浅谈细胞破碎技术—超声波破碎

摘要: 
   细胞破碎技术的基本概念及其基本方法,重点介绍了从超声波破碎仪及超声波破碎常见的问题与解决方法上介绍了超声波破碎法。 
**词:细胞破碎 方法 超声波破碎仪 常见问题 正文: 
    一、细胞破碎阻力 
细菌—— 几乎所有细菌的细胞壁都是由肽聚糖(peptidoglycan)组成,它是难溶性的聚糖链(glycan chain),借助短肽交联而成的网状结构,包围在细胞周围,使细胞具有一定的形状和强度。短肽一般由四或五个胺基酸组成,如L-丙氨醯-D-谷氨醯-L-赖氨醯-D-丙氨酸。而且短肽中常有D-胺基酸与二氨基庚二酸存在。 破碎细菌的主要阻力是来自于肽聚糖的网状结构,其网结构的致密程度和强度取决于聚糖链上所存在的肽键的数量和其交联的程度,如果交联程度大,则网结构就致密。 
酵母菌——酵母细胞壁的**里层是由葡聚糖的细纤维组成,它构成了细胞壁的刚性骨架,使细胞具有一定的形状,覆盖在细纤维上面的是一层糖蛋白,**外层是甘露聚糖,由1,6一磷酸二酯键共价连接,形成网状结构。在该层的内部,有甘露聚糖-酶的复合物,它可以共价连接到网状结构上,也可以不连接。与细菌细胞壁一样,破碎酵母细胞壁的阻力主要决定于壁结构交联的紧密程度和它的厚度。  
真菌——霉菌的细胞壁主要存在三种聚合物,葡聚糖(主要以β-1,3糖苷键连接,某些以β-1,6糖苷键连接),几丁质(以微纤维状态存在)以及糖蛋白。**外层是α-和β-葡聚糖的混合物,第2层是糖蛋白的网状结构,葡聚糖与糖蛋白结合起来,第3层主要是蛋白质,**内层主要是几丁质,几丁质的微纤维嵌入蛋白质结构中。与酵母和细菌的细胞壁一样,真菌细胞壁的强度和聚合物的网状结构有关,不仅如此,它还含有几丁质或纤维素的纤维状结构,所以强度有所提高。 
植物细胞——对于已生长结束的植物细胞壁可分为初生壁和次生壁两部分。 初生壁是细胞生长期形成的。 次生壁是细胞停止生长后,在初生壁内部形成的结构。 目前,较流行的初生细胞壁结构是由Lampert等人提出的“经纬”模型,依据这一模型,纤维素的微纤丝以平行于细胞壁平面的方向一层一层敷着在上面,同一层次上的微纤丝平行排列,而不同层次上则排列方向不同,互成一定角度,形成独立的网路,构成了细胞壁的“经”,模型中的“纬”是结构蛋白(富含羟脯氨酸的蛋白),它由细胞质分泌,垂直于细胞壁平面排列,并由异二酪氨酸交联成结构蛋白网,径向的微纤丝网和纬向的结构蛋白网之间又相互交联,构成更复杂的网路系统。半纤维素和果胶等胶体则填充在网路之中,从而使整个细胞壁既具有刚性又具有弹性。 在次生壁中,纤维素和半纤维素含量比初生壁增加很多,纤维素的微纤丝排列得更紧密和有规则,而且存在木质素(酚类组分的聚合物)的沉积。因此次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性,使植物细胞具有很高的机械强度。 
    二、细胞破碎各类方法 
目前已发展了多种细胞破碎方法,以便适应不同用途和不同类型的细胞壁破碎。 破碎方法可规纳为机械法和非机械法两大类。  
机械法 。(1)高压匀浆破碎法(homogenization),高压匀浆器是常用的设备,它由可产生高压的正向排代泵(positive displacenemt pump)和排出阀(discharge valve)组成,排出阀具有狭窄的小孔,其大小可以调节。细胞浆液通过止逆阀进入泵体内,在高压下迫使其在排出阀的小孔中高速冲出,并射向撞击环上,由于突然减压和高速冲击,使细胞受到高的液相剪切力而破碎。在操作方式上,可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式,也可连续操作。为了控制温度的升高,可在进口处用干冰调节温度,使出口温度调节在20℃左右。在工业规模的细胞破碎中,对于酵母等难破碎的及浓度高或处于生长静止期的细胞,常采用多次循环的操作方法。(2)振汤珠击破碎法 (Skaking Bead),将等体积的小量组织样品与高密度的ZircoBeads放入可密封的2ml螺旋盖微量管中,再加入缓冲液与稳定成份到1.5ml的体积, 用6500RPM振汤机高速上下振动8秒,休息8秒,再振动8秒即可.