JP3940935B2 - Extraction and purification method of plasmid DNA - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラスミドDNAを保持する微生物または細胞から、核酸結合性固相担体を用いてプラスミドDNAを簡便かつ純度よく抽出する方法ならびに該方法に用いるためのプラスミドDNA抽出精製試薬キットに関する。該試薬キットは自動核酸抽出装置にも応用しうる。
【0002】
【従来の技術】
核酸を含有する細胞等の生物材料からの核酸の抽出精製は、遺伝子工学や臨床診断の分野では重要なステップである。例えば、ある遺伝子について解析しようとする場合、まず、その遺伝子を保持する細胞等の生物材料からDNAやRNAといった核酸を抽出することが必要である。また、細菌やウイルスといった感染体の検出のためのDNA/RNA診断においても、血液等の生物材料から細菌やウイルスの核酸を抽出した後、検出することが必要である。
一般に、生物材料に含まれるDNAやRNAといった核酸は、遊離した状態で存在するわけでなく、タンパク質、脂質、糖から構成される細胞膜や細胞壁等の殻の中に存在し、ほとんどの場合、核酸自身もタンパク質との複合体を形成している。したがって、生物材料から核酸を抽出精製する場合には、まず超音波や熱による物理的破砕処理やプロテアーゼによる酵素処理、界面活性剤や変性剤による処理等を施すことにより核酸を遊離させ、さらに、フェノール等の有機溶媒による抽出操作や超遠心分離、イオン交換体等の担体を使用したカラムクロマトグラフィー等により、破砕物中から核酸を精製する必要がある。これらの手法は、核酸や出発材料、さらには抽出した核酸の用途に応じて組み合わされ、それぞれ最適化されて用いられている。
【0003】
プラスミドDNAを保持するバクテリア、特に大腸菌からプラスミドDNAを抽出する方法としては、アルカリ溶菌法、ボイル法[Molecular cloning: A Laboratory manual, 2nd ed. (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1989) ]などが従来より行われてきた。しかし、これらの方法は遠心分離など煩雑な工程を含むため非常に手間がかかる作業である。さらに、これらの方法により抽出されたDNAサンプル中には、その後の解析にとって弊害となるRNAやタンパク質などが多く含まれている。そのため、純度よくプラスミドDNAを得るためには、これらの抽出操作を行った後に、塩化セシウムによる密度勾配を利用した超遠心分離操作や、リボヌクレアーゼ消化およびフェノール/クロロホルム抽出に代表されるような煩雑で、かつ長時間を要するRNAおよびタンパク質除去操作を行う必要がある。
【0004】
また、ゲノムDNAおよびタンパク質除去操作を特に行う必要がなく、簡便にプラスミドDNAを抽出しうる方法として、ヒドロキシアパタイトを核酸結合性固相として使用する方法[Beland, F. A. ら, J. Chromatografy, 174, 177-186 (1979)]が知られている。この方法によれば、溶菌液中のプラスミドDNAのみを抽出してくることが可能であり、RNAやタンパク質はヒドロキシアパタイトにほとんど吸着しないため、これらの混入をほとんど防ぐことができる。しかし、この方法では、溶出液として制限酵素消化等の酵素反応を阻害する0.3Mリン酸緩衝液などの比較的高濃度の緩衝液を使用する。そのため、抽出したプラスミドDNAを制限酵素消化やシーケンシングなどの解析に使用する場合には、透析やゲルろ過等を施すことにより緩衝剤を除去することが必要となり、長時間を要するという問題がある。
【0005】
一方、簡便な核酸抽出法としてシリカを核酸結合性固相担体として使用する方法がある [特開平2-289596号公報] 。この方法は、バクテリアなどの生物材料から核酸を一段階で抽出することが可能なうえ、溶出液として水またはTEバッファーなど低濃度の緩衝液を使用するため、特別な脱塩濃縮操作が不要で、抽出した核酸を直ちに後の解析に使用することができるという利点がある。しかし、この方法によりプラスミドDNAを保持するバクテリアからプラスミドDNAの抽出を試みた場合、ゲノムDNAもプラスミドDNAと同様にシリカへ吸着する。そのため、プラスミドDNAのみを純度よく抽出するためには、さらに超遠心分離やカラムクロマトグラフィー等の精製操作をおこなうことが必須である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来から存在する技術の上記問題点を解決することであり、プラスミドDNAを保持する微生物または細胞からプラスミドDNAを煩雑な操作を必要とすることなく、短時間かつ高純度で抽出し、精製する方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、適当な細胞溶解液、有機溶媒および核酸結合性固相担体により、プラスミドDNAを保持する微生物または細胞からプラスミドDNAを簡便に抽出精製しうることを見い出し、本発明に達した。
【0008】
すなわち、本発明は下記工程(a)〜(c)を含むことを特徴とするプラスミドDNAの抽出精製方法である。
(a)プラスミドDNAを保持する微生物または細胞に、カオトロピック物質を含むpH3〜6の細胞溶解液、有機溶媒からなる抽出液および核酸結合性固相担体を添加し、混合あるいは接触させることにより、該プラスミドDNAを固相担体上に吸着させ、
(b)上記(a)工程にてプラスミドDNAを吸着させた固相担体を洗浄液により洗浄し、かつ、
(c)上記(b)工程にて洗浄した固相担体から、溶出液によりプラスミドDNAを溶出させる。
【0009】
