Кіріспе
Биомолекулаларды бөлу және талдау әдісі. Гельдік электрофорез – биомакромолекулаларды (ДНК, РНК, ақуыздар және т.б.) және олардың фрагменттерін мөлшері мен заряды бойынша бөлу және талдау әдісі. Ол клиникалық химияда ақуыздарды заряд немесе мөлшері бойынша бөлу үшін (мысалы, IEF агароза, мөлшерге тәуелсіз) және биохимия мен молекулалық биологияда ДНК және РНК фрагменттерінің аралас популяциясын ұзындығы бойынша бөлу, ДНК және РНК фрагменттерінің мөлшерін анықтау немесе заряд бойынша ақуыздарды бөлу үшін қолданылады. Нуклеин қышқылы молекулалары электр өрісін қолдану арқылы, теріс зарядталған молекулаларды агароза немесе басқа заттардың матрицасы арқылы жылжыту арқылы бөлінеді. Қысқа молекулалар гельдің тесіктері арқылы оңай өтіп, ұзын молекулаларға қарағанда жылдам және алыс жылжиды. Бұл құбылыс "іргелеу" деп аталады. Ақуыздар агарозадағы заряд бойынша бөлінеді, себебі гельдің тесіктері ақуыздарды іргелеу үшін тым үлкен. Гельдік электрофорезді нанобөлшектерді бөлу үшін де пайдалануға болады. Гельдік электрофорез электрофорез кезінде – зарядталған бөлшектің электр тогында қозғалысында – антиконвекциялық немесе іргелеу ортасы ретінде гельді пайдаланады. Гельдер электр өрісінің әсерінен туындаған жылулық конвекцияны басады және молекулалардың өтуін баяулататын іргелеу ортасы ретінде де әрекет ете алады; сондай-ақ, гельдер электрофорезден кейін бояу қолдануға болатын аяқталған бөліністі сақтауға көмектеседі. ДНК гельдік электрофорезі көбінесе аналитикалық мақсаттарда, әсіресе ДНК-ны полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) арқылы күшейткеннен кейін жүргізіледі, бірақ одан әрі сипаттау үшін массалық спектрометрия, РФЛП, ПТР, клондау, ДНК тізбегін анықтау немесе Оңтүстік блоттеуі сияқты басқа әдістерді қолдану алдында дайындық әдісі ретінде де қолданылуы мүмкін.
Gel electrophoresis is a method for separation and analysis of biomacromolecules (DNA, RNA, proteins, etc.) and their fragments, based on their size and charge. It is used in clinical chemistry to separate proteins by charge or size (IEF agarose, essentially size independent) and in biochemistry and molecular biology to separate a mixed population of DNA and RNA fragments by length, to estimate the size of DNA and RNA fragments or to separate proteins by charge. Nucleic acid molecules are separated by applying an electric field to move the negatively charged molecules through a matrix of agarose or other substances. Shorter molecules move faster and migrate farther than longer ones because shorter molecules migrate more easily through the pores of the gel. This phenomenon is called sieving. Proteins are separated by the charge in agarose because the pores of the gel are too large to sieve proteins. Gel electrophoresis can also be used for the separation of nanoparticles. Gel electrophoresis uses a gel as an anticonvective medium or sieving medium during electrophoresis, the movement of a charged particle in an electric current. Gels suppress the thermal convection caused by the application of the electric field, and can also act as a sieving medium, slowing the passage of molecules; gels can also simply serve to maintain the finished separation so that a post electrophoresis stain can be applied. DNA gel electrophoresis is usually performed for analytical purposes, often after amplification of DNA via polymerase chain reaction (PCR), but may be used as a preparative technique prior to use of other methods such as mass spectrometry, RFLP, PCR, cloning, DNA sequencing, or Southern blotting for further characterization.
