ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมหมายถึง ความสามารถของเซลล์ในการดูดซับและรวมดีเอ็นเอจากภายนอก เช่นพลาสมิดในกระบวนการที่เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมโดยทั่วไปแล้ว ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมจะวัดจากจำนวนเซลล์ที่ได้รับการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม (เซลล์ที่ดูดซับดีเอ็นเอจากภายนอก ) ต่อไมโครกรัมของดีเอ็นเอที่เติมเข้าไปในเซลล์ ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่สูงขึ้นหมายความว่ามีเซลล์จำนวนมากขึ้นที่สามารถดูดซับดีเอ็นเอได้ และประสิทธิภาพที่ต่ำลงหมายความว่ามีเซลล์จำนวนน้อยลงที่สามารถทำเช่นนั้นได้

ในชีววิทยาระดับโมเลกุลประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม (Transformation efficiency) เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญยิ่ง ใช้ในการประเมินความสามารถของวิธีการต่างๆ ในการนำดีเอ็นเอพลาสมิดเข้าสู่เซลล์ และเพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของพลาสมิดเวกเตอร์และเซลล์เจ้าบ้านที่แตกต่างกัน ประสิทธิภาพนี้อาจได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย รวมถึงวิธีการที่ใช้ในการนำดีเอ็นเอเข้าสู่เซลล์ ชนิดของเซลล์และพลาสมิดที่ใช้ และสภาวะที่ทำการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม ดังนั้น การวัดและเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมจึงเป็นขั้นตอนสำคัญในงานประยุกต์ทางชีววิทยาระดับโมเลกุลหลายด้าน รวมถึงวิศวกรรมพันธุกรรม การบำบัด ด้วย ยีนและเทคโนโลยีชีวภาพ

โดยการวัดประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลง เราสามารถใช้ข้อมูลจากการทดลองของเราเพื่อประเมินว่าการเปลี่ยนแปลงของเราดำเนินไปอย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด นี่คือการวัดปริมาณเซลล์ที่ถูกเปลี่ยนแปลงโดย ดีเอ็นเอพลาสมิด 1 ไมโครกรัม โดยพื้นฐานแล้ว มันเป็นสัญญาณบ่งชี้ว่า การทดลอง การเปลี่ยนแปลงประสบความสำเร็จ^{[ 1 ]}ควรตรวจสอบภายใต้สภาวะที่มีเซลล์มากเกินไป^{[ 2 ]}

ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมมักวัดจากจำนวนเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมต่อจำนวนเซลล์ทั้งหมด โดยอาจแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์หรือ หน่วยก่อตัวของ โคโลนี (CFU) ต่อไมโครกรัมของดีเอ็นเอ

หนึ่งในวิธีที่พบบ่อยที่สุดในการวัดประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงคือการทำการ ทดสอบการสร้าง โคโลนี ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างวิธีการคำนวณประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงโดยใช้หน่วยการสร้างโคโลนี (CFU): ^{[ 3 ]}

1. นำเซลล์จำนวนที่ทราบแล้วไปเพาะเลี้ยงบนจานวุ้นที่มียาปฏิชีวนะที่เหมาะสม
2. นำจานเพาะเชื้อไปบ่มเป็นระยะเวลาหนึ่ง (โดยปกติคือข้ามคืน) ที่อุณหภูมิและสภาวะที่เหมาะสมสำหรับเซลล์
3. นับจำนวนโคโลนีที่เจริญเติบโตบนจานเพาะเชื้อ จำนวนนี้แสดงถึงจำนวนเซลล์ที่รับและแสดงออกซึ่งดีเอ็นเอพลาสมิด
4. ในการคำนวณประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม ให้หารจำนวนโคโลนีด้วยจำนวนเซลล์ที่เพาะเลี้ยง แล้วคูณด้วย 100 ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมในรูปเปอร์เซ็นต์

ตัวอย่างเช่น หากคุณเพาะเลี้ยงเซลล์ 1 × 10⁷ ^{เซลล์}และนับได้ 1,000 โคโลนี ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมจะเป็น: (1,000/1 × 10⁷ ⁾ × 100 = 0.1%

อีกทางเลือกหนึ่งคือ สามารถรายงานจำนวนโคโลนี (CFU) ต่อไมโครกรัมของดีเอ็นเอที่ใช้ในการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมได้ โดยคำนวณได้จากการคูณจำนวนโคโลนีด้วยปริมาตรของอาหารเลี้ยงเชื้อที่นำไปเพาะเลี้ยง แล้วหารด้วยปริมาณดีเอ็นเอที่ใช้