また、本発明はカオトロピックス物質を含むpH3〜6の溶解液、有機溶媒からなる抽出液、核酸結合用固相担体、洗浄液および溶出液を含むプラスミドDNA抽出精製試薬キットである。
【0010】
【発明の実施態様】
本発明によるプラスミドDNAの抽出精製方法は、(a)溶解・吸着工程、(b)洗浄工程、(c)溶出工程の3段階に大きく分けられる。
【0011】
(a)溶解・吸着工程では、プラスミドDNAを保持する微生物または細胞に細胞溶解液、有機溶媒、核酸結合性固相担体を添加、混合あるいは接触させることにより、微生物または細胞を溶解し、プラスミドDNAを核酸結合性固相へ吸着させる。
【0012】
本発明において用いられるプラスミドDNAを保持する微生物または細胞としては、例えば大腸菌の形質転換体が代表的なものである。この大腸菌の形質転換体の場合、通常は、公知の常法にしたがって適当な選択培地を使用して終夜培養され、遠心分離などの操作により集菌されたものが出発材料として使用される。また、ここで抽出対象となるプラスミドDNAは、周知のとおり、ベクターとして利用されるものである。したがって、ここでいうプラスミドDNAにはコスミドDNAも当然含まれる。
【0013】
本発明において用いられる細胞溶解液には、緩衝剤を含有させ、pH3〜6とする。これは、あらかじめ細胞溶解液に含まれていても、また細胞を溶解した後に緩衝液として添加してもよい。この緩衝剤としては、一般に使用されるものであれば特に限定されないが、pH3〜6の範囲のいずれかのpHにおいて緩衝能を有するものがより好ましい。例えば、酢酸ナトリウム‐酢酸、酢酸ナトリウム‐塩酸等が挙げられ、その使用濃度としては1〜500nm、pHは3〜6の範囲が好適である。
【0014】
本発明において用いられる細胞溶解液には、カオトロピック物質が含まれる。カオトロピック物質としては、一般にカオロピッス物質として知られているような、疎水性分子の水溶性を増加させる作用を有しており、さらにプラスミドDNAの固相への結合に寄与するものであれば特に限定されない。具体的には、グアニジンチオシアン酸塩、グアニジン塩酸塩、よう化ナトリウム、よう化カリウム、過塩素酸ナトリウム等が挙げられる。これらのうち、グアニジンチオシアン酸塩が好ましく用いられる。これらのカオトロピック物質の使用濃度は、用いられるカオトロピック物質により異なり、例えば、グアニジンチオシアン酸塩を使用する場合には、3〜5.5Mの範囲となるように使用するのが好ましい。
【0015】
また、細胞溶解液には、細胞膜の破壊あるいは細胞中に含まれるタンパク質を変性させる目的で界面活性剤を含有させてもよい。この界面活性剤としては、一般に細胞等からの核酸抽出に使用されるものであれば特に限定されないが、具体的には、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート等の非イオン界面活性剤、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド、セチルトリメチルアンモニウムブロミド等の陽イオン界面活性剤、ドデシル硫酸ナトリウム、N‐ラウロイルサルコシンナトリウム、コール酸ナトリウム等の陰イオン界面活性剤、ホスファチジルエタノールアミン等の両性界面活性剤が挙げられる。これらのうち、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート等の非イオン界面活性剤が好ましく用いられる。これらの界面活性剤の使用濃度は、用いられる界面活性剤により異なり、例えば、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルを使用する場合には、0.1〜3%の範囲となるように使用するのが好ましい。
【0016】
本発明において用いられる有機溶媒としては、プラスミドDNAの固相への結合を妨げるものでなく、かつゲノムDNAの固相への結合を妨げるものであれば特に限定されない。この原理についての詳細は不明であるが、有機溶媒を液相に添加することにより液相の極性を適度に下げ、そのことによって、分子表面の極性が異なるプラスミドDNAとゲノムDNAに固相との結合の選択性を付与しているものと考える。
本発明において用いられる有機溶媒の具体例としては、水飽和フェノール、緩衝液飽和フェノール、クロロホルム、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、3-メチル-1- プロパノール、アセトン等が挙げられる。これらのうち、水飽和フェノールまたは緩衝液飽和フェノール、あるいはこれら飽和フェノールとクロロホルムを適当な割合で混合したものが好ましい。
【0017】
本発明において用いられる核酸結合性固相担体としては、カオトロピックイオンの存在下で核酸を吸着、すなわち可逆的な結合により保持することができる親水性表面を有する固体であれば特に限定されない。具体的には、二酸化ケイ素、すなわちシリカが好ましく用いられる。また、前記のような核酸との可逆的な結合を妨げるようなものでなければ、シリカから構成される他の物質、例えばガラス、ケイソウ土、あるいはこれらを化学的修飾により表面処理を施したものや、超常磁性金属酸化物等の他の物質との複合体も含まれる。また、この核酸結合性固相担体の形態としては、粒子、フィルター、反応容器等が具体的に挙げられるが特に限定されない。これらのうち、吸着と溶出の効率を考慮すると粒子の形態がより好ましく、このとき粒径は0.05〜500μmがより好適である。
【0018】
本発明においては、上記細胞溶解液、有機溶媒、核酸結合性固相を別々に添加しても、あるいは同時に添加しても良い。
【0019】
(b)洗浄工程は、細胞破砕物、細胞溶解液、有機溶媒、核酸結合性固相担体の混合物から、プラスミドDNAが吸着した核酸結合性固相担体のみを可能な限り分離する工程である。このとき、洗浄液を使用して1〜3回程度、繰り返し洗浄するのが好ましい。