此方法是目前**快且一次可处理**多样品的方法. 一台机器**多可以在**处理2400支样品。对小量且多样的人很方便.(3)高速搅拌珠研磨破碎法(fine grinding)。(4)研磨是常用的一种方法,它将细胞悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝等研磨剂一起快速搅拌,使细胞获得破碎。在工业规模的破碎中,常采用高速珠磨机 。(5)超声波破碎法(ultrasonication)   超声波破碎法利用超声波振荡器发射的15-25kHz的超声波探头处理细胞悬浮液。 超声波振荡器有不同的类型,常用的为电声型,它是由发生器和换能器组成,发生器能产生高频电流,换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。超声波振荡器以可分为槽式和探头直接插入介质两种型式,一般破碎效果后者比前者好。撞击破碎法。     
非机械法。(1)渗透压冲击破碎法(osmotic shock),渗透压冲击是较温和的一种破碎方法,将细胞放在高渗透压的溶液中(如一定浓度的甘油或蔗糖溶液),由于渗透压的作用,细胞内水分便向外渗出,细胞发生收缩,当达到平衡后,将介质快速稀释,或将细胞转入水或缓冲液中,由于渗透压的突然变化,胞外的水迅速渗入胞内,引起细胞快速膨胀而破裂。 (2)冻融破碎法(freezing and thawing)   将细胞放在低温下冷冻(约-15℃),然后在室温中融化,反覆多次而达到破壁作用。由于冷冻,一方面能使细胞膜的疏水键结构破裂,从而增加细胞的亲水性能,另一方面胞内水结晶,形成冰晶粒,引起细胞膨胀而破裂。对于细胞壁较脆弱的菌体,可采用此法。( 3 )酶溶破碎法(enzyme lysis)   酶解是利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞,使细胞壁受到部分或完全破坏后,再利用渗透压冲击等方法破坏细胞膜,进一步增大胞内产物的通透性。溶菌酶(lysozyme)适用于革兰氏阳性菌细胞的分解,应用于革兰氏阴性菌时,需辅以EDTA使之更有效地作用于细胞壁。 真核细胞的细胞壁不同于原核细胞,需采用不同的酶。(4)化学破碎法(chemical treatment),采用化学法处理可以溶解细胞或抽提胞内组分。常用酸、碱、表面活性剂和有机溶剂等化学试剂。去垢剂破碎法(detergents)。 
    三、超声波破碎法
超声波是物质介质中的一种弹性机械波,它是一种波动形式,因此它可以用于探测人体的生理及病理信息,既诊断超声。同时,它又是一种能量形式,当达到一定剂量的超声在生物体内传播时,通过它们之间的相互作用,能引起生物体的功能和结构发生变化,即超声生物效应。超声对细胞的作用主要有热效应,空化效应和机械效应。热效应是当超声在介质中传播时,摩擦力阻碍了由超声引起的分子震动,使部分能量转化为局部高热(42-43℃),因为正常组织的临界致死温度为45.7℃,而**组织比正常组织敏感性高,故在此温度下**细胞的代谢发生障碍,DNA、RNA、蛋白质合成受到影响,从而杀伤癌细胞而正常组织不受影响。空化效应是在超声照射下,生物体内形成空泡,随着空泡震动和其猛烈的聚爆而产生出机械剪切压力和动荡,使**出血、组织瓦解以致坏死。另外,空化泡破裂时产生瞬时高温(约5000℃)、高压(可达500×104Pa),可使水蒸气热解离产生.OH自由基和.H原子,由.OH自由基和.H原子引起的氧化还原反应可导致多聚物降解、酶失活、脂质过氧化和细胞杀伤。机械效应是超声的原发效应,超声波在传播过程中介质质点交替地压缩与伸张构成了压力变化,引起细胞结构损伤。杀伤作用的强弱与超声的频率和强度密切相关。    (一)、超声波破碎仪器 
    超声波细胞破碎仪又名超声微波协同萃取仪,超声波细胞裂解仪,超声波纳米材料粉碎机。  
超声波细胞破碎仪的原理并不是太神秘、太复杂。简单说就是将电能通过换能器转换为声能,这种能量通过液体介质而变成一个个密集的小气泡,这些小气泡迅速炸裂,产生的象小炸弹一样的能量,从而起到破碎细胞等物质的作用。 
