג מצע הגידול.
תוצאות הניסוי המקדים
דיון בתוצאות הניסוי המקדים
המטרה בזריעת החיידקים ממבחנת הניסוי על צלחת פטרי עם מצע גידול אגר ואמפיצילין היא לברור בין החיידקים שקלטו את הפלסמיד בטרנספורמציה לבין אלו שלא. על הפלסמיד קיים גן נוסף שמקנה עמידות בפני אמפיצילין. החיידקים שקלטו את הפלסמידים אמורים לשרוד ולהתרבות גם בנוכחות אמפיצילין. דבר זה אכן קרה והתקבלו 2 מושבות חיידקים. מכך ניתן להסיק כי אכן היו חיידקים שעברו טרנספורמציה בהצלחה וקלטו פלסמיד. המטרה בצלחת בה זרענו חיידקים בצלחת פטרי עם מצע גידול אגר ואמפיצילין היא לבדוק שאין לחיידקים עמידות טבעית בפני אמפיצילין. דבר אמור להתבטא בכך שלא יווצרו מושבות חיידקים על הצלחת. אכן כך קרה ומכך ניתן להסיק כי אין לחיידקים עמידות טבעית בפני אמפיצילין. המטרה בזריעת החיידקים על צלחת פטרי בה מצע גידול אגר היא לבדוק שאין דבר במהלך הניסוי שגורם למותם של החיידקים. הדבר אמור להתבטא בהיווצרות מרבד של מושבות על הצלחת הואיל ואין אמפיצילין או גורם אחר שיכול לפוגע בהם. אכן נוצר מרבד של מושבות חיידקים ומכך ניתן להסיק כי אין גורם מלבד האמפיצילין בניסוי שגורם למותם של החיידקים.
מהלך המחקר
משתנה תלוי- כמות הPON1 שמתקבלת, נמדדת באמצעות שיטת ה- SDS-PAGE.
משתנה בלתי תלוי- ריכוז ה-IPTG, אותו שינינו באמצעות מיהולים. ריכוזי הIPTG הם:
0,0.01mM, 0.1mM, 0.5mM, 1mM, 2mM
השערה לתוצאות הניסוי
שיטות מהלך המחקר
מטרת השיטה: לקבל כמות גדולה של חיידקים טרנסגניים שיבטאו את הגן לPON1 בוריאנט W.T.
תיאור השיטה: לוקחים דגימה של חיידקים טרנסגניים מצלחת הניסוי של הניסוי המקדים. מכניסים לארלנמייר המכיל מצע גידול נוזלי (LB). למצע הגידול מוסיפים אמפיצילין על מנת שחיידקים שנמצאים בסביבה החיצונית לא יזהמו את מערכת הגידול. מוסיפים למצע הגידול גם יוני סידן כדי שישתמשו בהם לייצור PON1. מטלטלים את בקבוק הארלנמייר במטרה לגדיל את שטח הפנים לחדירת חמצן. לוקחים דגימת חיידקים ובודקים את רמת הבליעה בספקטרופוטומטר באורך גל של 600nm. כאשר רמת הבליעה מגיעה ל0.6-0.8 O.D. מפסיקים את גידולם.
2. שם השיטה: הוספת IPTG כדי שהחיידקים ייצרו PON1 תחת בקרת אופרון הלקטוז
מטרת השיטה: ביטוי הגן לוריאנט W.T. של PON1 והפקת חלבוני התא
תיאור השיטה: בשיטה זו נוסיף IPTG למצע הגידול ונשתמש באופרון הלקטוז המהונדס. אופרון הלקטוז המהונדס הוא אופרון לקטוז שבו שלושת הגנים המבניים הוחלפו בגן המקודד לPON1. הוא מכיל גן מווסת ואזור בקרה (אזור מפעיל ואזור מקדם). IPTG הוא אנאלוג ללקטוז, הוא נקשר אל הדכאן ומונע את קשירתו לאתר המפעיל, דבר אשר המאפשר תעתוק ותרגום של הגן לוריאנט W.T. היתרונות של IPTG על פני לקטוז הם: החיידקים עלולים לפרק את הלקטוז ולכן רמתו לא תישאר קבועה, לעומת הIPTG שאינו מפורק על ידי החיידק וכתוצאה מכך רמתו נשארת קבועה בתא וקצב ביטוי הגנים נותר קבוע. יתרון נוסף הוא שכניסתו של הIPTG אל התא אינה תלויה בנשא כלשהו.
נכין 6 מבחנות אשר בכל אחת מהן ריכוז שונה של IPTG. נעשה זאת על ידי סדרת מיהולים. הריכוזים הם (ביחידות מידה של mM):
0, 0.01, 0.1, 0.5, 1, 2.