【0020】
本発明における核酸結合性固相担体の分離のための具体的な手段としては、使用する固相担体の形態により異なる。例えば核酸結合性固相が粒子の形態である場合には、遠心分離、ろ過、カラム操作等が好ましい。さらには、粒子内に超常磁性金属酸化物を含ませておいたものを固相担体として使用すれば、磁石等を用いた簡便な磁気分離法が可能となり、より好適である。
【0021】
本発明において用いられる洗浄液としては、固相からのプラスミドDNAの溶離を促進するものでなく、かつゲノムDNAやタンパク質の固相への結合を妨げるものであれば特に限定されない。具体的には、3〜5.5Mグアニジンチオシアン酸溶液あるいは40%〜100%エタノールが好ましく、これらの洗浄液を併用するとより好適である。つまり、まず、グアニジンチオシアン酸溶液で洗浄した後、さらに40%〜100%エタノールで洗浄するのが好ましい。
また、初めに溶解・吸着工程にて使用した細胞溶解液および有機溶媒を洗浄液として使用すると、ゲノムDNAとタンパク質の除去により有効である。このとき、続いて40%〜100%エタノールで洗浄するのが好ましい。
【0022】
(c)溶出工程は、プラスミドDNAが吸着した核酸結合性固相担体から該DNAを溶離させる工程である。従って、本発明において用いられる溶出液としては、固相からのプラスミドDNAの溶離を促進するものであれば、特に限定されない。具体的には、水あるいはTEバッファー[10mMトリス塩酸緩衝液、1mM EDTA、pH8.0]が好ましい。このとき回収したプラスミドDNAは、透析やエタノール沈殿法等の脱塩、濃縮操作を施すことなく、制限酵素やDNAポリメラーゼ等を使用した酵素反応に直接使用することができる。
【0023】
上記のように、本発明によるプラスミドDNAの抽出精製方法は、単純な工程から構成されるため、プラスミドDNA抽出精製キットや、固相の分離操作や試薬分注操作を自動化した核酸抽出装置へ容易に応用しうることは明らかである。
【0024】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1 大腸菌pBR322/HB101からのプラスミドDNAの抽出
(1)大腸菌pBR322/HB101の調製
プラスミドpBR322(東洋紡績社製)で形質転換された大腸菌HB101形質転換体(pBR322/HB101)を100μg/mlのアンピシリンを含むLB培地[10g/l トリプトン、5g/l酵母エキス、5g/l塩化ナトリウム(pH7.5)]100mlに植菌し、培養温度37℃、振とう速度180rmpで15時間培養した。培養後、培養液を1.5mlずつ1.5ml容マイクロチューブに分注し、高速微量冷却遠心分離機(MR-150:トミー精工社製)にて 12,000rpm、1分間遠心分離し、上清を除去することにより得られた菌体を抽出材料とした。
【0025】
(2)プラスミドDNAの抽出精製
上記(1)にて調製した菌体に500μlの細胞溶解液[4.7Mグアニジンチオシアン酸、92mM酢酸ナトリウム−塩酸(pH4.0)、1.2%ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、20mM EDTA]を加えて溶菌させ、続いて500μlのTEバッファー飽和フェノール/クロロホルム(1:1)を加え、激しく混合した。これに、40μlの0.5g/ml磁性シリカ(粒径 1〜10μm 、四三酸化鉄粒子30% 含有、比表面積 280m2/g、細孔容積 0.025ml/g、表面細孔直径 2〜6nm :鈴木油脂製)懸濁液を添加し、室温で10分間混合した。
次に、マイクロチューブを磁気スタンド(MPC-M :ダイナル社製)に設置して磁性シリカ粒子を集め、上清を除去した。さらに、マイクロチューブを磁気スタンドからはずし、1mlの洗浄液[5.3Mグアニジンチオシアン酸、52mMトリス−塩酸(pH6.4)]を加えて十分に混合した後、同様に磁気スタンドに設置して上清を除去することにより、粒子を洗浄した。
同様にして、1mlの洗浄液にて再度、粒子を洗浄し、続いて1mlの70%エタノールで2回、100%エタノールで1回粒子を洗浄した。上清を除去した後、マイクロチューブを55℃に設定したヒートブロック上に設置し、20分間放置することによりチューブ内のエタノールを蒸発除去し、粒子を乾燥させた。これに100μlの滅菌水を添加し、室温で10分間混合した後、磁気スタンドに設置して磁性シリカ粒子を集め、上清を回収した。回収液量はおよそ80μlであった。
【0026】
回収液のうちの10μlをアガロースゲル電気泳動に供し、エチジウムブロミド染色後、写真撮影した結果を図1(レーン3)に示す。図1(レーン3)から明らかなように、大腸菌ゲノム由来DNAやRNAの混入はほとんど見られず、高い純度でプラスミドDNAが抽出精製されたことが確認できる。
図1中、レーン1は、ラムダファージDNAの PstI 消化物からなるサイズマーカー、レーン2は市販のpBR322DNAの泳動パターン、レーン3は実施例1に示す方法により抽出精製されたpBR322DNAの泳動パターン、レーン4は市販のpBR322DNAの EcoRI消化物の泳動パターン、レーン5は実施例1に示す方法により抽出精製されたpBR322DNAの EcoRI消化物の泳動パターンを示す。
【0027】
(3)プラスミドDNAの制限酵素消化
上記(2)にて得られた回収液のうち8μlに1μlの10×Hバッファー[500mM トリス−塩酸(pH7.5)、1M塩化ナトリウム、100mM 塩化マグネシウム、10mMジチオスレイトール]、および1μlの1U/μlの EcoRI(東洋紡績社製)を添加混合し、37℃、3時間放置した。
【0028】
