大腸埃希氏菌(Escherichia coli)通常稱為大腸桿菌,其在Escherich于1885年發現后,因其具備能夠方便的易于培養和傳代且生長速率快,營養需求簡單等優勢,并具備完整的基因組序列信息和清晰的遺傳學背景,目前被廣泛運用于基因工程領域,其中胰島素規模化生產是大腸桿菌作為合成生物學運用的第一個市場化產品。

   培養基,作為細胞的"食物",是細胞培養和發酵的基礎,大腸桿菌伴隨培養基成分的變化也會產生不同的性狀。可以根據其表現出的不同性狀,將部分菌種進行特異性識別,同時也可以通過為目標菌種選擇合適的培養基來實現低成本、高表達以及穩定結構的表達,對某種特定產物進行特異性培養。

   大腸桿菌分離培養基在實驗室環境下，制備大腸桿菌培養基主要是為了保證菌種的生長和繁殖。接下來菌菌就以LB瓊脂、伊紅美藍瓊脂（EMB）、麥康凱瓊脂等為例，從分離培養基的角度出發進行介紹。

1. LB瓊脂

   Luria broth(LB)營養液混合瓊脂通常簡稱LB瓊脂,是一種富含營養(酵母提取物、胰化蛋白胨和NACI)的非選擇性固體培養基,通常用于培養實驗室中的細菌。在LB中加入瓊脂會形成一種凝膠,可以使細菌在其表面生長,因為細菌不能消化瓊脂,卻可以吸收LB營養液中的營養。

   在這種凝膠中加入一種抗生素(如青霉素、四環素、卡那霉素等),可以選擇選擇性培養對其耐藥的細菌并去除雜菌,選擇性培養的菌體的抗性是由攜帶抗生素抗藥性基因的質粒賦予的。例如在大腸桿菌DH5a感受態細胞的制備過程中,就會將含有氨芐青霉素的LB培養基作為篩選所需質粒的大腸桿菌的培養基。

2.伊紅美藍瓊脂（EMB）

   伊紅美藍培養基通常簡稱EMB medium，為弱選擇性培養基,主要用于大腸桿菌和產氣腸桿菌的分離和鑒別,也適用于大腸菌群的分離培養。

   其配方中各主要成分的作用為:蛋白胨提供碳源和氮源;乳糖是大腸菌群發酵的糖類;磷酸氫二鉀是緩沖劑;瓊脂是培養基凝固劑;伊紅(Eosin Y)也稱曙紅或四澳熒光素,為酸性染料:美蘭(eosin-methylene blue) ,也叫亞甲藍(C16H18N3S.CI) ,為堿性染料,二者在培養基中均為指示劑。

   當大腸桿菌分解乳糖產酸時,細菌帶正電,所以染上紅色,再與美蘭結合而形成紫黑色菌落,并帶有金屬光澤;產氣腸桿菌則呈棕色,很少有金屬光澤,同時不分解乳糖的細菌,如沙門氏菌和志賀氏菌,則為無色或琥珀色半透明菌落;凝固酶陽性葡萄球菌為無色針尖大小的菌落;白色念珠菌則為蛛絲狀或羽毛狀菌落。

3.麥康凱瓊脂（MacConkey Agar ）

   麥康凱瓊脂常見縮寫MAC瓊脂,檢驗分離腸道菌最常用的培養基，在藥典中用于大腸桿菌的檢測,在食品標準用于腸道致病菌的分離。

   培養基中較多的膽鹽及結晶紫對大多數革蘭氏陽性菌有很強的抑制效果,大腸桿菌由于強烈發酵乳糖產酸,在培養基上菌落為桃紅色,并且菌落周圍通常有明顯的沉淀環,大腸菌群同樣能發酵乳糖產酸,菌落也為桃紅色,致病性的腸道菌則通常因不發酵乳糖(如志賀氏菌、沙門氏菌、變形桿菌等),菌落則呈無色。此培養基由于對大腸桿菌的專一性較弱(大腸菌群和大腸桿菌的菌落特征比較接近),若樣品中大腸菌群的含量比較高,分離大腸桿菌的效果并不理想。

大腸桿菌發酵培養基

   發酵培養基是指為了在生產中更加適應菌種后續產物生成以及代謝廢物的產生而設計的培養基。

   例如，前面提到過的LB培養基除了是添加抗生素以篩選帶有所需質粒的分離培養基外，其本身也是一種較為常用的發酵培養基，在此便不再贅述。

其他常用的培養基有SOB（Super Optimal Broth）培養基、SOC（Super Optimal broth with Catabolite repression）培養基、TB（Terrific Broth）培養基等。

1.SOB（Super Optimal Broth）培養基

   SOB培養基是另一種富營養培養基。與LB培養基相比, SOB培養基中含有兩倍多蛋白胨,蛋白胨中富含氨基酸及多肽。另外,SOB培養基中含有鎂離子,鎂離子是高密度培養必須的離子。利用SOB培養基培養大腸桿菌在普通條件(250rpm)下搖瓶培養,菌濃可達到OD600 3-5左右,如果提高轉速到350rpm, OD600最高能夠達到10-15。在SOB培養基中的大腸桿菌具有更高的轉化效率,因此常用SOB培養基制備感受態細胞。

SOB培養基的配方如下: 2%胰蛋白陳,0.5%酵母提取物,10mM NaCI,2.5mM KCI,10mM MgCI2,10mM MgSO4

2.SOC (Super Optimal broth with Catabolite repression)培養基

   SOC培養基跟SOB培養基的唯一區別是SOC中包含有20mM葡萄糖(glucose)。培養基中的葡萄糖充當分解代謝抑制物(catabolite repressor)。大腸桿菌更傾向應用葡萄糖作為碳源。因此在葡萄糖存在的情況下,其他的碳源的分解就會被抑制。在20mM葡萄糖存在下,乳糖不會被代謝,乳糖操縱子被抑制,外源基因不會發生表達,這就減少了外源基因表達給細胞帶來的生長壓力。因此,利用SOC培養基進行轉化反應時,熱激后細胞生長的速率會比LB培養基中高出很多。當實驗室中沒有儲存SOC培養基時,在LB中加入20mM葡萄糖,效果是一樣的。

SOC培養基配方如下: 2%胰蛋白胨,0.5% 酵母提取物,10mM NaCI,2.5mM KCI,10mM MgCI2,10mM MgSO4, 20mM葡萄糖

3.2x YT (Yeast extract and Tryptone)培養基

   2x YT培養基是比LB培養基營養更為豐富的培養基。與LB培養基成分相比, 2xYT培養基中包含有更多的的酵母提取物和胰蛋白胨。因為培養基中營養更豐富了,細胞能夠生長更長的時間,濃度達到更高的值。2x YT培養基主要用來進行大腸桿菌以及像是M13這樣的細菌噬菌體的培養。由于大腸桿菌的濃度很高,在生產大量的噬菌體的同時,宿主仍然是存活的。

   2x YT培養基的配方如下: 1.6%胰蛋白胨,1%酵母提取物,0.5% NaCl

2.MBL培養基

   MBL培養基是以葡萄糖、蛋白胨、酵母粉、KH2PO4、KHPO4、(NH4)2HPO4、MgSO4為主要成分的發酵培養基。

總結

    為了支持更好的進行細胞篩選以及發酵表達，對于培養的選擇和成分的控制是至關重要的。只有通過不斷優化組成成分，物理化學特性，獲得能進行大規模表達抗體的穩定的培養基。培養基原料的選擇對培養基質量及穩定性控制也很重要。

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