Физикалық негіз
Электрофорез – заряд, мөлшері немесе пішіні бойынша молекулаларды сұрыптауға мүмкіндік беретін процесс. Электр өрісін пайдаланып, молекулаларды (мысалы, ДНК) агароза немесе полиакриламидтен жасалған гель арқылы жылжытуға болады. Электр өрісі бір жағынан молекулаларды гель арқылы итеретін теріс зарядтан және екінші жағынан молекулаларды тартатын оң зарядтан тұрады. Сұрыпталатын молекулалар гель материалдағы ұңғымаға салынады. Гель электрофорез камерасына орналастырылады, содан кейін қуат көзіне қосылады. Электр өрісі қолданылғанда, ірі молекулалар гель арқылы баяу, ал кіші молекулалар жылдам қозғалады. Әртүрлі мөлшердегі молекулалар гельде анық жолақтарды құрайды. Бұл жағдайда "гель" термині нысаналы молекулаларды ұстауға, содан кейін бөлуге арналған матрицаны білдіреді. Көп жағдайда гель – құрамы мен кеуектілігі талдауға жататын нысананың нақты салмағы мен құрамына байланысты таңдалатын тіркесіп байланысқан полимер. Ақуыздарды немесе кішкентай нуклеин қышқылдарын (ДНК, РНК немесе олигонуклеотидтер) бөлу кезінде гель әдетте әртүрлі концентрациядағы акриламид пен кросс-линкерден тұрады, нәтижесінде полиакриламидтің әртүрлі өлшемдегі торлы құрылымдары пайда болады. Ірі нуклеин қышқылдарын (бірнеше жүз негізден асатын) бөлу кезінде тазаланған агароза артықшылықты матрица болып табылады. Екі жағдайда да гель қатты, бірақ кеуекті матрицаны құрайды. Акриламид, полиакриламидтен айырмашылығы, нейротоксин болып табылады және уланудан сақтану үшін тиісті қауіпсіздік шараларын сақтап пайдалану керек. Агароза – зарядталмаған көмірсулардың ұзын, тармақталмаған тізбектерінен тұрады, байланыс жоқ, нәтижесінде макромолекулалар мен макромолекулалық кешендерді бөлуге мүмкіндік беретін үлкен тесіктері бар гель пайда болады. Электрофорез – молекулаларды гель матрицасы арқылы жылжыту үшін қолданылатын электромоторлық күш (ЭМҚ). Молекулаларды гельдегі ұңғымаларға орналастырып, электр өрісін қолданғанда, молекулалар матрица арқылы әртүрлі жылдамдықпен қозғалады, бұл олардың массасымен анықталады, егер барлық түрлердің заряд/масса қатынасы (Z) бірдей болса. Алайда, егер зарядтар бірдей болмаса, электрофорез процедурасының тудырған электр өрісі молекулалардың зарядқа сәйкес әртүрлі жылжуына себеп болады. Оң зарядталған түрлер теріс зарядталған катодқа қарай жылжиды (өйткені бұл гальваникалық емес, электролиттік жасуша), ал теріс зарядталған түрлер оң зарядталған анодқа қарай жылжиды. Бұл молекулалардың біркелкі зарядталмауы олардың матрица арқылы тиісті электродтарға жылжу жылдамдығының факторы болып табылады. Егер бірнеше үлгілер гельдегі жақын ұңғымаларға салынатын болса, олар жеке жолақтарда қатар жүреді. Әр түрлі молекулалардың санына байланысты әр жолақта бастапқы қоспадан компоненттердің бір немесе бірнеше бөлек жолақтар түрінде бөлінуі