3. שם השיטה: סרכוז בצנטריפוגה
מטרת השיטה: נסרכז בצנטריפוגה על מנת להפריד את החיידקים ממצע הגידול.
תיאור השיטה: צנטריפוגה היא מכשיר המפריד חומרים על פי צפיפותם. ככל שהחומר בעל צפיפות גבוהה יותר, הוא כבד יותר. חיידקים הם בעלי צפיפות גבוהה ולכן מצטברים בתחתית המבחנה. לכן נשתמש במקטע התחתון.
4. שם השיטה: פיצוץ תאי החיידקים.
מטרת השיטה: המטרה היא להוציא את החלבון הרצוי מתאי החיידקים.
תיאור השיטה: נפוצץ את דופן וקרום התאים בעזרת תמיסת פיצוץ. תמיסה זו מורכבת ממספר מרכיבים אשר מסייעים לפירוק הדופן והקרום:
ליזוזים- אנזים שמפרק את דופן תא החיידק.
דטרגנט- מפרק את המרכיב הפוספוליפידי של קרום התא.
נוקלאזות- אנזימים שמפרק דנ"א ורנ"א על מנת לקבל תמיסה צלולה ולא צמיגית.
קוקטייל מעכבי פרוטאזות (PIC)- בתא החיידק נמצאים חלבונים (פרוטאזות). על מנת שחלבונים אלו לא יפרקו את PON1 נוסיף מעכבים.
5. שם השיטה: סרכוז נוסף בצנטריפוגה
מטרת השיטה: להפריד את החלבונים החיידקים סנתזו משברי הקרומים.
תיאור השיטה: נסרכז פעם נוספת בצנטריפוגה. נמשיך עם המקטע העליון בו נמצאים החלבונים שהחיידקים סנתזו.
6. שם השיטה: ניקוי החלבון בעזרת קולונת ניקל
מטרת השיטה: להפריד בין החלבון PON1 לבין שאר החלבונים שסנתזו החיידקים אשר מצויים בליזט.
תיאור השיטה: נשתמש בקולונת זיקה מסוג קולונת ניקל. לגן PON1 נוסיף מקטע דנ"א נוסף קצר שיש בו את הקוד הגנטי ליצירת 8 חומצות אמינו מסוג היסטידין. חלק ממבנה מולקולת היסטידין היא טבעת אימידזולית. ליון ניקל זיקה חזקה לטבעת אימידזולית. תוספת זו מאפשרת להעניק לחלבון PON1 יתרון לקישור לניקל. נשתמש בשיטה זו בשני בופרים: 1. בופר שטיפה בריכוז נמוך של אימידוזול (20mM ). החלבונים האחרים ישטפו החוצה וPON1 יקשר לחרוזי הניקל.
2. בופר הדחה בריכוז גבוה של אימידזול (500mM). בשלב זה נדיח את הPON1 מהקישור ליוני הניקל החוצה אל המבחנה.
7. שם השיטה: בדיקת ריכוז החלבון בשיטה ספקטרופוטומטרית עם ריאגנט ברדפורד
מטרת השיטה: לבדוק את ריכוז החלבון שקיבלנו- כמה חלבון התקבל.
תיאור השיטה: ספקטרופוטומטר הוא מכשיר למדידת בליעת אור באופן מדויק. ככל החומר הנבדק יהיה מרוכז יותר, יותר אור יבלע ופחות אור יעבור. המכשיר בודק את כמות האור העובר וכך מצביע על רמת הבליעה של החומר. בעזרת רמת הבליעה ניתן לבנות עקומת כיול ולגלות את ריכוז החומר. נוסיף למבחנה ריאגנט ברדפורד שצבעו חום צהבהב בכדי להעניק צבע לחלבון- כך שהספקטרופוטומטר יוכל לקרוא את רמת הבליעה. הוא מגיב עם החלבון והצבע הופך לכחול. נכניס את התמיסה לקיווטה ואותה נכניס לספקטרופוטומטר. רמת הבליעה הנמדדת היא באורך גל של 595nm. המבחנה הראשונה שנבדוק היא מבחנת הבלאנק אשר מכילה בופר אלוציה וברדפורד. ניעזר בעקומת כיול שהוכנה עבורנו מראש ולפי משוואת הקו הישר ורמת הבליעה ( הלוא היא y) נבודד את הנעלם x- ריכוז החלבון.
8. שם השיטה: הרצה באלקטרופורזה בג'ל
מטרת השיטה: לבחון את כמות החלבון PON1 אשר התקבל במהלך הניסוי, רמת הביטוי של PON1.