超声波细胞破碎仪具有破碎组织、细菌、病毒、孢子及其它细胞结构,匀质、乳化、混合、脱气、崩解和分散、浸出和提取,加速反应等功能,故广泛应用于生物、医学、化学、制药、食品、化妆品、环保等实验室研究及企业生产。 
超声波细胞破碎仪由超声波发生器和换能器两大部分组成(有的配置有隔音箱)。1、超声波发生器。由信号发生器来产生一个特定频率的信号,这个特定频率就是换能器的频率,一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz。 2、换能器组件。换能器组件主要由换能器和变幅杆组成。 3、隔音箱。可以有效地的降低工作过程中的所发出的噪音,保持实验室安静。超声波细胞破碎仪在我**的行业推广已进入成熟阶段,而应用仍不够普及!该仪器(设备)应用范围非常广泛,这是其它仪器设备所不能比拟的。也正因如此,该仪器(设备)的市场潜力很大,所以生产厂家也日趋增多,这也同时造成了超声清洗行业及市场的相对混乱,可以用八个字来形容“鱼龙混杂,良莠不齐”!把超声波细胞破碎仪进行分类。    (二)超声波破碎常见的问题     大肠杆菌表达外源蛋白,在超声破碎的时候,用含有1%triton-X-100的PBS悬浮,然后超声的效果较好,1%triton-X-100的作用还是很明显的,对其他的一些细菌同样起作用,比如链霉菌。  
  细菌沉淀直接加样品1buffer,再加5ul的巯基乙醇,混匀,离心,煮沸10min,直接上样,染色脱色步骤如下:将胶放入适量的染色液微波炉里加热1min(下次适当补点醋酸即可),将染色液换成大量的水(自来水即可)在微波炉煮10min 就可以。在表达重组蛋白后超声波破碎细胞,采用冰浴,400w,破2s停1s,但是不一会就产生大量泡沫,影响了破碎功率,pbs和tris缓冲液都是这样,**后都是破碎不完全,而我的目的蛋白就在这些未破碎的细胞中。  1、会产生气泡是因为你的探头位置没放好。探头一定要接近底部,约1cm(我一般是距底部0.5mm)。功率根据仪器不同会有所不同,但你可以观察液面,有波动但不要太剧烈就好。2、破3S停10S,破个二三十次看看。 3、变幅杆位置摆放也要注意,听声音如果不对的话就要及时调整。另外可以从菌浓度方面考虑。 在破碎时试着加大体积,强度**好不要超过60%. 4、尝试超8s停8s,对有些菌体蛋白来说,你的方法很难散热,导致蛋白变性产生气泡,**好停顿时间稍长一些,这种情况多见于包涵体形式的蛋白。链霉菌(放线菌)超声破碎的,用的方法条件是什么?前处理一般就是配置成一定浓度的菌悬液。 使用超声破碎时采用的具体条件是: (1)取细菌的24 h培养液于5 000 r/min 下离心5 min收集菌体.(2)用pH 7.5的Na2HPO -NaH2PO 缓冲液洗涤3次,再用该缓冲液将菌体配成1:3的菌悬液.置于40 mL大塑料试管内.(3)将大塑料试管置于冰浴中,采用超声波破碎(功率200 W,1/2”探头,破碎30 s,间歇30 S).(4)破碎液于12 000 r/min下高速冷冻离心30 min,收集细胞碎片和上清夜. 
超声破菌流程与 上述基本一致,就是洗涤菌体也可以用预冷的生理盐水或pH8的Tris-HCl,洗涤一次就可以。另外,超声剂量随样品量、菌体改变比较大,功率可以到400-600w,超5s,停5s,冰浴,要加终浓度1 mM的PMSF。为确定合适的超声强度和次数,有必要随时镜检观察菌体是否完全破碎。  放线菌属于原核生物系统进化树上的(G+C)摩尔百分含量(mol%)高的革兰氏阳性菌(Eubacteria)分枝类群,它虽然具有原核生物特有的分子生物学特性,但在其不同类群中,细胞壁的化学组分变化很大。 
    在做大肠杆菌超声时,采用的是400W,超5停5的方法,效果不错,但是用在链霉菌上,似乎没什么效果。会不会就是由于细胞壁组成差异造成的呢,因为大肠杆菌式属于革兰氏阴性菌的。 
    再有镜检是检验破碎效果,但是细胞破碎程度和我需要的酶获得之间有正比关系吗?破碎时间长也会影响到酶的活性。所以想问问anaisai战友,你提供的“功率200 W,1/2”探头,破碎30 s,间歇30 S”的条件好像是用于破碎链霉菌孢子的,也可以用于发酵离心后的菌泥吗?如果可以,你破碎的全程时间大概是多少呢? 
