Электрофорез в геле — это метод разделения и анализа биомакромолекул ( ДНК , РНК , белков и т. д.) и их фрагментов на основе их размера и заряда. Он используется в клинической химии для разделения белков по заряду или размеру (IEF агароза, по существу, независим от размера), а в биохимии и молекулярной биологии — для разделения смешанной популяции фрагментов ДНК и РНК по длине, для оценки размера фрагментов ДНК и РНК или для разделения белков по заряду. [1]
Молекулы нуклеиновых кислот разделяются путем приложения электрического поля для перемещения отрицательно заряженных молекул через матрицу агарозы или других веществ. Более короткие молекулы движутся быстрее и мигрируют дальше, чем длинные, потому что более короткие молекулы легче мигрируют через поры геля. Это явление называется просеиванием. [2] Белки разделяются по заряду в агарозе, потому что поры геля слишком велики для просеивания белков. Гель-электрофорез также может быть использован для разделения наночастиц .
Гель-электрофорез использует гель в качестве антиконвективной среды или просеивающей среды во время электрофореза, движения заряженной частицы в электрическом токе. Гели подавляют тепловую конвекцию, вызванную приложением электрического поля, а также могут действовать как просеивающая среда, замедляя прохождение молекул; гели также могут просто служить для поддержания готового разделения, чтобы можно было нанести постэлектрофорезное окрашивание. [3] Электрофорез ДНК-геля обычно проводится в аналитических целях, часто после амплификации ДНК с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), но может использоваться в качестве препаративной методики перед использованием других методов, таких как масс-спектрометрия , ПДРФ , ПЦР, клонирование , секвенирование ДНК или Саузерн-блоттинг для дальнейшей характеристики.
Электрофорез — это процесс, позволяющий сортировать молекулы по заряду, размеру или форме. Используя электрическое поле, можно заставить молекулы (например, ДНК) двигаться через гель, сделанный из агарозы или полиакриламида . Электрическое поле состоит из отрицательного заряда на одном конце, который проталкивает молекулы через гель, и положительного заряда на другом конце, который протягивает молекулы через гель. Сортируемые молекулы распределяются по углублению в гелевом материале. Гель помещается в камеру для электрофореза, которая затем подключается к источнику питания. При приложении электрического поля более крупные молекулы движутся медленнее через гель, в то время как более мелкие молекулы движутся быстрее. Молекулы разного размера образуют отдельные полосы на геле. [4]
Термин « гель » в данном случае относится к матрице, используемой для содержания, а затем разделения целевых молекул. В большинстве случаев гель представляет собой сшитый полимер , состав и пористость которого выбираются на основе удельного веса и состава анализируемой мишени. При разделении белков или небольших нуклеиновых кислот ( ДНК , РНК или олигонуклеотидов ) гель обычно состоит из различных концентраций акриламида и сшивающего агента , что приводит к образованию сетей полиакриламида разного размера. При разделении более крупных нуклеиновых кислот (более нескольких сотен оснований ) предпочтительной матрицей является очищенная агароза. В обоих случаях гель образует твердую, но пористую матрицу. Акриламид, в отличие от полиакриламида, является нейротоксином и должен обрабатываться с соблюдением соответствующих мер предосторожности, чтобы избежать отравления. Агароза состоит из длинных неразветвленных цепей незаряженных углеводов без поперечных связей, что приводит к образованию геля с большими порами, что позволяет разделять макромолекулы и макромолекулярные комплексы . [5]