көрсетіледі, әр компонентке бір жолақтан. Компоненттердің толық бөлінбеуі жолақтардың біріне-бірі жабысуына немесе бірнеше шешілмеген компоненттерді көрсететін айқын емес дақтарға әкелуі мүмкін. Жоғарыдан бірдей қашықтықта аяқталатын әртүрлі жолақтардағы жолақтар гель арқылы бірдей жылдамдықпен өткен молекулаларды қамтиды, бұл әдетте олардың шамамен бірдей өлшемде екенін білдіреді. Белгілі өлшемдегі молекулалардың қоспасын қамтитын молекулалық салмақ маркерлері бар. Мұндай маркер белгісіз үлгілерге параллель гельдің бір жолағында жүргізілсе, байқалған жолақтар белгісіз үлгілердің жолақтарымен салыстырылып, олардың мөлшерін анықтауға болады. Жолақтың жүретін қашықтығы молекуланың мөлшерінің логарифміне шамамен кері пропорционал (басқаша айтқанда, жүретін қашықтық үлгілердің молекулалық салмағының логарифміне кері пропорционал). Электрофоретикалық техниканың шектеулері бар. Гель арқылы ток өту қыздыруға әкелуі мүмкін, сондықтан гель электрофорез кезінде еруі мүмкін. Электрофорез электр өрісіне байланысты рН өзгерісін азайту үшін буферлік ерітінділерде жүргізіледі, бұл маңызды, өйткені ДНК және РНК заряды рН-ға байланысты, бірақ тым ұзақ уақыт жұмыс істеу ерітіндінің буферлік сыйымдылығын тозады. SDS PAGE арқылы молекулалық салмақты анықтауда, әсіресе белгісіз белоктың MW табуға тырысқанда шектеулер бар. Кейбір биологиялық айнымалыларды азайту қиын немесе мүмкін емес және электрофоретикалық жылжуға әсер етуі мүмкін. Мұндай факторлар ақуыз құрылымын, трансляциядан кейінгі модификацияларды және аминқышқылдық құрамын қамтиды. Мысалы, тропомиозин SDS PAGE гелінде аномалиямен жылжитын қышқылды ақуыз болып табылады. Бұл қышқыл қалдықтардың теріс зарядталған SDS-тен ығыстырылуына байланысты, нәтижесінде масса/заряд қатынасының дұрыс емеуіне және жылжуға әкеледі. Сонымен қатар, генетикалық материалдың әртүрлі дайындығы морфологиялық немесе басқа себептерге байланысты үнемі жылмай қоймауы мүмкін.
Гельдің түрлері
Ең көп қолданылатын гель түрлері – агароза және полиакриламид гельдері. Әрбір гель түрі аналиттердің әртүрлі типтері мен мөлшеріне жақсы сәйкес келеді. Полиакриламид гельдері көбінесе ақуыздар үшін қолданылады және ДНК-ның кішкентай фрагменттерін (5-500 бп) өте жоғары ажыратымдылықпен бөлуге мүмкіндік береді. Ал агароза гельдері ДНК үшін ажыратымдылығы төмен, бірақ бөлу диапазоны кең, сондықтан олар көбінесе 50–20,000 бп мөлшеріндегі ДНК фрагменттерін бөлу үшін қолданылады, бірақ импульстік өріс гель электрофорезі (PFGE) арқылы 6 Мб-тан асатын фрагменттерді де ажыратуға болады. Полиакриламид гельдері тік конфигурацияда, ал агароза гельдері әдетте су асты режимінде көлденең бағытта жүргізіледі. Олар дайындалу әдісімен де ерекшеленеді, себебі агароза жылу арқылы қатаяды, ал полиакриламид химиялық полимерлену реакциясы нәтижесінде түзіледі.