如果你需要的是胞内酶,细胞破碎程度和需要的酶获得之间基本上有正比关系。破碎时间长的确会影响到酶的活性。这就需要在**佳的破碎时间和酶活性之间做出判断,**直接的办法是先绘制相关曲线(酶活性和时间的关系曲线)。     实验中,破碎的是棒状杆菌(也是很难破壁的G+菌),破碎时间控制在30min左右,酶活较好。如果是基质菌丝的话,好可以考虑用溶菌酶处理一下. 一般来讲这几种方法读可以的:  
一,液氮研磨 
二,用french press破碎 三,超声波破碎 
四,溶菌酶处理预处理
超声波是物质介质中的一种弹性机械波,它既是一种波动形式,又是一种能量形式。超声对细胞的作用主要有热效应,空化效应和机械效应。热效应是当超声在介质中传播时,摩擦力阻碍了由超声引起的分子震动,使部分能量转化为局部高热(42-43℃)。空化效应是在超声照射下,生物体内形成空泡,随着空泡震动和其猛烈的聚爆而产生出机械剪切压力和动荡。另外,空化泡破裂时产生瞬时高温(约5000℃)、高压(可达500×104Pa),可使水蒸气热解离产生.OH自由基和.H原子,由.OH自由基和.H原子引起的氧化还原反应可导致多聚物降解、酶失活、脂质过氧化和细胞杀伤。机械效应是超声的原发效应,超声波在传播过程中介质质点交替地压缩与伸张构成了压力变化,引起细胞结构损伤。损伤作用的强弱与超声的频率和强度密切相关。 
    100g大肠杆菌溶于1L破碎液里(破碎掖:50mM Tris-Cl(PH8.5) 5mM EDTA 0.14M NaCl),搅拌,发现菌液发粘,菌体不能够很好分散,用高压匀质机破碎,加压后,菌液不能进入匀质机,速度很慢,请问是何原因?能有好的办法解决,很好用匀质机快速破碎菌体? 将破碎液的量加大,不能很好分散可能是量太大 。超声处理5-10分钟,菌液粘度即可大大降低,也可促进菌体分散。 
不同型号的设备功率不一样,功率的大小决定了使用变幅杆的大小范围(直径2mm**几十毫米),你使用多大的变幅杆就在设备的上调**该刻度(很简单的)!变幅杆的大小决定了处理量5ml一下选3mm,5~50ml可选6~8mm,50ml以上选10mm的变幅杆,依此类推!占空比不用关心的,主要是指超声时间和停顿时间的比值。  
酵母破碎的问题 
  一般的PROTOCOL都是用glass beads  破碎酵母细胞sigma G-8772 酵母破碎效果好的我所做过的方法中还是玻璃珠,效率很高,而且对目的蛋白活性不会有什么影响。一般应该用这个方法。  
    化学裂解的方法,10g酵母 加1ml的乙酸乙酯,充分搅拌**液体状。此法的裂解效果不错的 加尿素裂解液(尿素8mol/L, NaCl 0.5mol/L,Tris 20mmol/L, EDTA 20mmol/L, 2%SDS, PH值8.0),据说效果可以。 毕氏酵母细胞破碎法在破碎遇到的问题是菌体浓度太低,OD620nm在4-6之间。细胞破碎仪的**低破碎体积为4ml左右,这样再稀释一倍,OD就到2-3啦,我们怀疑破碎完溶出蛋白和酶活测定时会测不准。所以请教大家细胞破碎时**低的菌浓多少为下限?我们的菌是一种棒杆菌。 破碎后,你可将液体放入透析袋中浓缩。我们所做的方法是按照1:20的比例将离心后的菌体(e.coli)溶解于超声缓冲液(50mM 磷酸 pH 8.0 )300w 10s/10s 破碎20分钟。做了镜检!基本全被破碎了!我做蛋白纯化的,做的包涵体。实验中我们的菌体浓度相对独立,与培养液中的菌体od无关,不收其限制,便于操作者调控。一般按每g湿菌体加5-10ml裂菌缓冲液。超声肯定会产热,所以一定要有降温装置,除非你需要得成分耐高温。