Электрофорез относится к электродвижущей силе (ЭДС), которая используется для перемещения молекул через гелевую матрицу. Помещая молекулы в углубления в геле и прикладывая электрическое поле, молекулы будут перемещаться через матрицу с разной скоростью, определяемой в основном их массой, когда отношение заряда к массе (Z) всех видов однородно. Однако, когда заряды не все однородны, электрическое поле, создаваемое процедурой электрофореза, заставит молекулы мигрировать по-разному в соответствии с зарядом. Виды, которые имеют чистый положительный заряд, будут мигрировать к катоду, который заряжен отрицательно (потому что это электролитический, а не гальванический элемент ), тогда как виды, которые имеют чистый отрицательный заряд, будут мигрировать к положительно заряженному аноду. Масса остается фактором скорости, с которой эти неравномерно заряженные молекулы мигрируют через матрицу к своим соответствующим электродам. [6]
Если несколько образцов были загружены в соседние лунки в геле, они будут проходить параллельно на отдельных дорожках. В зависимости от количества различных молекул каждая дорожка показывает разделение компонентов исходной смеси в виде одной или нескольких отдельных полос, по одной полосе на компонент. Неполное разделение компонентов может привести к перекрывающимся полосам или неразличимым размазываниям, представляющим несколько неразделенных компонентов. [ необходима цитата ] Полосы на разных дорожках, которые оказываются на одном и том же расстоянии от верха, содержат молекулы, которые прошли через гель с одинаковой скоростью, что обычно означает, что они примерно одного размера. Существуют маркеры размера молекулярной массы , которые содержат смесь молекул известных размеров. Если такой маркер был запущен на одной дорожке в геле параллельно неизвестным образцам, наблюдаемые полосы можно сравнить с полосами неизвестных, чтобы определить их размер. Расстояние, пройденное полосой, приблизительно обратно пропорционально логарифму размера молекулы (иначе это можно сформулировать так: пройденное расстояние обратно пропорционально логарифму молекулярной массы образца). [7]
Существуют ограничения для электрофоретических методов. Поскольку прохождение тока через гель вызывает нагревание, гели могут плавиться во время электрофореза. Электрофорез проводится в буферных растворах для уменьшения изменений pH из-за электрического поля, что важно, поскольку заряд ДНК и РНК зависит от pH, но слишком долгое проведение может исчерпать буферную емкость раствора. Существуют также ограничения при определении молекулярной массы с помощью SDS-PAGE, особенно при попытке найти MW неизвестного белка. Некоторые биологические переменные трудно или невозможно минимизировать, и они могут влиять на электрофоретическую миграцию. К таким факторам относятся структура белка, посттрансляционные модификации и аминокислотный состав. Например, тропомиозин является кислым белком, который аномально мигрирует в гелях SDS-PAGE. Это происходит потому, что кислотные остатки отталкиваются отрицательно заряженным SDS, что приводит к неточному соотношению массы к заряду и миграции. [8] Кроме того, различные препараты генетического материала могут не мигрировать последовательно друг с другом по морфологическим или другим причинам.
Типы гелей, которые чаще всего используются, — это агарозные и полиакриламидные гели. Каждый тип геля хорошо подходит для различных типов и размеров аналита. Полиакриламидные гели обычно используются для белков и имеют очень высокую разрешающую способность для небольших фрагментов ДНК (5-500 п.н.). Агарозные гели, с другой стороны, имеют более низкую разрешающую способность для ДНК, но имеют больший диапазон разделения, и поэтому используются для фрагментов ДНК размером обычно 50-20 000 п.н., но разрешение более 6 Мб возможно с помощью электрофореза в импульсном поле (PFGE). [9] Полиакриламидные гели работают в вертикальной конфигурации, в то время как агарозные гели обычно работают горизонтально в подводном режиме. Они также отличаются по своей методологии литья, поскольку агароза застывает под воздействием температуры, тогда как полиакриламид образуется в результате химической реакции полимеризации.
Агарозные гели изготавливаются из природных полисахаридных полимеров , извлеченных из морских водорослей . Агарозные гели легко отливать и обрабатывать по сравнению с другими матрицами, поскольку застывание геля представляет собой физическое, а не химическое изменение. Образцы также легко извлекаются. После завершения эксперимента полученный гель можно хранить в пластиковом пакете в холодильнике.