ควอนติเททีฟพีซีอาร์ (qPCR) - วิธีนี้ใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าดีเอ็นเอพลาสมิดจะมีจีนหรือลำดับเฉพาะที่ไม่มีอยู่ในจีโนมของเซลล์เจ้าบ้าน ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นเป้าหมายสำหรับ qPCR ได้ โดยการหาปริมาณสำเนาของจีนหรือลำดับเฉพาะนี้ในเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงไป จะสามารถกำหนดปริมาณดีเอ็นเอพลาสมิดที่มีอยู่ในเซลล์ได้ และด้วยเหตุนี้จึงสามารถกำหนดประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงได้^{[ 4 ]}

การทดสอบฟลูออเรสเซนต์ - วิธีนี้อาศัยการใช้พลาสมิดที่มีโปรตีนเรืองแสงหรือยีนรายงานเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงแล้วจะถูกวิเคราะห์โดยโฟลว์ไซโตเมตรีหรือกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์เพื่อกำหนดจำนวนเซลล์ที่แสดงโปรตีนเรืองแสงประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงจะถูกคำนวณเป็นเปอร์เซ็นต์ของเซลล์ที่แสดงโปรตีนเรืองแสง^{[ 5 ]}

จำนวนเซลล์ที่มีชีวิตในการเตรียมปฏิกิริยาการเปลี่ยนแปลงอาจมีตั้งแต่ 2 × 10 ⁸ถึง 10 ¹¹เซลล์ วิธี การเตรียม E. coli ทั่วไปส่วนใหญ่ จะให้เซลล์ที่มีชีวิตประมาณ 10 ^{10 เซลล์ต่อปฏิกิริยา} พลาสมิดมาตรฐานที่ใช้ในการกำหนดประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงในEscherichia coliคือpBR322หรือเวกเตอร์ที่มีขนาดใกล้เคียงกันหรือเล็กกว่า เช่น เวกเตอร์ตระกูล pUC อย่างไรก็ตาม อาจใช้เวกเตอร์ที่แตกต่างกันในการกำหนดประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลง อาจใช้ DNA 10–100 pg สำหรับการเปลี่ยนแปลง อาจต้องใช้ DNA มากขึ้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงที่มีประสิทธิภาพต่ำ (โดยทั่วไปจะถึงระดับอิ่มตัวที่มากกว่า 10  ng) ^{[ 6 ]}

หลังจากทำการเปลี่ยนแปลงพันธุกรรมแล้ว เซลล์ 1% และ 10% จะถูกนำไปเพาะเลี้ยงแยกกัน โดยอาจเจือจางเซลล์ในอาหารเลี้ยงเซลล์ตามความจำเป็นเพื่อให้ง่ายต่อการเพาะเลี้ยง การเจือจางเพิ่มเติมอาจใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเปลี่ยนแปลงพันธุกรรมให้สูงขึ้น

ประสิทธิภาพการถ่ายทอดพันธุกรรมที่ 1 × 10⁸ ^cfu /μg สำหรับพลาสมิดขนาดเล็ก เช่นpUC19นั้นเทียบเท่ากับการนำพลาสมิดเข้าสู่เซลล์ได้ประมาณ 1 ใน 2000 โมเลกุล ในE. coliขีดจำกัดทางทฤษฎีของประสิทธิภาพการถ่ายทอดพันธุกรรมสำหรับพลาสมิดที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่จะสูงกว่า 1 × ^10¹¹ cfu/μg ในทางปฏิบัติ ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดที่สามารถทำได้อาจอยู่ที่ประมาณ 2–4 × 10¹⁰ ^cfu /μg สำหรับพลาสมิดขนาดเล็ก เช่น pUC19 และต่ำกว่ามากสำหรับพลาสมิดขนาดใหญ่

เซลล์แต่ละเซลล์สามารถรับโมเลกุล DNA ได้หลายโมเลกุล แต่การมีพลาสมิดหลายตัวไม่ได้ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเกิดเหตุการณ์การเปลี่ยนแปลงที่ประสบความสำเร็จ^{[ 7 ]}ปัจจัยหลายประการอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลง: ^{[ 2 ]}

ขนาดของพลาสมิด – การศึกษาที่ทำในE. coliพบว่าประสิทธิภาพการแปลงสภาพลดลงเป็นเส้นตรงเมื่อ ขนาด ของพลาสมิด เพิ่มขึ้น กล่าวคือ พลาสมิดขนาดใหญ่จะแปลงสภาพได้ไม่ดีเท่าพลาสมิดขนาดเล็ก^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

