Die Arbeit im Labor - Katalase aus Bacillus subtilis

Das Ziel unserer Laborarbeit war die Expression von Katalase in Gegenwart der nicht-natürlichen Aminosäuren Ethion und Norleucin. Das verwendete Laborbakterium (Bacillus subtilis Stamm 1A55, bezogen vom Bacillus Genetic Stock Center, http://www.bgsc.org/) sollte die nicht-kanonischen Aminosäuren in seinen Stoffwechsel miteinbeziehen und schließlich ein synthetisches Enzym ins Nährmedium abgeben. Der von uns verwendete Bacillus subtilis-Stamm war Methionin-, Tryptophan-, Tyrosin- und Phenylalanin-auxotroph und konnte somit außerhalb des künstlich hergestellten Nährmediums nicht überleben.

Die Methionauxotrophie des ausgewählten Bakterienstammes wollten wir nutzen.

Wir mischten sechs verschiedene Nährmedien. Drei auf Basis des Bakterium-Standardmedium, genannt LB, und drei auf ein anderes Standardmedium, genannt M9. Bei LBM mischten wir Methion als natürliche Aminosäure bei, bei LBN ersetzen wir Methionin mit Norleucin, bei LBE mit Ethionin. Nach dem gleichem Schema stellten wir M9M, M9N, M9E her.Jeweils LBM und M9M mit dem der natürlichen Aminosäurenzusammensetzung sollten unsere Referenzproben sein, ob unsere Bacillusstamm überhaupt Amylasen erzeugt, also die sogenannte Nullprobe.
Die Mischrezepte finden Sie in Tabelle 1.

Obwohl unser Bacillus Stamm sicher war, wurden alle Maßnahmen zur Vermeidung einer Kontamination der Außenwelt sehr gewissenhaft und genau ausgeführt: Alle bei den Arbeiten verwendeten Einmalgerätschaften wurden im Autoklaven oder Certoklaven inaktiviert und anschließend weggeworfen. Lösungen mit speziellen Färbemittel wurden einer Sondermüllentsorgung zugeführt. Ebenfalls wurden alle Organismen durch Hitzesterilisation inaktiviert. Die Laborgeräte, Arbeitsbereiche, Labortische etc. wurden mit Desinfektionslösung gereinigt bzw. die Reinraumbank zusätzlich nach der Reinigung und Desinfektion mit UV-Licht behandelt.

Anlegen der Vorkultur

20 µl des auf Trockeneis gelagerten Glycerin-Stocks des Bacillus subtilis-Stammes 1A55 werden zum Anlegen einer Vorkultur verwendet. Dazu werden 10ml des LB Mediums (fertig gemischt kommerziell erhältlich) unter der Reinraumbank in ein steriles 50ml Falconröhrchen gefüllt. Danach wird das Medium mit dem Glycerin-Stock mittels einer Pipette beimpft.

Es ist auf absolute Sterilität zu achten. Jedes verwendete Gerät ist entweder abzuflammen, mit UV-Licht zu behandeln oder mit 70%-Ethanol abzuwischen. Auch sind Handschuhe zu tragen, die ebenfalls desinfiziert werden sollten.
Die beimpften Medien werden über Nacht bei 37°C in den Schüttelinkubator gestellt. Die Röhrchen sind leicht schräg zu platzieren, damit eine gute Durchmischung mit Luft gewährleistet ist. Der Deckel wird nur soweit festgeschraubt, dass er gerade noch sicher hält. Auf diese Weise kann die Luft außerhalb und innerhalb es Röhrchens zirkulieren.

Bestimmen der optischen Dichte

Um die optische Dichte der Probe - und damit die Menge der darin enthaltenen Keime - feststellen zu können, werden unter sterilen Bedingungen 0,9ml keimfreien Nährmediums in eine Küvette überführt. Dazu kommen 0,1ml des beimpften und bebrüteten Nährmediums, das zuvor gut gevortext/durchmischt werden muss. Mit Hilfe eines Photometers wird bei 550nm Absorption die optische Dichte bestimmt. Als Blindprobe dient 1ml LB-Medium. Auch hier sollte auf steriles Arbeiten geachtet werden, damit keine Fremdkeime in die Vorkultur gelangen. Bei der Küvette muss man nicht mehr auf eine sterile Arbeitsweise achten - sie wird ohnehin entsorgt.

Ansetzen der Hauptkultur

Zunächst muss das Volumen für das Inokulum für die Hauptkultur berechnet werden. Dabei sollte die optische Dichte der Hauptkultur 0,1 betragen.

VInokulum = (VHK*Start OD550) / OD550VK

Unter sterilen Bedingungen wird das Nährmedium (100ml LB, 200ml M9) in die autoklavierten Schikanenkolben gefüllt. Danach wird das berechnete Inokolum aus der Vorkultur in den Schikanenkolben pipettiert. Dabei ist wieder auf absolut sauberes Arbeiten zu achten und der Schikanenkolben außerhalb der Reinraumbank immer mit Alufolie abzudecken. Die Ränder und Deckel sämtlicher Gefäße müssen nach jedem Öffnen und vor jedem Schließen abgeflammt werden.

Der Schikanenkolben mit dem nun beimpften Nährmedium wird bei 37°C in den Schüttelinkubator gestellt. Dabei ist die Drehzahl so zu wählen, dass das Medium gut schäumt und somit viel Sauerstoff zu der Kultur gelangt.
Nach 1h, 3h, 5h, 7h, 20h, 22h, und 24h wird jeweils 1ml der Zellsuspension unter sterilen Arbeitsbedingungen in eine Küvette überführt und die optische Dichte (und damit das Zellwachstum) bestimmt. Optische Dichte und Zeit sind wichtige Faktoren für die Erstellung einer Wachstumskurve. Die Proben werden anschließend in der Epifuge bei maximaler Geschwindigkeit 2 Minuten abzentrifugiert und die Zellüberstände mit einer Pipette in ein Eppendorfergefäß überführt, worin sie gekühlt gelagert werden.