Агарозные гели не имеют однородного размера пор, но оптимальны для электрофореза белков, которые больше 200 кДа. [10] Электрофорез в агарозном геле также может быть использован для разделения фрагментов ДНК размером от 50 пар оснований до нескольких мегабаз (миллионов оснований), [11] для самых больших из которых требуется специализированное оборудование. Расстояние между полосами ДНК разной длины зависит от процента агарозы в геле, причем более высокие проценты требуют более длительного времени работы, иногда дней. Вместо этого гели с высоким процентом агарозы следует использовать с электрофорезом в импульсном поле (PFE) или электрофорезом с инверсией поля.
«Большинство агарозных гелей изготавливаются с использованием от 0,7% (хорошее разделение или разрешение больших фрагментов ДНК размером 5–10 кб) до 2% (хорошее разрешение для небольших фрагментов размером 0,2–1 кб) агарозы, растворенной в буфере для электрофореза. Для разделения очень маленьких фрагментов можно использовать до 3%, но в этом случае более подходящим является вертикальный полиакриламидный гель. Гели с низким процентным содержанием очень слабы и могут сломаться, когда вы пытаетесь их поднять. Гели с высоким процентным содержанием часто хрупкие и не застывают равномерно. 1%-ные гели широко используются во многих областях применения». [12]
Электрофорез в полиакриламидном геле (ПААГ) используется для разделения белков размером от 5 до 2000 кДа благодаря равномерному размеру пор, обеспечиваемому полиакриламидным гелем. Размер пор контролируется путем модуляции концентраций акриламида и бис-акриламидного порошка, используемых при создании геля. При создании этого типа геля необходимо соблюдать осторожность, поскольку акриламид является мощным нейротоксином в жидкой и порошкообразной формах.
Традиционные методы секвенирования ДНК, такие как методы Максама-Гилберта или Сэнгера, использовали полиакриламидные гели для разделения фрагментов ДНК, отличающихся по длине на одну пару оснований, чтобы последовательность могла быть прочитана. Большинство современных методов разделения ДНК теперь используют агарозные гели, за исключением особенно небольших фрагментов ДНК. В настоящее время он чаще всего используется в области иммунологии и анализа белков, часто используется для разделения различных белков или изоформ одного и того же белка на отдельные полосы. Их можно перенести на нитроцеллюлозную или PVDF- мембрану для зондирования антителами и соответствующими маркерами, например, в вестерн-блоте .
Обычно разделяющие гели изготавливаются в 6%, 8%, 10%, 12% или 15%. Накопительный гель (5%) заливается поверх разделяющего геля и вставляется гелевый гребень (который формирует лунки и определяет дорожки, где будут размещены белки, буфер образца и лестницы). Выбранный процент зависит от размера белка, который требуется идентифицировать или исследовать в образце. Чем меньше известный вес, тем выше процент, который следует использовать. Изменения в буферной системе геля могут помочь в дальнейшем разделении белков очень малых размеров. [13]
Частично гидролизованный картофельный крахмал является еще одной нетоксичной средой для электрофореза белков. Гели немного более непрозрачны, чем акриламид или агароза. Неденатурированные белки можно разделить по заряду и размеру. Их визуализируют с помощью окрашивания нафталем черным или амидо черным. Типичные концентрации крахмального геля составляют от 5% до 10%. [14] [15] [16]
Денатурирующие гели работают в условиях, которые нарушают естественную структуру аналита, заставляя его разворачиваться в линейную цепь. Таким образом, подвижность каждой макромолекулы зависит только от ее линейной длины и отношения массы к заряду. Таким образом, вторичный, третичный и четвертичный уровни биомолекулярной структуры нарушаются, оставляя для анализа только первичную структуру.