反応液をアガロースゲル電気泳動に供し、エチジウムブロミド染色後、写真撮影した結果を図1(レーン5)に示す。図1(レーン5)から明らかなように、本発明による方法にて抽出精製されたプラスミドDNAは、制限酵素 EcoRIによって完全に切断されており、直ちに、制限酵素消化に使用できることが確認できる。
【0029】
実施例2 大腸菌pUC19/JM109からのプラスミドDNAの抽出
(1)大腸菌pUC19/JM109の調製
プラスミドpUC19(東洋紡績社製)で形質転換された大腸菌JM109の形質転換体(pUC19/JM109)を100μg/mlのアンピシリンを含むSB培地[32g/l トリプトン、20g/l 酵母エキス、5g/l塩化ナトリウム、5ml 1N NaOH]100mlに植菌し、培養温度37℃、振とう速度180rpmで15時間培養した。培養後、培養液を1.5mlずつ1.5ml容マイクロチューブに分注し、高速微量冷却遠心分離機(MR-150:トミー精工社製)にて12,000rpm 、1分間遠心分離し、上清を除去することにより得られた菌体を抽出材料とした。
【0030】
(2)プラスミドDNAの抽出精製
実施例1と同様な方法にして、上記(1)にて調製した菌体からプラスミドpUC19 DNAを抽出精製した。
菌体に600μlの細胞溶解液[5Mグアニジンチオシアン酸、100mM 酢酸ナトリウム−塩酸(pH4.0)]を加えて溶菌させ、続いて300μlのTEバッファー飽和フェノールを加え、激しく混合した。これに、40μlの0.5g/ml磁性シリカ(粒径 1〜10μm 、四三酸化鉄粒子 30%含有、比表面積 280m2/g、細孔容積 0.025ml/g、表面細孔直径 2〜6nm :鈴木油脂社製)懸濁液を添加し、室温で10分間混合した。
次に、マイクロチューブを磁気スタンド(MPC-M :ダイナル社製)に設置して磁性シリカ粒子を集め、上清を除去した。さらに、マイクロチューブを磁気スタンドからはずし、洗浄液として750μlの細胞溶解液[5Mグアニジンチオシアン酸、100mM 酢酸ナトリウム−塩酸(pH4.0)]と150μlのTEバッファー飽和フェノールを加えて十分に混合した後、同様に磁気スタンドに設置して上清を除去することにより、粒子を洗浄した。
同様にして、再度、粒子を洗浄し、続いて1mlの70%エタノールで2回粒子を洗浄した。上清を除去した後、これに100μlの滅菌水を添加し、室温で10分間混合した後、磁気スタンドに設置して磁性シリカ粒子を集め、上清を回収した。回収液量はおよそ100μlであった。
【0031】
回収液のうちの3μlをアガロースゲル電気泳動に供し、エチジウムブロミド染色後、写真撮影した結果を図2(レーン3)に示す。図2(レーン3)から明らかなように、大腸菌ゲノム由来DNAやRNAの混入はほとんど見られず、高い純度でプラスミドDNAが抽出精製されたことが確認できる。
【0032】
(3)プラスミドDNAの制限酵素消化
実施例1と同様にして、上記(2)にて得られた回収液のうち、8μlに1μlの10×Lバッファー[100mM トリス−塩酸(pH7.5)、100mM 塩化マグネシウム、10mMジチオスレイトール]、および1μlの1U/μlのKpnI(東洋紡績社製)を添加混合し、37℃、3時間放置した。
反応液をアガロースゲル電気泳動に供し、エチジウムブロミド染色後、写真撮影した結果を図2(レーン5)に示す。図2(レーン5)から明らかなように、本発明による方法にて抽出精製されたプラスミドDNAは、制限酵素 KpnI によって完全に切断されており、直ちに制限酵素消化に使用できることが確認できる。図2中、レーン1は、ラムダファージDNAの PstI 消化物からなる分子量マーカー、レーン2は市販のpUC19DNAの泳動パターン、レーン3は実施例2に示す方法により抽出精製されたpUC19DNAの泳動パターン、レーン4は市販のpUC19DNAの KpnI 消化物の泳動パターン、レーン5は実施例2に示す方法により抽出精製されたpUC19DNAの KpnI 消化物の泳動パターンを示す。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、カオトロピック物質を含むpHが3〜6である溶解液と核酸結合用固相担体を使用することにより、プラスミドDNAを保持する微生物または細胞から、高純度なプラスミドDNAを特異的に吸着させ、さらに適当な溶出液を使用することにより、煩雑な後処理操作を必要とすることなく短時間かつ簡便にプラスミドDNAを抽出精製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により抽出精製されたプラスミドpBR322DNAとその制限酵素消化物のアガロースゲル電気泳動パターンを示す図面に代える写真である。
【図2】本発明の方法により抽出精製されたプラスミドpUC19DNAとその制限酵素消化物のアガロースゲル電気泳動パターンを示す図面に代える写真である。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for extracting plasmid DNA simply and with high purity from a microorganism or cell holding plasmid DNA using a nucleic acid-binding solid phase carrier, and a plasmid DNA extraction and purification reagent kit for use in the method. The reagent kit can also be applied to an automatic nucleic acid extraction apparatus.