Zellernte und Gewinnung der Katalase

Sobald die optische Dichte abzufallen beginnt hat das Sterben der Zellen begonnen. Es ist rasch zu handeln, weil nun Proteasen (= Enzyme, die fähig sind, Enzyme abzubauen) in das Medium gelangen, die das gesuchte Enzym Katalase zerstören können. Die Zellsuspension wird, nun nicht mehr steril, in 50ml Falconröhrchen aufgeteilt und in der Zentrifuge bei 3500rpm 10 Minuten abzentrifugiert. Der Zellüberstand wird nun - ohne das Zellpellet aufzuwirbeln - in einen Faltenfilter abdekandiert. Der auf diese Weise gewonnene Zellüberstand enthält sämtliche in den Bakterien expressionierten Proteine.
Das Filtrat versetzten wir mit Ammoniumsulfat, um das Ausfallen der Katalase herbeizuführen. Diese Flüssigkeit wurde noch insgesamt zweimal gefiltert.
Mithilfe eines Dialyseschlauches trennten wir das zuvor zugegebene Ammoniumsulfat von der Katalase. Mit einem SDS-Gel trennten wir alle Proteine in unserem Substrat auf und kühlten es für die spätere Analyse in der Massenspektrometrie am Max-Planck-Institut ein.

Tabelle 1: Medien

LB Medium

0.5% (w/v) yeast extract

5 g/l

1% (w/v) Bacto tryptone

10 g/l

1% (w/v) NaCl

10 g/l

LB+ Medium

0.1% (w/v) glucose

1 g/l

L-Phenylalanin

50 mg/l

L-Tyrosin

50 mg/l

L-Tryptophan

50 mg/l

0.5% (w/v) yeast extract

5 g/l

1% (w/v) Bacto tryptone

10 g/l

1% (w/v) NaCl

10 g/l

LBM Medium

LB+ Medium

100 ml

L-Methionin

50 mg/l

Methionin in LB+ Medium auflösen und sterilfiltrieren; 2 ml in ein steriles 2 ml Eppi aliquotieren („Blank“) & bei 4 °C lagern; bald verbrauchen; kann über Nacht bei 4 °C gelagert werden.

LBE Medium

LB+ Medium

100 ml

L-Ethionin

10 g/l

Ethionin in LB+ Medium auflösen und sterilfiltrieren; 2 ml in ein steriles 2 ml Eppi aliquotieren („Blank“) & bei 4 °C lagern; bald verbrauchen;kann über Nacht bei 4 °C gelagert werden.

LBN Medium

LB+ Medium

100 ml

L-Norleucin

10 g/l

Norleucin in LB+ Medium auflösen und sterilfiltrieren; 2 ml in ein steriles 2 ml Eppi aliquotieren („Blank“) & bei 4 °C lagern; bald verbrauchen; kann über Nacht bei 4 °C gelagert werden.

5x M9 Konzentrat

Na2HPO4·2 H2O

42.5 g/l

KH2PO4

15 g/l

NH4Cl

5 g/l

NaCl

2,5 g/l

pH Wert mit NaOH auf 7.0 einstellen; autoklavieren und bei Raumtemperatur lagern.

100x Spurenelementelösung

MnCl2·4 H2O

100 mg/l

ZnCl2

170 mg/l

CuCl2·2 H2O

43 mg/l

CoCl2·6 H2O

60 mg/l

Na2MoO4·2 H2O

60 mg/l

Sterilfiltrieren und lichtgeschützt bei Raumtemperatur lagern.

100 mM CaCl2

CaCl2·2 H2O

1.47 g / 100 ml

Autoklavieren und bei Raumtemperatur lagern.

1M MgSO4

MgSO4·7H2O

24.6 g / 100 ml

Autoklavieren und bei Raumtemperatur lagern.

50 mM FeCl3

FeCl3·6H2O

1.35 g / 100 ml

Autoklavieren und bei Raumtemperatur lagern.

M9 Medium

5x M9 Konzentrat

200 ml/l

100x Spurenelementelösung

10 ml/l

100 mM CaCl2

1 ml/l

1 M MgSO4

1 ml/l

50 mM FeCl3·6H2O

1 ml/l

L-Phenylalanin

50 mg/l

L-Tyrosin

50 mg/l

L-Tryptophan

50 mg/l

Glucose

5 g/l

Mit destilliertem H2O auf 1 L auffüllen, Glucose und Aminosäuren auflösen, sterilfiltrieren und bald verbrauchen; kann über Nacht bei 4 °C gelagert werden.

M9M Medium

M9 Medium

200 ml

L-Methionin

50 mg/l

Methionin in M9 Medium auflösen und sterilfiltrieren; 2 ml in ein steriles 2 ml Eppi aliquotieren („Blank“) & bei 4 °C lagern; bald verbrauchen; kann über Nacht bei 4 °C gelagert werden.

M9E Medium

M9 Medium

200 ml

L-Ethionin

50 mg/l

Ethionin in M9 Medium auflösen und sterilfiltrieren; 2 ml in ein steriles 2 ml Eppi aliquotieren („Blank“) & bei 4 °C lagern; bald verbrauchen; kann über Nacht bei 4°C gelagert werden.

M9N Medium

M9 Medium

200 ml

L-Norleucin

50 mg/l

Norleucin in M9 Medium auflösen und sterilfiltrieren; 2 ml in ein steriles 2 ml Eppi aliquotieren („Blank“) & bei 4 °C lagern; bald verbrauchen; kann über Nacht bei 4 °C gelagert werden.