Нуклеиновые кислоты часто денатурируют, включая мочевину в буфер, в то время как белки денатурируют с использованием додецилсульфата натрия , обычно как часть процесса SDS-PAGE . Для полной денатурации белков также необходимо восстановить ковалентные дисульфидные связи , которые стабилизируют их третичную и четвертичную структуру , метод, называемый восстанавливающим PAGE. Восстанавливающие условия обычно поддерживаются добавлением бета-меркаптоэтанола или дитиотреитола . Для общего анализа образцов белков восстанавливающий PAGE является наиболее распространенной формой электрофореза белков .
Денатурирующие условия необходимы для правильной оценки молекулярной массы РНК. РНК способна образовывать больше внутримолекулярных взаимодействий, чем ДНК, что может привести к изменению ее электрофоретической подвижности . Мочевина , ДМСО и глиоксаль являются наиболее часто используемыми денатурирующими агентами для нарушения структуры РНК. Первоначально для денатурирующего электрофореза РНК часто использовался высокотоксичный гидроксид метилртути [17] , но для некоторых образцов он может быть методом выбора. [18]
Денатурирующий гель-электрофорез используется в методах, основанных на паттернах полос ДНК и РНК, электрофорезе в градиенте температуры (TGGE) [19] и электрофорезе в градиенте температуры (DGGE) [20] .
Нативные гели работают в неденатурирующих условиях, чтобы сохранить естественную структуру аналита. Это позволяет физическому размеру свернутого или собранного комплекса влиять на подвижность, что позволяет проводить анализ всех четырех уровней биомолекулярной структуры. Для биологических образцов детергенты используются только в той степени, в которой они необходимы для лизирования липидных мембран в клетке . Комплексы остаются — по большей части — связанными и свернутыми, как они были бы в клетке. Однако один недостаток заключается в том, что комплексы не могут разделяться чисто или предсказуемо, поскольку трудно предсказать, как форма и размер молекулы повлияют на ее подвижность. Рассмотрение и решение этой проблемы является основной целью препаративного нативного ПААГ .
В отличие от методов денатурации, нативный гель-электрофорез не использует заряженный денатурирующий агент. Поэтому разделяемые молекулы (обычно белки или нуклеиновые кислоты ) различаются не только по молекулярной массе и собственному заряду, но и по площади поперечного сечения, и, таким образом, испытывают различные электрофоретические силы в зависимости от формы общей структуры. Для белков, поскольку они остаются в нативном состоянии, их можно визуализировать не только с помощью общих реагентов для окрашивания белков, но и с помощью специфического окрашивания, связанного с ферментами.
Конкретным примером эксперимента применения нативного гель-электрофореза является проверка ферментативной активности для подтверждения наличия фермента в образце во время очистки белка. Например, для белка щелочной фосфатазы окрашивающий раствор представляет собой смесь соли 4-хлор-2-2-метилбензолдиазония с 3-фосфо-2-нафтойной кислотой-2'-4'-диметиланилином в трис-буфере. Этот краситель продается в продаже как набор для окрашивания гелей. Если белок присутствует, механизм реакции происходит в следующем порядке: он начинается с дефосфорилирования 3-фосфо-2-нафтойной кислоты-2'-4'-диметиланилина щелочной фосфатазой (для реакции необходима вода). Фосфатная группа высвобождается и заменяется спиртовой группой из воды. Электрофильный 4-хлор-2-2 метилбензолдиазоний (соль диазония Fast Red TR) замещает спиртовую группу, образуя конечный продукт — красный азокраситель. Как следует из названия, это конечный видимый красный продукт реакции. В студенческих академических экспериментах по очистке белков гель обычно запускают рядом с коммерческими очищенными образцами, чтобы визуализировать результаты и сделать вывод о том, была ли очистка успешной. [22]
Нативный гель-электрофорез обычно используется в протеомике и металломике . Однако нативный PAGE также используется для сканирования генов (ДНК) на предмет неизвестных мутаций, как в одноцепочечном конформационном полиморфизме .
Буферы в гель-электрофорезе используются для обеспечения ионов, переносящих ток, и для поддержания pH на относительно постоянном уровне. Эти буферы содержат много ионов, что необходимо для прохождения через них электричества. Что-то вроде дистиллированной воды или бензола содержит мало ионов, что не идеально для использования в электрофорезе. [23] Существует ряд буферов, используемых для электрофореза. Наиболее распространенными являются для нуклеиновых кислот трис/ацетат/ЭДТА (ТАЭ), трис/борат/ЭДТА (ТБЭ). Было предложено много других буферов, например, борат лития , который редко используется, на основе цитат Pubmed (LB), изоэлектрический гистидин, буферы с pK-соответствием и т. д.; в большинстве случаев предполагаемым обоснованием является более низкая подвижность ионов, соответствующая току (меньше тепла), что приводит к более длительному сроку службы буфера. Борат проблематичен; борат может полимеризоваться или взаимодействовать с цис-диолами, такими как те, что содержатся в РНК. TAE имеет самую низкую буферную емкость, но обеспечивает лучшее разрешение для более крупных ДНК. Это означает более низкое напряжение и больше времени, но лучший продукт. LB является относительно новым и неэффективен для разрешения фрагментов размером более 5 кбн; Однако с его низкой проводимостью можно использовать гораздо более высокое напряжение (до 35 В/см), что означает более короткое время анализа для рутинного электрофореза. Разница в размере всего одной пары оснований может быть разрешена в 3% агарозном геле с чрезвычайно низкой проводимостью (1 мМ литиевый борат). [24]
Большинство разделений белков SDS-PAGE выполняются с использованием «прерывистой» (или DISC) буферной системы , которая значительно повышает четкость полос в геле. Во время электрофореза в прерывистой гелевой системе на ранней стадии электрофореза образуется ионный градиент, который заставляет все белки фокусироваться на одной четкой полосе в процессе, называемом изотахофорезом . Разделение белков по размеру достигается в нижней, «разрешающей» области геля. Разрешающий гель обычно имеет гораздо меньший размер пор, что приводит к эффекту просеивания, который теперь определяет электрофоретическую подвижность белков.
После завершения электрофореза молекулы в геле можно окрасить , чтобы сделать их видимыми. ДНК можно визуализировать с помощью бромистого этидия , который при интеркалировании в ДНК флуоресцирует в ультрафиолетовом свете, в то время как белок можно визуализировать с помощью серебряного красителя или красителя Кумасси бриллиантовый синий . Также можно использовать другие методы для визуализации разделения компонентов смеси на геле. Если разделяемые молекулы содержат радиоактивность , например, в геле для секвенирования ДНК , можно записать авторадиограмму геля. Можно сделать фотографии гелей, часто с помощью системы Gel Doc . Затем гели обычно маркируются для презентаций и научных записей на популярном сайте по созданию фигур SciUGo.
После разделения можно использовать дополнительный метод разделения, например, изоэлектрическое фокусирование или SDS-PAGE . Затем гель будет физически разрезан, и белковые комплексы будут извлечены из каждой порции отдельно. Затем каждый экстракт может быть проанализирован, например, с помощью пептидного массового отпечатка пальцев или de novo пептидного секвенирования после переваривания в геле . Это может предоставить большой объем информации об идентичности белков в комплексе.
Электрофорез геля используется в судебной экспертизе , молекулярной биологии , генетике , микробиологии и биохимии . Результаты можно количественно проанализировать, визуализируя гель с помощью УФ-света и устройства для визуализации геля. Изображение записывается с помощью управляемой компьютером камеры, а интенсивность интересующей полосы или пятна измеряется и сравнивается со стандартом или маркерами, загруженными в тот же гель. Измерение и анализ в основном выполняются с помощью специализированного программного обеспечения.
В зависимости от типа проводимого анализа, в сочетании с результатами гель-электрофореза часто применяются и другие методы, что обеспечивает широкий спектр отраслевых применений.
В случае нуклеиновых кислот направление миграции от отрицательных электродов к положительным обусловлено естественным отрицательным зарядом, переносимым их сахаро - фосфатным остовом. [25]
Двухцепочечные фрагменты ДНК естественным образом ведут себя как длинные стержни, поэтому их миграция через гель зависит от их размера или, для циклических фрагментов, от их радиуса инерции . Кольцевая ДНК, такая как плазмиды , однако, может показывать несколько полос, скорость миграции может зависеть от того, расслаблена она или суперспирализована. Одноцепочечная ДНК или РНК имеет тенденцию складываться в молекулы со сложной формой и мигрировать через гель сложным образом на основе их третичной структуры. Поэтому агенты, которые разрушают водородные связи , такие как гидроксид натрия или формамид , используются для денатурации нуклеиновых кислот и заставляют их снова вести себя как длинные стержни. [26]
Электрофорез больших ДНК или РНК обычно выполняется с помощью электрофореза в агарозном геле. Пример геля для секвенирования ДНК в полиакриламиде см. на странице « метод обрыва цепи ». Характеристика посредством лигандного взаимодействия нуклеиновых кислот или фрагментов может быть выполнена с помощью электрофореза с изменением подвижности и сродства .
Электрофорез образцов РНК можно использовать для проверки геномной ДНК на наличие загрязнения, а также на деградацию РНК. РНК из эукариотических организмов показывает отчетливые полосы 28s и 18s рРНК, полоса 28s примерно в два раза интенсивнее полосы 18s. Деградированная РНК имеет менее четко определенные полосы, имеет размытый вид, а соотношение интенсивностей составляет менее 2:1.
Белки , в отличие от нуклеиновых кислот, могут иметь различные заряды и сложные формы, поэтому они могут не мигрировать в полиакриламидный гель с одинаковой скоростью или не все при помещении отрицательного на положительный ЭМП на образец. Поэтому белки обычно денатурируются в присутствии детергента , такого как додецилсульфат натрия (SDS), который покрывает белки отрицательным зарядом. [3] Как правило, количество связанного SDS зависит от размера белка (обычно 1,4 г SDS на грамм белка), так что полученные денатурированные белки имеют общий отрицательный заряд, и все белки имеют схожее отношение заряда к массе. Поскольку денатурированные белки действуют как длинные стержни, а не имеют сложную третичную форму, скорость, с которой полученные покрытые SDS белки мигрируют в геле, зависит только от их размера, а не от заряда или формы. [3]
Белки обычно анализируют с помощью электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия ( SDS-PAGE ), электрофореза в нативном геле , препаративного электрофореза в нативном геле ( QPNC-PAGE ) или двумерного электрофореза .
Характеристика через взаимодействие лигандов может быть выполнена с помощью электроблоттинга или аффинного электрофореза в агарозе или капиллярного электрофореза, как для оценки констант связывания и определения структурных особенностей, таких как содержание гликанов, посредством связывания лектина .
Новым применением гель-электрофореза является разделение или характеристика наночастиц металла или оксида металла (например, Au, Ag, ZnO, SiO2) относительно размера, формы или поверхностной химии наночастиц. [27] Целью является получение более однородного образца (например, более узкое распределение размеров частиц), который затем может быть использован в дальнейших продуктах/процессах (например, процессы самосборки). Для разделения наночастиц в геле ключевым параметром является отношение размера частицы к размеру ячейки, посредством чего были определены два механизма миграции: неограниченный механизм, где размер частицы << размер ячейки, и ограниченный механизм, где размер частицы аналогичен размеру ячейки. [28]
В книге Милана Бира об электрофорезе 1959 года приводятся ссылки из 1800-х годов. [33] Однако Оливер Смитис внес значительный вклад. Бир утверждает: «Метод Смитиса... находит широкое применение благодаря своей уникальной разделительной способности». Взятый в контексте, Бир ясно подразумевает, что метод Смитиса является улучшением.