รูปแบบของ DNA – พลาสมิด แบบขดตัวมีประสิทธิภาพในการแปลงสภาพที่ดีกว่าพลาสมิดแบบคลายตัวเล็กน้อย – พลาสมิดแบบคลายตัวได้รับการแปลงสภาพด้วยประสิทธิภาพประมาณ 75% ของพลาสมิดแบบขดตัว^{[ 7 ]} อย่างไรก็ตาม DNA แบบเส้นตรงและแบบสายเดี่ยวมีประสิทธิภาพในการแปลงสภาพต่ำกว่ามาก DNA แบบสายเดี่ยวได้รับการแปลงสภาพด้วยประสิทธิภาพต่ำกว่า DNA แบบสายคู่ ถึง 10 ^{4 เท่า}

องค์ประกอบของสื่อ – องค์ประกอบของสื่อที่ใช้ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงสามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพได้ ตัวอย่างเช่น สารเสริมในสื่อบางชนิดสามารถเพิ่มความสามารถตามธรรมชาติของเซลล์ ได้ ^{[ 10 ]}

จีโนไทป์ของเซลล์ – สายพันธุ์โคลนอาจมีการกลายพันธุ์ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ ตัวอย่างเช่นสายพันธุ์E. coli K12 ที่มีการกลายพันธุ์ deoRซึ่งเดิมพบว่าทำให้เซลล์สามารถเจริญเติบโตได้ในอาหารเลี้ยงเชื้อขั้นต่ำโดยใช้อิโนซีนเป็นแหล่งคาร์บอนเพียงอย่างเดียว มีประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงสูงกว่าสายพันธุ์ที่คล้ายกันที่ไม่มีการกลายพันธุ์ถึง 4-5 เท่า สำหรับ DNA แบบเส้นตรงซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงในE. coli ได้ไม่ดี การกลายพันธุ์ recBC หรือrecDสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีนัยสำคัญ^{[ 11 ]}

สภาวะการเพาะเลี้ยง – เซลล์ E. coliจะไวต่อการถูกทำให้มีความสามารถมากขึ้นเมื่อมีการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว ดังนั้นโดยปกติแล้วเซลล์จะถูกเก็บเกี่ยวในช่วงระยะลอการิทึมตอนต้นของการเจริญเติบโตของเซลล์เมื่อเตรียมเซลล์ที่มีความสามารถ ความหนาแน่นเชิงแสงที่เหมาะสมสำหรับการเก็บเกี่ยวเซลล์โดยปกติจะอยู่ที่ประมาณ 0.4 แม้ว่าอาจแตกต่างกันไปตามสายพันธุ์ของเซลล์ ค่าที่สูงกว่า 0.94-0.95 ก็พบว่าให้ผลผลิตเซลล์ที่มีความสามารถที่ดีเช่นกัน แต่สิ่งนี้อาจทำได้ยากเมื่อเซลล์เจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว^{[ 12 ]}

การมีอยู่ของยาปฏิชีวนะ – การมีอยู่ของยาปฏิชีวนะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการเปลี่ยนแปลงโดยการยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์ที่ไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงและเลือกเซลล์ที่ได้รับการเปลี่ยนแปลงซึ่งทนต่อยาปฏิชีวนะ ตัวอย่างเช่น การใช้ยาปฏิชีวนะกลุ่ม β-lactam ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงของแบคทีเรียที่ผลิตกลูตาเมตได้^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

แหล่งกำเนิดการจำลองแบบของพลาสมิด – แหล่งกำเนิดการจำลองแบบของพลาสมิดที่ใช้ในกระบวนการแปลงสภาพสามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพได้หลายวิธี จำนวนสำเนาของพลาสมิดในเซลล์ กิจกรรมของแหล่งกำเนิดการจำลองแบบในเซลล์โฮสต์ และการแสดงออกของยีนบนพลาสมิด ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพได้ โดยทั่วไปแล้ว พลาสมิดที่มีแหล่งกำเนิดการจำลองแบบที่มีจำนวนสำเนาสูงจะมี ประสิทธิภาพ การถ่ายโอน สูง กว่าพลาสมิดที่มีแหล่งกำเนิดการจำลองแบบที่มีจำนวนสำเนาต่ำ การใช้พลาสมิดที่มีแหล่งกำเนิดการจำลองแบบที่ทำงานได้ในเซลล์โฮสต์สามารถนำไปสู่ประสิทธิภาพการถ่ายโอนที่สูงขึ้นได้^{[ 16 ] [ 17 ]}