Агороза
Агароза гельдері теңіз балдырынан алынған табиғи полисахаридтерден жасалады. Агароза гельдерін басқа матрицалармен салыстырғанда құю және қолдану оңай, себебі гельдің қатаюы химиялық емес, физикалық өзгеріс болып табылады. Үлгілерді де оңай алуға болады. Эксперимент аяқталғаннан кейін алынған гельді пластикалық қапқа салып, тоңазытқышта сақтауға болады. Агароза гельдерінің тесіктері біркелкі емес, бірақ 200 кДа-дан асатын ақуыздарды электрофорездеу үшін оңтайлы жағдай жасайды. Агароза гельдік электрофорез 50 негіз жұбынан бірнеше мегабазаға (миллион негізге) дейінгі ДНК фрагменттерін бөлуге де қолданылады, олардың ең ірілеріне арнайы аппараттар қажет. ДНК таспаларының әртүрлі ұзындығы арасындағы қашықтық гельдегі агарозаның пайыздық мөлшеріне байланысты, ал жоғары пайыздық мөлшерде ұзақ уақыт, кейде бірнеше күн қажет болуы мүмкін. Сондықтан, жоғары пайызды агароза гельдерін импульстік өрістік электрофорез (ПФЭ) немесе өріс инверсиялық электрофорезбен жүргізу керек. "Көптеген агароза гельдері 0,7% (үлкен 5–10 кб ДНК фрагменттерін жақсы бөлу үшін) және 2% (кіші 0,2–1 кб фрагменттерін жақсы ажырату үшін) аралығында электрофорез буферінде ерітілген агарозадан жасалады. Өте ұсақ фрагменттерді бөлу үшін 3% дейін қолдануға болады, бірақ осы жағдайда тік полиакриламид гелі тиімдірек. Төмен пайызды гельдер өте жұмсақ болып, көтеруге тырысқанда сындығуы мүмкін. Жоғары пайызды гельдер көбінесе сынғыш болады және біркелкі қаталдамайды. 1% гель көптеген қолданулар үшін кеңінен қолданылады."
Полиакриламид
Полиакриламид гелімен қамтамасыз етілген біртекті тесік өлшеміне байланысты 5-ден 2000 кДа-ға дейінгі мөлшердегі белоктарды бөлу үшін полиакриламид гелі электрофорезі (PAGE) қолданылады. Тесік өлшемі акриламид және бис-акриламид ұнтағының концентрациясын реттеу арқылы бақыланады, олар гель жасау үшін қолданылады. Гельдің осы түрін жасағанда сақтық қажет, себебі акриламид сұйық және ұнтақ күйінде күшті нейротоксин болып табылады. Максам-Гилберт немесе Сангер әдістері сияқты дәстүрлі ДНК тізбектеу әдістері полиакриламид гельдерін пайдаланып, бір негіз жұбының ұзындығымен ерекшеленетін ДНК фрагменттерін бөліп, тізбекті оқуға мүмкіндік берді. Қазіргі заманғы ДНК-ны бөлу әдістерінің көпшілігі, өте кішкентай ДНК фрагменттерін қоспағанда, агароза гельдерін қолданады. Қазіргі уақытта ол көбінесе иммунология және белоктарды талдау саласында қолданылады, әр түрлі белоктарды немесе бір белоктың изоформаларын бөлек жолақтарға бөлу үшін жиі қолданылады. Бұл жолақтарды нитроцеллюлоза немесе ПВДФ мембранасына көшіріп, антиденелермен және тиісті маркерлермен, мысалы, вестерн блот арқылы зерттеуге болады. Әдетте, ерітетін гельдер 6%, 8%, 10%, 12% немесе 15% концентрацияда жасалады. Жинақтаушы гель (5%) ерітетін гельдің үстіне құйылады, содан кейін гель тарағы (құдықтарды қалыптастырады және белоктар, үлгі буфері және маркерлер орналасатын жолақтарды анықтайды) енгізіледі. Қолданылатын проценттік мөлшер үлгіде анықтауға немесе зерттеуге қажетті белоктың мөлшеріне байланысты. Белгілі салмақ неғұрлым кішкентай болса, соғұрлым жоғары проценттік мөлшер қолданылуы керек. Гельдің буферлік жүйесіндегі өзгерістер өте кішкентай белоктарды одан әрі бөлуге көмектеседі.
Сырша
Жарым-жартылай гидролизделген картоп крахмалы – протеин электрофорезі үшін тағы бір уытсыз ортаны құрайды. Гельдер акриламид немесе агарозаға қарағанда сәл көбірек опақты болады. Денатурацияланбаған ақуыздар заряд және мөлшері бойынша бөліне алады. Оларды Нафталин қарасы немесе Амидо қарасы бояуларымен көруге болады. Крахмал гельдерінің қалыпты концентрациясы 5%-тен 10%-ға дейін жетеді.
Денетурилеу
Денатурациялау гельдері аналиттердің табиғи құрылымын бұзатын жағдайларда жүргізіледі, осының нәтижесінде олар тікелей тізбекке айналады. Осылайша, әрбір макромолекуланың жылдамдығы тек оның тікелей ұзындығына және массасының зарядқа қатынасына ғана байланысты. Биомолекулалық құрылымның екінші, үшінші және төртінші деңгейлері бұзылады, тек бастапқы құрылымы ғана талдауға қолжетімді болады. Нуклеин қышқылы денатурациялану үшін көбінесе буферге мочевина қосылады, ал белоктар натрий додецилсульфаты арқылы денатурацияланады, әдетте SDS-PAGE процесінің бір бөлігі ретінде. Белоктарды толық денатурациялау үшін олардың үшінші және төртінші құрылымдарын тұрақтандыратын ковалентті дисульфидтік байланыстарды үзу қажет, бұл әдіс – азайту PAGE. Азайту жағдайларын бета-меркаптоэтанол немесе дитиотрейтол қосу арқылы сақтауға болады. Белгілі бір белок үлгілерін талдау үшін азайту PAGE белок электрофорезінің ең көп қолданылатын түрі болып табылады. РНК-ның молекулалық салмағын дұрыс анықтау үшін денатурациялау шарттары қажет. РНК ДНК-ға қарағанда көбірек ішкі молекулалық өзара әрекеттесуге қабілетті, бұл оның электрофоретикалық жылдамдығын өзгертуі мүмкін. РНК құрылымын бұзу үшін мочевина, DMSO және глиоксал жиі қолданылатын денатурациялау агенттері болып табылады. Бастапқыда, жоғары уытты метил күміс гидроксиді РНК электрофорезін денатурациялау үшін жиі қолданылды, бірақ ол кейбір үлгілер үшін таңдаулы әдіс болуы мүмкін. Денатурациялау гель электрофорезі ДНҚ және РНК жолақтық үлгілеріне негізделген температуралық градиент гель электрофорезі (TGGE) және денатурациялық градиент гель электрофорезі (DGGE) әдістерінде қолданылады.
Жергілікті
Аналиттердің табиғи құрылымы сақталуы үшін, нативті гельдер денатұрацияланбаған жағдайда қолданылады. Бұл бүктелген немесе құрастырылған кешеннің физикалық мөлшерінің жылдамдыққа әсер етуіне мүмкіндік береді, соның арқасында биомолекулалық құрылымның барлық төрт деңгейін талдауға болады. Биологиялық үлгілерде детергенттер тек жасушадағы липидтік мембраналарды лизиялау үшін қажетті мөлшерде ғана қолданылады. Кешендердің көп бөлігі жасушадағыдай бірігіп, бүгіліп қалады. Бірақ, бір кемшілігі – кешендер таза немесе болжамды түрде бөлінбеуі мүмкін, себебі молекуланың пішіні мен мөлшері оның жылдамдығына қалай әсер ететінін болжау қиын. Осы мәселені шешу – преперативті нативті ПАЖ-дың басты мақсаты. Денетұрациялық әдістерден айырмашылығы, нативті гельдік электрофорез зарядталған денетұрациялық агентті қолданбайды. Сондықтан бөлінетін молекулалар (әдетте ақуыздар немесе нуклеин қышқылы) молекулалық масса мен ішкі зарядта ғана емес, сонымен қатар көлденең қима ауданында да ерекшеленеді, демек, олар жалпы құрылымының пішініне байланысты әртүрлі электрофоретикалық күштерге ұшырайды. Ақуыздар үшін, олар өздерінің нативті күйінде қалатындықтан, оларды жалпы ақуызды бояу реагенттерімен ғана емес, сонымен қатар ферментке байланысты бояу арқылы да көруге болады. Нативті гельдік электрофорезді қолданудың нақты мысалы – ақуызды тазарту кезінде үлгіде ферменттің болуын тексеру үшін ферменттік белсенділікті тексеру. Мысалы, сілтілік фосфатаза ақуызы үшін бояу ерітіндісі – 4-хлорлы-2,2-метилбензендиазоний тұзы және 3-фосфо-2-нафтой қышқылының 2',4'-диметиланилінінің трис буферіндегі қоспасы. Бұл бояулар коммерциялық түрде гельдерді бояу жиынтығы ретінде сатылады. Егер ақуыз болса, реакция механизмі келесі ретпен жүреді: ол сілтілік фосфатазаның 3-фосфо-2-нафтой қышқылының 2',4'-диметиланилінен фосфорилирленуінен басталады (реакция үшін су қажет). Фосфат тобы судан шығарылып, оның орнына спирт тобы қосылады. Электрофилді 4-хлор-2-метилбензендиазоний (Жылдам қызыл TR диазоний тұзы) спирт тобын ығыстырып, соңғы өнім – қызыл азо бояуын құрайды. Атауынан көрініп тұрғандай, бұл реакцияның соңғы көрінетін қызыл өнімі. Ақуызды тазартудың академиялық тәжірибелерінде гельді әдетте коммерциялық тазартылған үлгілермен қатар қойып, нәтижелерді көзбен көру және тазарту сәтті болды ма, жоқ па, соны анықтау үшін қолданады. Нативті гельдік электрофорез көбінесе протеомика және металломикада қолданылады. Алайда, нативті ПАЖ-ды гендерді (ДНК) бір жіптік конформациялық полиморфизмдегідей белгісіз мутацияларға тексеру үшін де қолдануға болады.
Буферлер
Гель электрофорезіне арналған буферлер ток тасымалдайтын иондарды қамтамасыз ету және pH-ты салыстырмалы түрде тұрақты деңгейде ұстау үшін қолданылады. Бұл буферлерде көптеген иондар болады, олар ток өтуі үшін қажет. Дистилденген су немесе бензол сияқты заттарда иондар аз болады, сондықтан олар электрофорез үшін жарамсыз. Электрофорезде қолданылатын бірнеше буферлер бар. Нуклеин қышқылдары үшін ең көп қолданылатыны – Трис/Ацетат/ЭДТА (TAE) және Трис/Борат/ЭДТА (TBE). Тағы да көптеген буферлер ұсынылған, мысалы, литий бораты (LB), Pubmed деректерінде сирек кездеседі, изоэлектрлік гистидин, pK сәйкес келетін буферлер және т.б. Көбінесе, мұның себебі – төмен ток (аз жылу) және иондардың ұқсас жылдамдығы, бұл буфердің қызмет ету мерзімін ұзартады. Борат мәселелі, себебі борат полимерленуі мүмкін немесе РНК-дағы цис-диолдармен әрекеттеседі. TAE буферлік сыйымдылығы ең төмен, бірақ үлкен ДНК үшін ең жақсы ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. Бұл төмен вольттажды және ұзақ уақытты білдіреді, бірақ нәтижесі жақсы болады. LB салыстырмалы түрде жаңа және 5 кбп-ден үлкен фрагменттерді ажыратуда тиімсіз. Дегенмен, оның төмен өткізгіштігіне байланысты, жоғары вольттажды қолдануға болады (35 В/см дейін), бұл стандартты электрофорезде талдау уақытын қысқартады. 3% агароза гелінде (1 мМ литий бораты) өте төмен өткізгіштік ортасында тіпті бір базалық жұптың айырмашылығын да анықтауға болады. SDS-PAGE протеиндерін бөлудің көп бөлігі "үздіксіз" (немесе DISC) буферлік жүйесі арқылы жүзеге асырылады, ол гель ішіндегі жолақтардың қалыптылығын едәуір арттырады. Үздіксіз гель жүйесінде электрофорез кезінде, электрофорездің бастапқы кезеңінде иондық градиент пайда болады, ол барлық ақуыздарды изотахофорез процесі арқылы бір өткір жолаққа шоғырландырады. Ақуыздардың мөлшері бойынша бөліну гельдің төменгі "ажырату" аймағында жүзеге асырылады. Ажырату гелі әдеттегіден әлдеқайда кішкентай порларға ие, бұл ақуыздардың электрофоретикалық жылдамдығын анықтайтын сүзу әсерін тудырады.
Көрнекілендіру
Электрофорез аяқталғаннан кейін, гельдегі молекулаларды көру үшін бояуға болады. ДНК-ны этидий бромидті пайдалану арқылы көруге болады, ол ДНК-ға еніп, ультракүлгін сәуледе жарқырайды, ал белокты күміс бояу немесе Кумассинің жарқырауық көк бояуымен көруге болады. Араластың компоненттерінің гельдегі ажыратылуын көру үшін басқа да әдістер қолданылуы мүмкін. Егер ажыратылатын молекулалар радиоактивтілік танытса, мысалы ДНК тізбектеу гелінде, гельдің авторадиографиясын жасауға болады. Гельдердің суретін түсіру үшін көбінесе Gel Doc жүйесі қолданылады. Содан кейін гельдер SciUGo веб-сайтында, ғылыми есептерге және таныстыруларға арналған графикалық материалдарды жасау үшін белгіленеді.
Ағымдағы өңдеу
Бөлінгеннен кейін, изоэлектрлік фокус немесе SDS PAGE сияқты қосымша бөлу әдісі қолданылуы мүмкін. Гель физикалық түрде кесіліп, әр бөлігінен ақуыз кешендері жеке-жеке алынады. Әрбір экстракт, мысалы, пептидтік массалық ізтаңбаны алу немесе гель ішінде қорытылғаннан кейін де ново пептидтік тізбектеу арқылы талдануы мүмкін. Бұл кешендегі ақуыздардың табиғатын анықтау үшін көп көлемде ақпарат береді.
Қолданбалар
Рестрикциялық ферменттермен қорытудан кейін ДНК молекулаларының мөлшерін бағалау, мысалы, клондалған ДНК-ның рестрикциялық картасын жасауда. ПТР өнімдерін талдау, мысалы, молекулалық генетикалық диагностикада немесе генетикалық саусақ іздерін анықтауда. Оңтүстік блоттарына көшіру алдында рестрикцияланған геномдық ДНК-ны, немесе солтүстік блоттарына көшіру алдында РНК-ны бөлу. Гель электрофорезі сот медицинасында, молекулалық биологияда, генетикада, микробиологияда және биохимияде қолданылады. Нәтижелерді гельді ультракөк сәулесімен және гельдік бейнелеу құрылғысымен қарау арқылы сандық түрде талдауға болады. Бейне компьютермен басқарылатын камерамен тіркеледі, ал қызығушылық тудыратын жолақтың немесе дақтың қарқындылығы өлшеніп, сол гельге жүктелген стандарттармен немесе маркерлермен салыстырылады. Өлшеу және талдау көбінесе арнайы бағдарламалық жасақтама арқылы жүзеге асырылады. Жүргізілетін талдау түріне байланысты, гель электрофорезінің нәтижелерімен бірге басқа әдістер де жиі қолданылады, бұл салалық қолданулардың кең спектрін қамтамасыз етеді.
Separation of restricted genomic DNA prior to Southern transfer, or of RNA prior to Northern transfer. Gel electrophoresis is used in forensics, molecular biology, genetics, microbiology and biochemistry. The results can be analyzed quantitatively by visualizing the gel with UV light and a gel imaging device. The image is recorded with a computer operated camera, and the intensity of the band or spot of interest is measured and compared against standard or markers loaded on the same gel. The measurement and analysis are mostly done with specialized software. Depending on the type of analysis being performed, other techniques are often implemented in conjunction with the results of gel electrophoresis, providing a wide range of field specific applications.
Нуклеин қышқылдары
Нуклеин қышқылдары жағдайында, теріс электродтан оң электродқа қарай миграция бағыты, олардың қант-фосфат тірекшесінде табиғи түрде болатын теріс зарядқа байланысты. Екі тізбекті ДНК фрагменттері табиғи түрде ұзын таяқшалар сияқты мінез-құлық көрсетеді, сондықтан гель арқылы олардың миграциясы олардың мөлшеріне немесе циклді фрагменттер үшін – айналу радиусына байланысты. Бірақ плазмида сияқты дөңгелек ДНК бірнеше жолақ көрсетуі мүмкін, миграция жылдамдығы оның босаңсыған немесе суперспиральденген күйде болуына байланысты өзгеруі мүмкін. Бір тізбекті ДНК немесе РНК күрделі пішіндегі молекулаларға жиырылып, олардың үшіншілік құрылымына сәйкес гель арқылы күрделі жолмен миграциялайды. Сондықтан нуклеин қышқылдарын денатурациялау үшін, сутекті байланыстарды бұзатын заттар, мысалы, натрий гидроксиді немесе формамид қолданылады, осылайша олар қайтадан ұзын таяқшалар сияқты мінез-құлық көрсетеді. Ірі ДНК немесе РНК гельдік электрофорезі көбінесе агароза гельдік электрофорезі арқылы жүзеге асырылады. Полиакриламидтік ДНК тізбектеу гелінің мысалы үшін "тізбекті тоқтату әдісі" бетіне қараңыз. Нуклеин қышқылдарының немесе фрагменттерінің лигандпен өзара әрекеттесуі арқылы сипаттама беру, жылжуға байланысты аффинитеттік электрофорез арқылы жүргізілуі мүмкін. РНК үлгілерінің электрофорезі геномдық ДНҚ-ның қосымша заттарын және РНК-ның ыдырауын тексеру үшін қолданылуы мүмкін. Эукариоттық организмдердің РНК-сы 28s және 18s рРНК-ның ерекше жолақтарын көрсетеді, 28s жолағы 18s жолағынан шамамен екі есе қарқынды. Ыдыраған РНК-ның жолақтары нашар анықталған, бұлдыр, ал қарқындылық қатынасы 2:1-ден кем.
Белсенділер
Нуклеин қышқылдарынан өзгеше, ақуыздар әртүрлі зарядтарға және күрделі пішіндерге ие болуы мүмкін, сондықтан олар полиакриламид гельдегі жылдамдықтары бірдей болмайды немесе үлгіге теріс-оң электр қыры орналастырылғанда барлығы бірдей жылдамдықпен қозғалмайды. Сондықтан ақуыздарды әдетте ақуыздарды теріс зарядқа ие ететін, мысалы, натрий додецилсульфаты (SDS) сияқты жуушы заттың әсерімен денатурациялайды. Мақсат – көбірек біртекті үлгі алу (мысалы, бөлшек мөлшерінің тарамдылығын азайту), одан кейін оны келесі өнімдерге/процестерге (мысалы, өздігінен жиналатын процестерге) қолдануға болады. Гельдегі нанобөлшектерді бөлу үшін маңызды параметр – бөлшек мөлшерінің тор көлеміне қатынасы, осыған байланысты екі қозғалу механизмі анықталды: шектеусіз механизм, онда бөлшек мөлшері << тор көлемі, және шектеулі механизм, онда бөлшек мөлшері тор көлеміне шамалас.