Competent Cell 종류 총정리 - DH5α, DH10B, BL21(DE3)는 언제 사용할까?

 

 

분자생물학 실험을 하다 보면 처음에는 그냥 연구실 냉동고에 있는 competent cell을 꺼내 사용하게 돼요. 그런데 시간이 지나면서 이런 의문이 생기죠.

"왜 클로닝은 항상 DH5α를 쓰지?"

"DH10B는 뭐가 다른 거지?"

"BL21(DE3)랑 DH5α는 왜 목적이 완전히 다를까?"

실제로 E. coli competent cell은 모두 비슷해 보이지만 각각의 유전형(genotype)과 특성이 달라서 용도도 상당히 달라요. 오늘은 실험실에서 자주 사용하는 competent cell들을 중심으로 어떤 상황에서 어떤 균주를 선택해야 하는지 정리해볼게요.

 

Competent Cell을 고를 때 가장 먼저 생각할 것

 

 

사실 competent cell 선택은 생각보다 단순해요.

대부분의 경우 아래 두 가지 질문만 하면 됩니다.

플라스미드를 클로닝할 것인가?
단백질을 발현할 것인가?

클로닝 목적이라면 K-12 계열 균주를 선택하고, 단백질 발현이 목적이라면 대부분 B 계열 균주를 사용해요.

실험실에서 가장 흔하게 보는 DH5α와 BL21(DE3)가 바로 이 두 부류를 대표하는 균주들이죠.

 

DH5α : 대부분의 클로닝은 이걸로 끝난다

아마 생명과학 연구자들이 가장 많이 사용하는 competent cell일 거예요.

DH5α는 플라스미드 증폭과 일반적인 클로닝을 위해 개발된 균주예요.

대표적인 특징은 다음과 같아요.

높은 transformation efficiency
recA 돌연변이 보유
endA 돌연변이 보유
Blue/White screening 가능

특히 recA 돌연변이는 불필요한 상동재조합을 줄여주고, endA 돌연변이는 플라스미드 정제 품질을 높여줘요.

그래서 라이게이션 후 colony를 얻고 plasmid prep을 해야 하는 대부분의 상황에서는 DH5α 하나만으로 충분해요.

실제로 대학원 생활 동안 수행하는 클로닝의 90% 이상은 DH5α로 해결한다고 해도 과장이 아니죠.

 

DH10B : 큰 플라스미드가 필요할 때

DH10B는 DH5α와 비슷해 보이지만 조금 다른 목적을 가지고 있어요.

가장 큰 특징은 대형 플라스미드나 BAC(Bacterial Artificial Chromosome) 클로닝에 강하다는 점이에요.

일반적인 5~10 kb 플라스미드라면 DH5α로 충분하지만,

15 kb 이상 벡터
BAC
라이브러리 제작

같은 상황에서는 DH10B가 더 안정적이에요.

Transformation efficiency도 매우 높기 때문에 라이브러리 제작이나 복잡한 클로닝에서 자주 사용돼요.

NGS 라이브러리 구축이나 genome-scale cloning 프로젝트를 수행하는 연구실에서는 DH10B를 상당히 많이 사용해요.

 

Stable Cell : 불안정한 insert를 위한 선택

간혹 특정 DNA 조각은 E. coli 안에서 계속 재배열되거나 삭제되는 경우가 있어요.

대표적으로

Retroviral vector
Lentiviral vector
Repetitive sequence
ITR(Inverted Terminal Repeat)

같은 서열들이 그렇죠.

이런 경우 DH5α에서는 colony마다 서열이 달라지는 황당한 상황이 생기기도 해요.

이럴 때 사용하는 것이 Stable strain이에요.

재조합 가능성을 최대한 낮춰 불안정한 DNA를 유지하도록 설계된 균주죠.

AAV vector를 다뤄본 사람이라면 Stable cell의 중요성을 한 번쯤 경험해봤을 거예요.