เงื่อนไขการเปลี่ยนแปลง – วิธีการเตรียมเซลล์ที่มีความสามารถ ระยะเวลาของการช็อกด้วยความร้อนอุณหภูมิของการช็อกด้วยความร้อน ระยะเวลาการบ่มหลังการช็อกด้วยความร้อนสื่อการเจริญเติบโตที่ใช้ ค่า pH และสารเติมแต่งต่างๆ ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ การมีสารปนเปื้อนรวมถึงไลเกสในส่วนผสมการเชื่อมต่อสามารถลดประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงในการอิเล็กโทรโพเรชันได้^[ 18 ^{] และ}การทำให้ไลเกสไม่ทำงานหรือ การสกัด DNA ด้วย คลอโรฟอร์มอาจจำเป็นสำหรับการอิเล็กโทรโพเรชัน หรืออีกทางเลือกหนึ่งคือใช้ส่วนผสมการเชื่อมต่อเพียงหนึ่งในสิบเพื่อลดปริมาณสารปนเปื้อน การเตรียมเซลล์ที่มีความสามารถตามปกติสามารถให้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 10 ⁶ถึง 10 ⁸ cfu/μg DNA อย่างไรก็ตาม มีโปรโตคอลสำหรับวิธีการทางเคมีในการสร้างเซลล์ที่มีความสามารถสูงซึ่งอาจให้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงมากกว่า 1 พันล้าน^{[ 19 ]}

ความเสียหายต่อ DNA – การสัมผัส DNA กับรังสี UV ในขั้นตอนการเตรียมเจลอิเล็กโทรโฟเรซิสแบบอะกาโรส มาตรฐาน เพียง 45 วินาทีก็สามารถทำให้ DNA เสียหายได้ และอาจลดประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก^{[ 20 ]} อย่างไรก็ตาม การเติมไซทิดีนหรือกัวโนซีนลงในบัฟเฟอร์อิเล็กโทรโฟเรซิสที่ความเข้มข้น 1 mM อาจช่วยปกป้อง DNA จากความเสียหายได้ ควรใช้รังสี UV ที่มีความยาวคลื่นสูงกว่า (365 nm) ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อ DNA น้อยกว่า หากจำเป็นต้องทำงานกับ DNA บนเครื่องส่องสว่าง UV เป็นเวลานาน รังสี UV ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่านี้จะสร้างฟลูออเรสเซนซ์ที่อ่อนกว่ากับเอทิเดียมโบรไมด์ที่แทรกเข้าไปใน DNA ดังนั้น หากจำเป็นต้องจับภาพแถบ DNA  อาจใช้รังสี UV ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า (302 หรือ 312 nm) อย่างไรก็ตาม การสัมผัสเช่นนี้ควรจำกัดไว้ในช่วงเวลาสั้นมาก หากต้องการกู้คืน DNA ในภายหลังสำหรับการเชื่อมต่อและการเปลี่ยนแปลง

วิธีการที่ใช้ในการนำ DNA เข้ามามีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลง^{[ 21 ]}

เซลล์แบคทีเรียบางชนิดมีระบบจำกัด-ดัดแปลงที่สามารถย่อยสลายพลาสมิดภายนอกที่แปลกปลอมต่อเซลล์เจ้าบ้านได้ ซึ่งสามารถลดประสิทธิภาพของการเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก^{[ 27 ] [ 21 ]}เนื่องมาจากระบบจำกัดในเซลล์ผู้รับที่กำหนดเป้าหมายและทำลาย DNA ภายนอก ระบบเหล่านี้จดจำ DNA ภายนอกโดยอาศัยความแตกต่างในรูปแบบการเมทิลเลชั่น เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงมีการใช้กลยุทธ์ต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงการเมทิลเลชั่นของ DNA ภายนอกโดยใช้เมทิลเลสเชิงพาณิชย์ หรือการลดกิจกรรมการจำกัดในเซลล์ผู้รับ^{[ 28 ] [ 29 ]}ตัวอย่างเช่น การใช้กลายพันธุ์ที่ไม่มีการเมทิลเลชั่น หรือการทำให้ระบบจำกัดไม่ทำงานชั่วคราวด้วยความร้อน สามารถลดความสามารถของเซลล์ผู้รับในการกำหนดข้อจำกัดต่อ DNA ภายนอกได้^{[ 30 ]}

• การเปลี่ยนแปลง (พันธุศาสตร์)

• เครื่องคำนวณประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงของแบคทีเรีย