Кіріспе

Биомолекулаларды агароза гельді пайдалану арқылы бөлу және талдау әдісі. Агароза гельдік электрофорез – биохимия, молекулалық биология, генетика және клиникалық химия салаларында қолданылатын, ДНК немесе ақуыздар сияқты макромолекулалардың аралас популяциясын агардың екі негізгі құрауышының бірі – агароза матрицасында бөлуге арналған гельдік электрофорез әдісі. Ақуыздар заряд және/немесе мөлшері бойынша (изоэлектрлік фокустау агарозалық электрофорезі мөлшерден тәуелсіз) ал, ДНК және РНК фрагменттері ұзындығы бойынша бөлінеді. Биомолекулалар зарядталған молекулаларды агароза матрицасы арқылы электр өрісінің әсерімен жылжыту арқылы бөлінеді, ал биомолекулалар агароза гельдік матрицасында мөлшері бойынша ажыратылады. Агароза гелін құю оңай, онда салыстырмалы түрде аз зарядталған топтар бар, және ол зертханаларда ең көп кездесетін мөлшер диапазонындағы ДНК-ны бөлуге өте ыңғайлы, соның салдарынан кеңінен қолданылады. Бөлінген ДНК-ны бояу арқылы, көбінесе ультракөк сәулеленуде көруге болады, ал ДНК фрагменттерін гельден салыстырмалы түрде оңай алуға болады. Қолданылатын агароза гельдерінің көпшілігі 0,7–2% аралығында, тиісті электрофорез буферінде ерітілген.

Агароза гельінің қасиеттері

Агароза гелі – биомолекулалар өтетін арналар мен тесіктер бар үш өлшемді құрылымдарға біріктірілген спиральді агароза молекулаларынан құралған үш өлшемді матрица. 3D құрылым сутекті байланыстармен ұсталады, сондықтан сұйық күйге қайта қыздыру арқылы бұзылуы мүмкін. Еріту температурасы гельдеу температурасынан өзгеше, агароза гелінің гельдеу температурасы 35–42 °C, ал еру температурасы 85–95 °C. Химиялық модификация арқылы жасалған төмен балқу және төмен гельдеу агарозалары да бар. Агароза гелі үлкен тесік өлшеміне және жақсы гельдік беріктікке ие, сондықтан ол ДНК және ірі ақуыз молекулаларының электрофорезі үшін антиконвекциялық орта ретінде жарамды. 1% гельдің тесік көлемі 100 нм-ден 200–500 нм-ге дейін бағаланады, ал оның гельдік беріктігі 0,15% дейін сұйытылған гельге гель электрофорезі үшін плита жасауға мүмкіндік береді. Ол ірі белоктарды бөлу үшін де қолданылуы мүмкін және 5–10 нм-ден үлкен радиусы бар бөлшектердің гель электрофорезі үшін артықшылықты матрица болып табылады. 0,9% агароза гелінде T4 бактериофагының кіруіне жеткілікті үлкен тесік бар. Агароза полимері зарядталған топтарды, әсіресе пируват пен сульфатты қамтиды. Бұл теріс зарядталған топтар ДНК қозғалысына қарама-қарсы бағытта су ағынын тудырады, бұл процесс электроэндосмоз (ЭЭО) деп аталады, сондықтан ДНК қозғалысын баяулатуы және жолақтың бұлыңғырлануына әкелуі мүмкін. Жоғары концентрациялы гельдер жоғары электроэндосмотикалық ағынға ие болады. Сондықтан, нуклеин қышқылдарының агароза гель электрофорезі үшін төмен ЭЭО агарозасын қолдану әдетте артықшылыққа ие, бірақ жоғары ЭЭО агарозасын басқа мақсаттарда қолдануға болады. Төмен ЭЭО агарозаның, әсіресе төмен балқу нүктесі (ЖБТ) агарозасының төмен сульфат мөлшері, гельден алынған ДНК-ны одан әрі өңдеу үшін пайдаланғанда пайдалы, өйткені ластаушы сульфаттардың болуы кейбір келесі процедураларға, мысалы, лигация мен ПТР-ға әсер етуі мүмкін. Алайда, нөлдік ЭЭО агарозалар кейбір қолданбалар үшін қолайсыз, өйткені олар оң зарядталған топтарды қосу арқылы жасалуы мүмкін және мұндай топтар кейінгі ферменттік реакцияларға әсер етуі мүмкін. Электроэндосмоз – агарға қарағанда агарозаның артық қолданылуының себебі, себебі агардағы агаропектин компоненті теріс зарядталған сульфат және карбоксил топтарының көп мөлшерін қамтиды. Агарозодағы агаропектинді алып тастау ЭЭО-ны едәуір төмендетеді, сондай-ақ биомолекулалардың гель матрицасына бейтарап адсорбциясын азайтады. Алайда, кейбір қолданбалар үшін, мысалы, сарысу ақуыздарының электрофорезі үшін, жоғары ЭЭО қажет болуы мүмкін және пайдаланылатын гельге агаропектин қосылуы мүмкін.