ITR이 깨져서 sequencing 결과를 보고 멘붕 오는 상황을 줄여주거든요.

 

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Turbo Cell : 시간이 없을 때

NEB Turbo는 조금 특이한 균주예요.

가장 큰 장점은 성장 속도예요.

일반적으로 transformation 후 colony를 보려면 overnight 배양이 필요하지만, Turbo는 약 6.5시간 만에 colony가 관찰될 수 있어요.

심지어 transformation 후 4시간 정도면 plasmid prep까지 가능하다고 알려져 있어요.

급하게 cloning 결과를 확인해야 하는 상황에서 꽤 유용한 선택지예요.

 

단백질 발현용 Competent Cell

이제부터는 클로닝이 아니라 단백질 발현을 위한 균주들이에요.

여기서 가장 중요한 이름은 BL21(DE3)이에요.

 

BL21(DE3) : 단백질 발현의 표준

실험실에서 IPTG를 넣어 단백질 발현을 유도했다면 거의 확실하게 BL21(DE3)를 사용했을 가능성이 높아요.

BL21(DE3)의 핵심은 T7 RNA polymerase를 가지고 있다는 점이에요.

pET 벡터 계열은 대부분 T7 promoter를 사용하기 때문에 T7 polymerase가 반드시 필요하죠.

또한

Lon protease 결손
OmpT protease 결손

특성을 가지고 있어서 발현된 단백질이 분해되는 것을 줄여줘요.

그래서 recombinant protein 생산의 사실상 표준 균주로 자리 잡았어요.

 

Lemo21(DE3) : 발현이 너무 잘 돼도 문제일 때

단백질 발현은 무조건 많이 된다고 좋은 게 아니에요.

특히 독성이 있는 단백질은 과발현되면 세포가 죽어버릴 수 있어요.

Lemo21(DE3)는 T7 발현 강도를 조절할 수 있도록 만들어진 균주예요.

쉽게 말하면 "발현량 조절 기능이 추가된 BL21(DE3)"라고 생각하면 돼요.

막단백질이나 독성 단백질 발현 연구에서 자주 사용돼요.

 

SHuffle : Disulfide Bond가 필요한 단백질

대부분의 E. coli 세포질은 환원 환경이라 disulfide bond 형성이 어렵습니다.

하지만 항체 조각이나 일부 효소들은 올바른 disulfide bond 형성이 필수적이에요.

SHuffle strain은 세포질에서도 disulfide bond 형성이 가능하도록 설계된 균주예요.

그래서

항체 단편(scFv)
Fab fragment
Disulfide-rich protein

발현 시 자주 사용돼요.

일반 BL21에서 inclusion body만 잔뜩 나오던 단백질이 SHuffle에서는 제대로 접히는 경우도 꽤 있어요.

 

결국 어떤 균주를 쓰면 될까?

실험실에서 가장 많이 마주치는 상황만 정리하면 생각보다 간단해요.

일반적인 클로닝 → DH5α
큰 플라스미드, 라이브러리 → DH10B
Lentivirus, AAV, 불안정한 서열 → Stable
빠른 결과 확인 → Turbo
일반 단백질 발현 → BL21(DE3)
독성 단백질 발현 → Lemo21(DE3)
Disulfide bond 필요한 단백질 → SHuffle

대부분의 대학원생들은 DH5α와 BL21(DE3)만 제대로 이해해도 실험의 상당 부분을 커버할 수 있어요. 하지만 벡터 크기가 커지거나, 바이러스 벡터를 다루거나, 발현이 잘 안 되는 단백질을 만나는 순간부터는 균주 선택이 실험 결과를 좌우하게 되죠.

그래서 클로닝이 안 될 때 무조건 ligation이나 PCR만 의심하기보다는, 지금 사용 중인 competent cell이 정말 그 실험에 적합한 균주인지 먼저 확인해보는 것도 꽤 중요한 습관이에요.