[0002]
[Prior art]
Extraction and purification of nucleic acids from biological materials such as cells containing nucleic acids is an important step in the fields of genetic engineering and clinical diagnosis. For example, when trying to analyze a certain gene, it is necessary to first extract a nucleic acid such as DNA or RNA from a biological material such as a cell holding the gene. Further, in DNA / RNA diagnosis for detecting infectious agents such as bacteria and viruses, it is necessary to extract the nucleic acids of bacteria and viruses from biological materials such as blood and then detect them.
In general, nucleic acids such as DNA and RNA contained in biological materials do not exist in a free state, but exist in shells such as cell membranes and cell walls composed of proteins, lipids, and sugars. It itself forms a complex with the protein. Therefore, when extracting and purifying nucleic acid from biological material, first, nucleic acid is liberated by subjecting it to physical disruption treatment with ultrasound or heat, enzyme treatment with protease, treatment with surfactant or denaturing agent, It is necessary to purify the nucleic acid from the crushed material by extraction using an organic solvent such as phenol, ultracentrifugation, column chromatography using a carrier such as an ion exchanger, and the like. These techniques are combined and optimized according to the use of nucleic acids, starting materials, and extracted nucleic acids.
[0003]
Bacteria that retain plasmid DNA, especially plasmid DNA, are extracted from Escherichia coli by alkaline lysis and boil methods [Molecular cloning: A Laboratory manual, 2nd ed. (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1989)]. Has been done. However, these methods are troublesome operations because they involve complicated steps such as centrifugation. Furthermore, the DNA sample extracted by these methods contains a large amount of RNA, protein, and the like that are harmful to subsequent analysis. Therefore, in order to obtain plasmid DNA with high purity, after performing these extraction operations, there are complicated procedures such as ultracentrifugation using a density gradient by cesium chloride, ribonuclease digestion and phenol / chloroform extraction. In addition, it is necessary to perform RNA and protein removal operations that require a long time.
[0004]
In addition, as a method for easily extracting plasmid DNA without the need for genomic DNA and protein removal operation, a method using hydroxyapatite as a nucleic acid-binding solid phase [Beland, FA et al., J. Chromatografy, 174, 177-186 (1979)] is known. According to this method, it is possible to extract only the plasmid DNA in the lysate, and since RNA and protein hardly adsorb to hydroxyapatite, these contaminations can be almost prevented. However, in this method, a relatively high concentration buffer solution such as a 0.3 M phosphate buffer solution that inhibits an enzyme reaction such as restriction enzyme digestion is used as an eluate. Therefore, when the extracted plasmid DNA is used for analysis such as restriction enzyme digestion or sequencing, it is necessary to remove the buffer by dialysis, gel filtration, etc., which requires a long time. .
[0005]
On the other hand, as a simple nucleic acid extraction method, there is a method using silica as a nucleic acid-binding solid phase carrier [Japanese Patent Laid-Open No. 2-289596]. In this method, nucleic acid can be extracted from biological materials such as bacteria in one step, and since a low-concentration buffer such as water or TE buffer is used as the eluent, no special desalting and concentration operation is required. There is an advantage that the extracted nucleic acid can be used immediately for later analysis. However, when extraction of plasmid DNA from bacteria holding plasmid DNA by this method is attempted, genomic DNA is adsorbed onto silica in the same manner as plasmid DNA. Therefore, in order to extract only plasmid DNA with high purity, it is essential to further perform purification operations such as ultracentrifugation and column chromatography.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the existing technology, and in a short time and with high purity without requiring complicated operations from microorganisms or cells holding plasmid DNA. It is to provide a method for extraction and purification.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have easily extracted plasmid DNA from microorganisms or cells holding plasmid DNA using an appropriate cell lysate, organic solvent and nucleic acid-binding solid phase carrier. The inventors have found that it can be purified and have reached the present invention.
[0008]
That is, the present invention is a method for extracting and purifying plasmid DNA, comprising the following steps (a) to (c).
(A) adding a cell lysate containing a chaotropic substance, a pH 3-6 cell lysate, an organic solvent extract and a nucleic acid-binding solid phase carrier to a microorganism or cells holding plasmid DNA, and mixing or contacting them; Adsorb plasmid DNA on a solid support,
(B) washing the solid phase carrier adsorbed with the plasmid DNA in the step (a) with a washing solution; and
(C) The plasmid DNA is eluted from the solid phase carrier washed in the step (b) with an eluent.
[0009]
Further, the present invention is a plasmid DNA extraction / purification reagent kit comprising a pH 3-6 lysis solution containing a chaotropic substance, an organic solvent extract, a nucleic acid binding solid phase carrier, a washing solution and an eluate.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method for extracting and purifying plasmid DNA according to the present invention can be roughly divided into three stages: (a) dissolution / adsorption process, (b) washing process, and (c) elution process.
[0011]
(A) In the lysis / adsorption step, a microorganism or cell is lysed by adding, mixing or contacting a cell lysate, an organic solvent, or a nucleic acid binding solid phase carrier to the microorganism or cell holding the plasmid DNA, and plasmid DNA Is adsorbed to a nucleic acid-binding solid phase.