Гелдегі нуклеин қышқылының көшіп кетуіне әсер ететін факторлар

Нуклеин қышқылдарының миграциясына бірқатар факторлар әсер ете алады: гельдің тесіктерінің мөлшері (гель концентрациясы), электрофорезге түсетін ДНК-ның мөлшері, қолданылатын кернеу, буфердің иондық күші және электрофорез кезінде қолданылатын этидий бромиді сияқты интеркаляциялық бояудың концентрациясы. Кішкентай молекулалар үлкен молекулаларға қарағанда гельде жылдам қозғалады, ал екі тізбекті ДНК негіз жұптарының санының логарифміне кері пропорционалды жылдамдықпен қозғалады. Бірақ, бұл қатынас өте үлкен ДНК фрагменттері үшін бұзылады, сондықтан өте үлкен ДНК фрагменттерін бөлу үшін импульстік өрістік гель электрофорезі (PFGE) қажет, ол әртүрлі бағыттардан ауыспалы ток қолданады және үлкен ДНК фрагменттері өріс өзгере қалғанда қайта бағыттала келе бөлінеді. Стандартты агароза гель электрофорезі үшін үлкен молекулалар төмен концентрациялы гельде жақсы ажыратылады, ал кішкентай молекулалар жоғары концентрациялы гельде жақсы бөлінеді. Дегенмен, жоғары концентрациялы гельдерге көбірек уақыт (кейде бірнеше күн) керек болады. ДНК-ның қозғалысына ДНК молекуласының конформациясы да әсер ете алады, мысалы, суперспиральденген ДНК әдетте босаңсқан ДНК-ға қарағанда жылдам қозғалады, себебі ол тығыз оралған және осылайша ықшам. Дұрыс плазмидалық ДНК дайындамасында ДНК-ның бірнеше түрі болуы мүмкін. Плазмидалардың гельдік электрофорезінде әдетте теріс суперспиральденген түрі басты жолақ ретінде көрінеді, ал үзілген ДНК (ашық сақиналы форма) және босаңсқан жабық сақиналы форма кішкентай жолақтар ретінде көрінеді. Алайда, әртүрлі формалардың қозғалу жылдамдығы әртүрлі электрофорез жағдайларында өзгеруі мүмкін, сондай-ақ үлкен сақиналы ДНК-ның жылжу қабілеті гельдің тесік мөлшеріне байланысты сызықты ДНК-ға қарағанда күштірек әсер етуі мүмкін. Этидий бромиді сақиналы ДНК-мен араласып, ДНК молекуласының зарядын, ұзындығын және суперспиральділігін өзгерте алады, сондықтан электрофорез кезінде гельде болуы оның қозғалысына әсер етеді. Мысалы, этидий бромидінің оң заряды ДНК-ның қозғалысын 15%-ға төмендетуі мүмкін. ДНК-ның кросс-байланыстардың артуына байланысты зақымдануы электрофоретикалық ДНК миграциясын дозаға тәуелді түрде азайтады. ДНК-ның миграция жылдамдығы қолданылатын кернеуге пропорционалды, яғни кернеу неғұрлым жоғары болса, ДНК соғұрлым жылдам қозғалады. Алайда, үлкен ДНК фрагменттерінің ажыратылуы жоғары кернеуде төмендейді. ДНК-ның жылжу қабілеті тұрақсыз өрісте де өзгеруі мүмкін – кезең-кезеңмен кері айналатын өрісте белгілі бір мөлшердегі ДНК-ның жылжу қабілеті белгілі бір циклдік жиілікте айтарлықтай төмендеуі мүмкін. Бұл құбылыс өрістік инверсиялық гель электрофорезінде (FIGE) жолақтың инверсиясына әкелуі мүмкін, осылайша үлкен ДНК фрагменттері кішкентайларға қарағанда жылдам қозғалады.

Көші-қон аномалиялары

"Смайли" гельдері бұл шеттік эффект, қолданылатын кернеу пайдаланылған гельдің концентрациясынан артық болғанда туындайды. ДНҚ-ның артық жүктелуі ДНҚ фрагменттерінің жылжуын баяулатады. Ластану – тұздар немесе белоктар сияқты қоспалардың болуы ДНҚ-ның қозғалысына әсер етуі мүмкін.

Көшіру және бөліну механизмі

Фосфат тірекшесінің теріс заряды ДНК-ны электрофорез кезінде оң зарядталған анодқа қарай жылжытады. Дегенмен, гель матрицасы болмаған жағдайда ерітіндідегі ДНҚ молекулаларының қозғалысы электрофорез кезінде молекулалық салмаққа тәуелсіз болады. Сондықтан, гель матрицасы электрофорез кезінде ДНК-ны мөлшері бойынша бөлуге жауапты, ал гель матрицасындағы биомолекулалардың бөліну механизмін түсіндіру үшін бірнеше модельдер бар. Жиі қолданылатын модель – полимерлік матрицаны ірің ретінде қарастыратын Огстон моделі. Глобулярлы ақуыз немесе кездейсоқ оралған ДНК өзара байланысқан тесіктер арқылы қозғалады, ал үлкен молекулалардың қозғалысы гель матрицасымен соқтығысу нәтижесінде кешігуі және баяулауы мүмкін, сондықтан әртүрлі мөлшердегі молекулаларды осы іріктеу процесінде бөліп алуға болады. Бірақ, боялған молекулаларды уақтылы флуоресценциялық микроскопия арқылы қарағанда электрофорез кезінде одан да күрделі динамика байқалды, ДНК қолданылған өріс бағытында кезекпен созылып, кейін шарға айналып немесе полимерлік талшықтарға ілігіп U пішінін қабылдау сияқты едәуір серпімділік танытты.

Жалпы рәсім

Агароза гелі электрофорезі экспериментінің мәліметтері әдістемеге қарай өзгеше болуы мүмкін, бірақ көпшілігі жалпы процедураны сақтайды.

Гельді құю

Гель агароза ұнтағын электрофорезде қолданылатын TAE немесе TBE сияқты сәйкес буферде еріту арқылы дайындалады. Концентрация пайдаланылған буфердің көлеміне шаққанда агарозаның салмағымен (г/мл) өлшенеді. Стандартты агароза гель электрофорезі үшін 0,8% гель үлкен 5–10 кб ДНК фрагменттерін жақсы бөліп көрсетуге мүмкіндік береді, ал 2% гель кішкентай 0,2–1 кб фрагменттерін жақсы ажыратады. 1% гельдер стандартты электрофорез үшін жиі қолданылады. Жоғары пайызды гельдер көміртекті болуы мүмкін және біркелкі қатаюы қиын, ал төмен пайызды гельдер (0,1–0,2%) нашар және оларды қолдану қиын. Төмен балқу температуралы (LMP) агароза гельдері де қалыпты агароза гельдеріне қарағанда көміртекті болады. Төмен балқу температуралы агароза ДНК-ны бөлу және оқшаулау үшін жеке немесе стандартты агарозамен бірге қолданылуы мүмкін. PFGE және FIGE әдетте жоғары пайызды агароза гельдерімен жүргізіледі.

Үлгілерді тиеу

Гель қатып қалған соң, тарақ алынып тасталады, ДНК үлгілерін жүктеуге арналған ұңғылар қалады. ДНК үлгісін құдықтарға құю алдында, жүктеу буфері осы үлгіге қосылады. Жүктеу буферінің құрамында глицерол, сахароза немесе Фиколл сияқты тығыз заттар болады, бұл үлгінің тығыздығын арттырып, ДНК үлгісінің құдықтың түбіне шөгуіне мүмкіндік береді. Гельде қолданылатын буфер, электрофорез камерасындағы жұмыс буферімен бірдей болғандықтан, агарозды гельмен су астында электрофорез жүргізуге болады. Стандартты гельдік электрофорезде 2 кб-тан асатын ДНК-ны жақсырақ ажырату үшін 5-8 В/см кернеу ұсынылады (см-дегі қашықтық электродтар арасындағы қашықтықты көрсетеді, демек, ұсынылған кернеу электродтар арасындағы қашықтыққа см-де 5-8 еселенген мәнге тең болады). ДНК табиғи жарықта көрінбейтіндіктен, электрофорез барысын бақылау үшін түрлі-түсті бояулар қолданылады. Ксилен цианолы (ақшыл көк түсті) ірі ДНК фрагменттерімен бірдей жылдамдықпен қозғалады, ал бромофенол көк түсі (қою көк түсті) кіші фрагменттермен бірдей жылдамдықпен қозғалады. Көбінесе қолданылмайтын бояуларға Cresol Red және Orange G жатады, олар бромофенол көк түсінен бұрын қозғалады. ДНК фрагменттерінің молекулалық салмағын анықтау үшін ДНК маркері де бірге қолданылады. Алайда, плазмидтер сияқты дөңгелек ДНК-ның мөлшерін стандартты маркерлерді пайдаланып дәл өлшеу қиын, егер ол шектеу ферменттерімен кесілмесе, немесе суперспиральді ДНК маркерін қолдануға болады.

Түске бояу және бейнелеу

ДНҚ және РНҚ әдетте этидий бромидімен бояу арқылы көрінеді, ол ДНҚ-ның негізгі ойықтарына еніп, ультракөк сәуле (УК сәуле) астында флуоресценция жасайды. Енігу ДНҚ концентрациясына байланысты, сондықтан жоғары қарқынды жолақ, төмен қарқынды жолаққа қарағанда ДНҚ-ның көп мөлшерін көрсетеді. SYBR Green, GelRed және басқа да ұқсас коммерциялық өнімдер этидий бромидіне қарағанда қауіпсіз балама ретінде сатылады, себебі ол Эймс тестінде мутагендік қасиеттері бар екені анықталды, бірақ этидий бромидінің канцерогенділігі нақты дәлелденбеген. SYBR Green қолдану үшін көк жарық трансиллюминаторын қажет етеді. Кристалл фиолетімен боялған ДНҚ-ны УК трансиллюминаторын қолданбай, табиғи жарықта қарауға болады, бұл бір артықшылық, бірақ ол күшті жолақтарды шығармайды. Этидий бромидімен боялған гель ультракөк (УК) трансиллюминаторымен қаралады. УК сәулесі этидий бромидінің ароматтық сақинасындағы электрондарды қоздырады, олар бастапқы күйіне оралғанда жарық шығарып, ДНҚ мен этидий бромиді кешенін флуоресценцияға түсіреді. Сондықтан ДНҚ-ны УК сәулеленуіне ұшыратуды шектеу керек. 365 нм толқын ұзындығын (УК А диапазоны) қолдану ДНҚ-ға аз зиян келтіреді, бірақ этидий бромидімен салыстырғанда флуоресценцияны әлсіздетеді. Трансиллюминаторда бірнеше толқын ұзындығын таңдау мүмкіндігі болғанда, суреттерді түсіру үшін қысқа толқын ұзындығын, ал гельмен ұзақ жұмыс істеу қажет болса, ұзын толқын ұзындығын қолдану керек. Трансиллюминатор құрылғысында сурет түсіретін құралдар, мысалы, цифрлық немесе полароид камерасы болуы мүмкін, олар гельдің суретін түсіруге немесе басып шығаруға мүмкіндік береді. Ақуыздың гельдік электрофорезі үшін жолақтарды Кумасси немесе күміс бояуларымен көруге болады.

Ағымдағы кезеңдегі рәсімдер

Бөлінген ДНК жолақтары көбінесе келесі процедуралар үшін қолданылады, және ДНК жолағын гельден тілімдей кесіп алып, ерітіп тазартуға болады. Дегенмен, қоспалар ПТР сияқты кейбір келесі кезектегі процедураларға әсер етуі мүмкін, сондықтан кейбір жағдайларда ферменттік реакцияларға кедергі келтіретін сульфаттардың азырақ мөлшерін қамтитын төмен балқу температуралы агароза қолдану артық болуы мүмкін. Гельдер сонымен қатар блоттеу әдістерінде де қолданылады.