תיאור השיטה:
את החלבונים נשים בתערובת המכילה SDS אשר שובר את קשרי המימן ו-DTT ששובר את קשרי הS-S. כמו כן הרחתנו את החלבון בכדי לשבור את הקשרים הבין מולקולריים בו.
המטרה היא לשבור את המבנה המרחבי של PON1 כך שרק גודלו ישפיע על מרחק הריצה שלו במהלך ההרצה באלקטרופורזה בג'ל. נדע מיהו PON1 על ידי השוואה לסימני הגודל. גודלו 40KD. ככל שהפס עבה יותר וכהה יותר סימן שנוצר יותר PON1. תפקידו השני של ה-SDS הוא לצפות את החלבון במטען שלילי מכיוון שמטענו של החלבון משתנה בהתאם לpH של התמיסה. באופן זה נבטיח שהחלבונים ירוצו לכיוון האלקטרודה החיובית (אנודה) ומרחק ריצתם יקבע על פי גודלם.
תוצאות
חישוב ריכוז חלבון בשיטה ספקטרופוטומטרית עם ריאגנט ברדפורד:
במהלך הניסוי בשלב ניקוי החלבון בעזרת קולונת ניקל הוצאנו את החלבונים באמצעות 3 בופרים מסוג שטיפה עבור כל מבחנה עם ריכוז IPTG שונה. לאחר מכן אספנו את הPON1 בעזרת בופר הדחה (אלוציה). אחרי כן בדקנו את רמת הבליעה של כל מבחנה בעזרת ספקטרופוטומטר עם ריאגנט ברדפורד.
את ריכוז החלבון ניתן לחשב באמצעות רמת הבליעה ועקומת הכיול. בעקומת הכיול מוצג הגרף המראה על רמת הבליעה של ריאגנט ברדפורד כפונקציה של ריכוז החלבון. כך מתקבל גרף לינארי ומשוואת הקו הישר: y=0.3264x.
נציב במשוואה את רמת הבליעה כ-y וכך נבודד את ריכוז החלבון- הלוא הוא x.
דיון בתוצאות ומסקנות
ההרצה בג'ל לא מספקת תוצאות מדויקות עקב טעות בהכנסת התמיסות לבאריות באופן מדויק, התמיסות התערבבו אחת עם השנייה בג'ל. עם זאת, בחלק של הבארית בה הכנסנו תמיסה עם ריכוז IPTG של 2mM, היה פס כהה יותר לעומת שאר הבאריות. ניתן להסיק מכך כי ככל שריכוז הIPTG גבוה יותר, כך כמות החלבון PON1 המתקבלת בסוף התהליך הנה גדולה יותר. IPTG נקשר לדכאן ומונע את פעילותו, בכך הוא מאפשר היווצרות רנ"א שייקרא בריבוזום ויווצרו חלבונים בתא. ככל שריכוז הIPTG גבוה יותר, כך יותר מולקולות של דכאן מפסיקות את פעילותן ונוצר יותר חלבון בתא.
לפי טבלת התוצאות של שיטת ברדפורד, ניתן לראות כי שני הריכוזים בהם התקבלה כמות החלבון הגדולה ביותר הם C=0.01mM ו- C=2mM, כאשר C=0.01mM במקום הראשון עם כמות החלבון הגדולה ביותר. דבר זה סותר את תוצאות ההרצה בג'ל שהראו כי בבארית שבה ריכוז הIPTG הוא 2mM התקבלה כמות גדולה יותר של PON1. ההסבר האפשרי לכך הוא שבמהלך הניסוי בתמיסה שבה ריכוז הIPTG היה 0.01mM ריכוז החלבון PON1 מכלל ריכוז החלבונים היה נמוך, כלומר חלבונים רבים אחרים לא נשטפו במהלך הניסוי ונשארו בתמיסה. לכן ריכוז החלבון היה גבוה יותר, אך ריכוז החלבון PON1 היה נמוך יותר מבתמיסה שהכילה ריכוז IPTG של 2mM.
השערתנו הייתה שבתמיסה שבה יהיה ריכוז IPTG הגבוה ביותר תתקבל הכמות הגדולה ביותר של החלבון. לפי תוצאות הניסוי ניתן לומר כי השערתנו לתוצאות הניסוי הייתה נכונה.
מסקנות:
מתוצאות הניסוי ניתן להסיק כי כאשר ריכוז הIPTG הוא 2mM, כמות החלבון PON1 אשר תתקבל בסוף הניסוי תהיה גדולה יותר מאשר בניסוי בו יהיה ריכוז IPTG נמוך יותר. כמו כן, ניתן להסיק כי יש לעבוד באיטיות ובדייקנות לאורך כל הניסוי בכדי לקבל תוצאות מהימנות.