[0012]
As a microorganism or cell holding the plasmid DNA used in the present invention, for example, a transformant of Escherichia coli is representative. In the case of this Escherichia coli transformant, usually, the culture is performed overnight using an appropriate selective medium according to a known conventional method, and collected by an operation such as centrifugation, and used as a starting material. The plasmid DNA to be extracted here is used as a vector as is well known. Accordingly, the plasmid DNA as used herein naturally includes cosmid DNA.
[0013]
The cell lysate used in the present invention contains a buffer and has a pH of 3-6. This may be contained in the cell lysate in advance, or may be added as a buffer after lysing the cells. The buffering agent is not particularly limited as long as it is generally used, but more preferably has a buffering ability at any pH within the range of pH 3-6. For example, sodium acetate-acetic acid, sodium acetate-hydrochloric acid and the like can be mentioned, and the use concentration is preferably 1 to 500 nm and the pH is preferably in the range of 3 to 6.
[0014]
The cell lysate used in the present invention contains a chaotropic substance. The chaotropic substance is particularly limited as long as it has an action of increasing the water solubility of a hydrophobic molecule, which is generally known as a chaotropic substance, and further contributes to the binding of plasmid DNA to a solid phase. Not. Specific examples include guanidine thiocyanate, guanidine hydrochloride, sodium iodide, potassium iodide, sodium perchlorate and the like. Of these, guanidine thiocyanate is preferably used. The concentration of these chaotropic substances used varies depending on the chaotropic substance used. For example, when guanidine thiocyanate is used, it is preferably used in a range of 3 to 5.5M.
[0015]
The cell lysate may contain a surfactant for the purpose of disrupting the cell membrane or denaturing proteins contained in the cells. The surfactant is not particularly limited as long as it is generally used for nucleic acid extraction from cells and the like. Specifically, polyoxyethylene octylphenyl ether, polyoxyethylene sorbitan monolaurate, polyoxyethylene Nonionic surfactants such as sorbitan monooleate, cationic surfactants such as dodecyltrimethylammonium bromide, dodecyltrimethylammonium chloride, cetyltrimethylammonium bromide, negative ions such as sodium dodecyl sulfate, sodium N-lauroyl sarcosine, sodium cholate Examples include amphoteric surfactants such as ionic surfactants and phosphatidylethanolamines. Of these, nonionic surfactants such as polyoxyethylene octyl phenyl ether and polyoxyethylene sorbitan monolaurate are preferably used. The concentration of these surfactants varies depending on the surfactant used. For example, when polyoxyethylene octylphenyl ether is used, it is preferably used in a range of 0.1 to 3%. .
[0016]
The organic solvent used in the present invention is not particularly limited as long as it does not interfere with the binding of plasmid DNA to the solid phase and prevents the binding of genomic DNA to the solid phase. The details of this principle are unknown, but the polarity of the liquid phase is moderately lowered by adding an organic solvent to the liquid phase, so that plasmid DNA and genomic DNA having different molecular surface polarities can be combined with the solid phase. It is considered that the bond selectivity is given.
Specific examples of the organic solvent used in the present invention include water saturated phenol, buffer saturated phenol, chloroform, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-methyl-1-propanol, acetone and the like. Is mentioned. Of these, water-saturated phenol or buffer-saturated phenol, or a mixture of these saturated phenol and chloroform in an appropriate ratio is preferable.
[0017]
The nucleic acid-binding solid phase carrier used in the present invention is not particularly limited as long as it has a hydrophilic surface capable of adsorbing nucleic acid in the presence of chaotropic ions, that is, holding it by reversible binding. Specifically, silicon dioxide, that is, silica is preferably used. In addition, other materials composed of silica, such as glass, diatomaceous earth, or those subjected to surface treatment by chemical modification, unless they prevent reversible binding to nucleic acids as described above In addition, complexes with other substances such as superparamagnetic metal oxides are also included. Specific examples of the form of the nucleic acid-binding solid phase carrier include particles, filters, reaction vessels, and the like, but are not particularly limited. Among these, considering the efficiency of adsorption and elution, the particle form is more preferable, and the particle size is more preferably 0.05 to 500 μm.
[0018]
In the present invention, the cell lysate, organic solvent, and nucleic acid-binding solid phase may be added separately or simultaneously.
[0019]
(B) The washing step is a step in which only the nucleic acid-binding solid phase carrier adsorbed with plasmid DNA is separated as much as possible from the mixture of cell disrupted material, cell lysate, organic solvent, and nucleic acid-binding solid phase carrier. At this time, it is preferable to repeatedly wash about 1 to 3 times using a cleaning liquid.
[0020]
Specific means for separating the nucleic acid-binding solid phase carrier in the present invention varies depending on the form of the solid phase carrier to be used. For example, when the nucleic acid-binding solid phase is in the form of particles, centrifugation, filtration, column operation and the like are preferable. Furthermore, if a particle in which superparamagnetic metal oxide is contained in the particles is used as a solid phase carrier, a simple magnetic separation method using a magnet or the like is possible, which is more preferable.
[0021]
The washing solution used in the present invention is not particularly limited as long as it does not promote elution of plasmid DNA from the solid phase and prevents binding of genomic DNA or protein to the solid phase. Specifically, a 3 to 5.5 M guanidine thiocyanic acid solution or 40% to 100% ethanol is preferable, and it is more preferable to use these cleaning solutions in combination. That is, first, it is preferable to wash with 40% to 100% ethanol after washing with a guanidine thiocyanic acid solution.
In addition, when the cell lysate and organic solvent used in the lysis / adsorption process at the beginning are used as the washing solution, it is more effective for removing genomic DNA and proteins. At this time, it is preferable to subsequently wash with 40% to 100% ethanol.
[0022]
(C) The elution step is a step of eluting the DNA from the nucleic acid binding solid phase carrier to which the plasmid DNA is adsorbed. Therefore, the eluent used in the present invention is not particularly limited as long as it promotes the elution of plasmid DNA from the solid phase. Specifically, water or TE buffer [10 mM Tris-HCl buffer, 1 mM EDTA, pH 8.0] is preferable. The plasmid DNA recovered at this time can be directly used for an enzyme reaction using a restriction enzyme, a DNA polymerase, or the like without performing desalting and concentration operations such as dialysis and ethanol precipitation.
[0023]
As described above, the method for extracting and purifying plasmid DNA according to the present invention consists of simple steps, so it can be easily applied to plasmid DNA extraction and purification kits and nucleic acid extraction apparatuses that automate solid phase separation and reagent dispensing operations. It is clear that it can be applied to.
[0024]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1 Extraction of Plasmid DNA from E. coli pBR322 / HB101 (1) Preparation of E. coli pBR322 / HB101 100 μg / ml of E. coli HB101 transformant (pBR322 / HB101) transformed with plasmid pBR322 (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) Inoculated into 100 ml of LB medium [10 g / l tryptone, 5 g / l yeast extract, 5 g / l sodium chloride (pH 7.5)] containing ampicillin, and cultured at a culture temperature of 37 ° C. and a shaking speed of 180 rpm for 15 hours. After culturing, 1.5 ml of the culture solution is dispensed into 1.5 ml microtubes, centrifuged at 12,000 rpm for 1 minute in a high-speed microcooled centrifuge (MR-150: manufactured by Tommy Seiko Co., Ltd.), and the supernatant The microbial cells obtained by removing were used as extraction materials.
[0025]
(2) Extraction and purification of plasmid DNA 500 μl of cell lysate [4.7 M guanidine thiocyanic acid, 92 mM sodium acetate-hydrochloric acid (pH 4.0), 1.2% polyoxyethylene octyl phenyl ether] , 20 mM EDTA] was added to lyse, followed by 500 μl TE buffer saturated phenol / chloroform (1: 1) and mixed vigorously. To this, 40 μl of 0.5 g / ml magnetic silica (particle size 1-10 μm, containing 30% iron tetroxide particles, specific surface area 280 m 2 / g, pore volume 0.025 ml / g, surface pore diameter 2-6 nm : Suzuki Oil) suspension was added and mixed at room temperature for 10 minutes.
Next, the microtube was placed on a magnetic stand (MPC-M: manufactured by Dynal) to collect magnetic silica particles, and the supernatant was removed. Remove the microtube from the magnetic stand, add 1 ml of washing solution [5.3 M guanidine thiocyanic acid, 52 mM Tris-hydrochloric acid (pH 6.4)] and mix well. The particles were washed by removing.
Similarly, the particles were washed again with 1 ml of washing solution, and then the particles were washed twice with 1 ml of 70% ethanol and once with 100% ethanol. After removing the supernatant, the microtube was placed on a heat block set at 55 ° C. and left for 20 minutes to evaporate and remove ethanol in the tube, thereby drying the particles. 100 μl of sterilized water was added thereto and mixed at room temperature for 10 minutes, and then placed on a magnetic stand to collect magnetic silica particles, and the supernatant was collected. The recovered liquid volume was approximately 80 μl.
[0026]
10 μl of the collected solution is subjected to agarose gel electrophoresis, and the result of photography after ethidium bromide staining is shown in FIG. 1 (lane 3). As is clear from FIG. 1 (lane 3), almost no contamination with E. coli genome-derived DNA or RNA was observed, confirming that plasmid DNA was extracted and purified with high purity.
In FIG. 1, lane 1 is a size marker comprising a PstI digest of lambda phage DNA, lane 2 is a migration pattern of commercially available pBR322 DNA,
[0027]
(3) Restriction enzyme digestion of plasmid DNA 1 μl of 10 × H buffer [500 mM Tris-hydrochloric acid (pH 7.5), 1 M sodium chloride, 100 mM magnesium chloride, 10 mM in 8 μl of the recovered solution obtained in (2) above. Dithiothreitol] and 1 μl of 1 U / μl EcoRI (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) were added and mixed, and allowed to stand at 37 ° C. for 3 hours.
[0028]
The reaction solution was subjected to agarose gel electrophoresis, and the result of photography after ethidium bromide staining is shown in FIG. 1 (lane 5). As is clear from FIG. 1 (lane 5), the plasmid DNA extracted and purified by the method of the present invention is completely cleaved by the restriction enzyme EcoRI, and it can be immediately confirmed that it can be used for restriction enzyme digestion.
[0029]
Example 2 Extraction of Plasmid DNA from E. coli pUC19 / JM109 (1) Preparation of E. coli pUC19 / JM109 100 μg / ml of E. coli JM109 transformant (pUC19 / JM109) transformed with plasmid pUC19 (manufactured by Toyobo) Was inoculated into 100 ml of SB medium [32 g / l tryptone, 20 g / l yeast extract, 5 g / l sodium chloride, 5 ml 1N NaOH] and cultured for 15 hours at a culture temperature of 37 ° C. and a shaking speed of 180 rpm. After culturing, 1.5 ml of the culture solution is dispensed into 1.5 ml microtubes, centrifuged at 12,000 rpm for 1 minute in a high-speed microcooled centrifuge (MR-150: manufactured by Tommy Seiko Co., Ltd.), and the supernatant The microbial cells obtained by removing were used as extraction materials.
[0030]
(2) Extraction and purification of plasmid DNA In the same manner as in Example 1, plasmid pUC19 DNA was extracted and purified from the cells prepared in (1) above.
The cells were lysed by adding 600 μl of cell lysate [5M guanidine thiocyanate, 100 mM sodium acetate-hydrochloric acid (pH 4.0)], and then 300 μl of TE buffer saturated phenol was added and mixed vigorously. 40 μl of 0.5 g / ml magnetic silica (particle size 1-10 μm, containing 30% iron tetroxide particles, specific surface area 280 m 2 / g, pore volume 0.025 ml / g, surface pore diameter 2-6 nm (Suzuki Yushi Co., Ltd.) suspension was added and mixed at room temperature for 10 minutes.
Next, the microtube was placed on a magnetic stand (MPC-M: manufactured by Dynal) to collect magnetic silica particles, and the supernatant was removed. Further, the microtube was removed from the magnetic stand, and 750 μl of cell lysate [5M guanidine thiocyanic acid, 100 mM sodium acetate-hydrochloric acid (pH 4.0)] and 150 μl of TE buffer saturated phenol were added and mixed well as a washing solution. Similarly, the particles were washed by placing on a magnetic stand and removing the supernatant.
Similarly, the particles were washed again, followed by washing the particles twice with 1 ml of 70% ethanol. After removing the supernatant, 100 μl of sterilized water was added thereto, mixed at room temperature for 10 minutes, and then placed on a magnetic stand to collect magnetic silica particles, and the supernatant was collected. The recovered liquid volume was approximately 100 μl.
[0031]
3 μl of the recovered solution is subjected to agarose gel electrophoresis, and after photography with ethidium bromide, the photographed result is shown in FIG. 2 (lane 3). As is clear from FIG. 2 (lane 3), almost no contamination with E. coli genome-derived DNA or RNA was observed, confirming that plasmid DNA was extracted and purified with high purity.
[0032]
(3) Restriction enzyme digestion of plasmid DNA As in Example 1, 8 μl of 1 μl of 10 × L buffer [100 mM Tris-HCl (pH 7.5), 100 mM magnesium chloride, 10 mM dithiothreitol], and 1 μl of 1 U / μl of KpnI (manufactured by Toyobo Co., Ltd.) were added and mixed, and allowed to stand at 37 ° C. for 3 hours.
The reaction solution was subjected to agarose gel electrophoresis, and after photography with ethidium bromide, the photographed result is shown in FIG. 2 (lane 5). As is clear from FIG. 2 (lane 5), it can be confirmed that the plasmid DNA extracted and purified by the method according to the present invention is completely cleaved by the restriction enzyme KpnI and can be immediately used for restriction enzyme digestion. In FIG. 2, lane 1 is a molecular weight marker composed of PstI digest of lambda phage DNA, lane 2 is a migration pattern of commercially available pUC19 DNA,
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, by using a lysate containing a chaotropic substance having a pH of 3 to 6 and a solid phase carrier for nucleic acid binding, a highly pure plasmid DNA is specifically detected from microorganisms or cells holding the plasmid DNA. Further, the plasmid DNA can be extracted and purified in a short time and in a simple manner without the need for complicated post-treatment operations.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a photograph replacing a drawing showing an agarose gel electrophoresis pattern of plasmid pBR322 DNA extracted and purified by the method of the present invention and its restriction enzyme digest.
FIG. 2 is a photograph replacing a drawing showing an agarose gel electrophoresis pattern of plasmid pUC19DNA extracted and purified by the method of the present invention and its restriction enzyme digest.
Claims (8)
(a)プラスミドDNAを保持する微生物または細胞に、カオトロピック物質を含むpH3〜6の細胞溶解液、細胞溶解液と等量のTEバッファー飽和フェノール/クロロホルム(1:1)、または、細胞溶解液の半量のTEバッファー飽和フェノールからなる抽出液およびシリカを含む核酸結合性固相担体を添加、混合あるいは接触させることにより、該プラスミドDNAを固相担体上に吸着させ、
(b)上記(a)工程にてプラスミドDNAを吸着させた固相担体を洗浄液により洗浄し、かつ、
(c)上記(b)工程にて洗浄した固相担体から、溶出液によりプラスミドDNAを溶出させる。A method for extracting and purifying plasmid DNA, comprising the following steps (a) to (c):
(A) A cell lysate having a pH of 3 to 6 containing a chaotropic substance, a TE buffer-saturated phenol / chloroform (1: 1) equivalent to the cell lysate, or a cell lysate By adding, mixing or contacting a nucleic acid-binding solid phase carrier containing an extract containing half amount of TE buffer saturated phenol and silica, the plasmid DNA is adsorbed on the solid phase carrier,
(B) washing the solid phase carrier adsorbed with the plasmid DNA in the step (a) with a washing solution; and
(C) The plasmid DNA is eluted from the solid phase carrier washed in the step (b) with an eluent.
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