Буферлер

Жалпы алғанда, идеал буфер жақсы өткізгіштікке ие болуы керек, аз жылу бөліп шығаруы және ұзақ қызмет етуі тиіс. Агароза электрофорезі үшін көптеген буферлер қолданылады; нуклеин қышқылдары үшін Tris/Ацетат/EDTA (TAE) және Tris/Борат/EDTA (TBE) ең көп қолданылады. Қолданылатын буферлердің құрамында EDTA болады, ол өз жұмысы үшін еківалентті катион қажет болатын көптеген нуклеазаларды белсенділіксіздендіреді. TBE буферіндегі борат мәселі тудыруы мүмкін, себебі борат полимерленуге және/немесе РНК-да кездесетін цис-диолдармен әрекеттесуге қабілетті. TAE буферлік сыйымдылығы ең төмен, бірақ ірі ДНК үшін ең жақсы ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. Бұл төмен кернеуді және ұзақ уақытты білдіреді, бірақ нәтижесі жақсы болады. Литий бораты (LB), изоэлектрлі гистидин, pK сәйкес келетін жақсы буферлер және т.б. сияқты көптеген басқа буферлер де ұсынылған; көбінесе осы буферлердің негізгі мақсаты – ток күшін азайту (жылуды азайту) және/немесе иондық жылдамдықтарды сәйкестендіру, бұл буфердің қызмет ету мерзімін ұзартады. Трис-фосфат буфері жоғары буферлік сыйымдылыққа ие, бірақ фосфатқа сезімтал реакцияларда алынған ДНК қолданылса, оны қолдануға болмайды. LB салыстырмалы түрде жаңа және 5 кбп-ден үлкен фрагменттерді ажыратуда тиімсіз; алайда, оның төмен өткізгіштігіне байланысты, әлдеқайда жоғары кернеу қолдануға болады (35 В/см дейін), бұл стандартты электрофорезде талдау уақытын қысқартуға мүмкіндік береді. Өте төмен өткізгіштігі бар (1 мМ литий бораты) 3% агароза гелінде бір негіз жұбының мөлшерінің айырмашылығын да анықтауға болады. Арнайы жағдайларда басқа буферлік жүйелерді де қолдануға болады, мысалы, барбитураттың натрий тұзы немесе Трис-барбитурат буферлері ақуыздарды агароза гельдік электрофорезі үшін, мысалы, ақуыздардың бұрыс таралуын анықтау үшін қолданылуы мүмкін.

Қолданбалар

Рестрикциялық ферменттермен қосылғаннан кейін ДНК молекулаларының мөлшерін бағалау, мысалы, клондалған ДНК-ның рестрикциялық картасын жасауда. Нуклеин қышқылы жолағының қарқындылығын өлшемдік маркердің сәйкес жолағымен салыстыру арқылы ДНК концентрациясын бағалау. Полимераза тізбектік реакциясының (ПТР) өнімдерін талдау, мысалы, молекулалық генетикалық диагностикада немесе генетикалық саусақ іздерін анықтауда. ДНК фрагменттерін бөліп алу және тазарту. Оңтүстік блоттарына көшіру алдындағы шектелген геномдық ДНК немесе Солтүстік блоттарына көшіру алдындағы РНК-ны бөлу. Ақуыздарды бөлу, мысалы, клиникалық химияда ақуыз аномалияларын анықтауда. Агарозалық гельдер басқа матрицалармен салыстырғанда оңай құйылады және қолданылады, ал нуклеин қышқылы электрофорез кезінде химиялық өзгеріске ұшырамайды. Үлгілерді де оңай алуға болады. Эксперимент аяқталғаннан кейін алынған гельді пластикалық қапқа салып, тоңазытқышта сақтауға болады. Электрофорез электр өрісінің әсерінен pH өзгерісін азайту үшін буферлік ерітінділерде жүргізіледі, бұл маңызды, өйткені ДНК мен РНК заряды pH-қа байланысты, бірақ ұзақ уақыт жұмыс істеу ерітіндінің буферлік қабілетін сарқытады. Сонымен қатар, генетикалық материалдың әртүрлі дайындамалары морфологиялық немесе басқа себептерге байланысты біркелкі миграцияламауы мүмкін.