הצעות לשיפור:
בכדי לשפר את תוצאות הניסוי אנו ממליצות לחזור על הניסוי מספר פעמים. ככל שמספר החזרות גדול יותר כך תוצאות הניסוי מדויקות יותר. מפאת חוסר ניסיון בעת הכנסת התמיסות השונות לבאריות לא הכנסנו את ההתמיסות עמוק מספיק לבאריות וכתוצאה מכך התמיסות התערבבו בין הבאריות ולא התקבלו תוצאות מהימנות שניתנות לשימוש. לכן, אנו ממליצות בעת חזרה על הניסוי להכניס את התמיסות באופן מדויק ובאיטיות לבאריות בג'ל.
כיווני המשך למחקרים עתידיים:
אנו ממליצות לבדוק בעתיד ווריאנטים חדשים ושונים לPON1 אשר יפרקו באופן יעיל ומהיר יותר גז עצבים. יתרה מזאת, אנו ממליצות לבדוק את כמות הPON1 האופטימלית שאדם צריך על מנת להתמודד עם חשיפה לגז עצבים ולצמצם את התופעות עקב החשיפה.
קבוצת המחקר
התוצאות שקיבל הצוות שעבד עם ווריאנט H115W הראו שיש צורך לחזרות נוספות על הניסוי הואיל והתוצאות אינן מדויקות בעקבות גורמים שונים וביניהם קוצר זמן ואי דיוקים שונים במהלך הניסוי. התוצאה של שיטת בראדפורד בניסוי של צוות זה הייתה שבריכוז IPTG אפס כמות החלבון שהתקבלה הייתה הגדולה ביותר. בהרצה באלקטרופורזה בג'ל התמיסות בהן ריכוז הIPTG היה 1mM, 2mM התקבל הפס הכהה והרחב ביותר שהתאים לגודלו של PON1. מכך ניתן להסיק כי בתמיסות שבהן היה ריכוז IPTG של 1mM,2mM כמות הPON1 שהתקבלה הייתה הגדולה ביותר. תוצאה זו תואמת לתוצאה שלנו בהרצה באלקטרופורזה בג'ל (התוצאה שלנו הייתה שבתמיסה שבה ריכוז הIPTG היה 2mM התקבל הפס הרחב והכהה ביותר שמתאים לגודלו של PON1) וההסבר לה הוא ש-IPTG נקשר לדכאן ומונע את פעילותו, בכך הוא מאפשר היווצרות רנ"א שייקרא בריבוזום ויווצרו חלבונים בתא. ככל שריכוז הIPTG גבוה יותר, כך יותר מולקולות של דכאן מפסיקות את פעילותן ונוצר יותר חלבון בתא, יותר PON1. התוצאה של הצוות שעבד עם ווריאנט 8C8 של שיטת בראדפורד הייתה שבריכוז IPTG של 2mM התקבלה כמות החלבון הגדולה ביותר. בהרצה באלקרטופורזה בג'ל התקבל הפס הרחב ביותר המתאים לגודלו של PON1 היה בתמיסה שבה ריכוז הIPTG היה 2mM. תוצאות ההרצה באלקטרופורזה בג'ל של צוות זה( שעבד עם ווריאנט 8C8) תואמות לתוצאות בהרצה בג'ל של הצוות שעבד עם ווריאנט W.T. ושל הצוות שעבד עם ווריאנט H115W. ההסבר לכך הוא הוא ש-IPTG נקשר לדכאן ומונע את פעילותו, בכך הוא מאפשר היווצרות רנ"א שייקרא בריבוזום ויווצרו חלבונים בתא. ככל שריכוז הIPTG גבוה יותר, כך יותר מולקולות של דכאן מפסיקות את פעילותן ונוצר יותר חלבון בתא, יותר PON1.
תוצאות שיטת בראדפורד של שלושת הצוותים לא היו תואמות אחת לשנייה.
לפי הגרף שמראה את תלות כמות החלבון שהתקבל בריכוז IPTG בווריאנטים השונים, הווריאנט שבו התקבלה כמות החלבון הגדולה ביותר הוא ווריאנט W.T.
בבליוגרפיה
- אתר האינטרנט של מכון וויצמן למדע.
- וויקיפדיה.
- סיכומי שיעור ביוטכנולוגיה.
- אתר http://proteopedia.org/wiki/index.php/Main_Page :Proteopedia
- פרוטוקולים שכתב מכון וויצמן למדע.