Как работают наборы для выделения ДНК

В наши дни большинство лабораторий используют коммерческие наборы для выделения ДНК, в которых используются спин-колонки, для выделения ДНК и РНК, которые содержат кремнеземную смолу, избирательно связывающую нуклеиновые кислоты, в зависимости от факторов, влияющих на метод экстракции. Наборы для выделения ДНК делают весь процесс намного проще и быстрее, чем старые методы, но недостатком их использования является то, что если вы не понимаете, что находится в черном ящике набора, он делает поиск проблем и ошибок намного сложнее.

Итак, в этой статье я подробно объясню, как работают наборы для извлечения НК и что происходит на каждом этапе, а также о некоторых типичных проблемах, связанных с использованием колонок с силикагелем в экстракции ДНК, которые можно преодолеть или избежать, лишь немного разобравшись.

Первый шаг в экстракции РНК и ДНК: лизис

Формулы лизиса могут варьироваться в зависимости от того, хотите ли вы извлечь ДНК или РНК, но общим знаменателем является лизирующий буфер, содержащий высокую концентрацию хаотропной соли. Хаотропы дестабилизируют водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные взаимодействия. Белки дестабилизируются, в том числе нуклеазы, нарушается связь нуклеиновых кислот с водой, что создает условия для перехода к кремнию. Хаотропные соли включают гуанидин HCl, гуанидинтиоцианат, мочевину и перхлорат лития.

Помимо хаотропов, в буфере для лизиса обычно есть детергенты, которые улучшают солюбилизациею и лизис белка. Также могут быть ферменты, используемые для лизиса, в зависимости от типа образцов. Протеиназа К является одним из них и на самом деле очень хорошо работает в этих денатурирующих буферах; чем больше денатурирован белок, тем лучше работает протеиназа К. Лизоцим не работает при денатурировании, и поэтому обработку лизоцимом обычно проводят перед добавлением денатурирующих солей.

Один комментарий о плазмидных препаратах: лизис сильно отличается от экстракции для выделения РНК или геномной ДНК, потому что плазмида должна быть сначала отделена от геномной ДНК, и если вы добавите хаотропы, вы высвободите все сразу и не будете иметь возможность отделить маленькую кольцевую ДНК от высокомолекулярной хромосомы. Таким образом, в плазмидных препаратах хаотропы не добавляются до тех пор, пока не происходит лизис, и соли не используются для связывания.

После извлечения ДНК происходит очистка: связывание ДНК с колонкой

Хаотропные соли имеют решающее значение для лизиса, а также для связывания нуклеиновых кислот с колонкой. Кроме того, для усиления и влияния на связывание нуклеиновых кислот с диоксидом кремния также добавляют спирт. В большинстве случаев это этанол, реже — изопропанол. Процент этанола и объем имеет большое значение.  Слишком много, и вы получите много разложившихся нуклеиновых кислот и мелких частиц, которые будут влиять на показания поглощения света и снижать выход эксперимента. Слишком мало – возникнут при смывании всей соли с мембраны. Важным моментом здесь является то, что этанол влияет на связывание, и добавленное количество оптимизируется для любого набора, который вы используете. Изменение этого шага может помочь изменить то, что вы восстанавливаете, поэтому, если у вас возникли проблемы и вы хотите устранить неполадки восстановления, это может быть шагом для дальнейшей оценки.

Еще один способ диагностики проблем — сохранить поток после связывания и ускорить его, чтобы увидеть, можете ли вы найти искомые нуклеиновые кислоты. Если вы использовали SDS-содержащее моющее средство при лизисе, попробуйте использовать NaCl в качестве осадителя, чтобы избежать загрязнения ДНК или РНК моющим средством.

Отмывка ДНК (или РНК)

Ваш лизат был центрифугирован через силикагелевую мембрану, и теперь ваша экстрагированная ДНК или РНК должна быть связана с колонкой, а примеси, белок и полисахариды должны были пройти. Но мембрана все еще загрязнена остаточными белками и солью. Если образец был взят из растений, на мембране все еще будут присутствовать полисахариды, возможно, некоторые пигменты.

Этапы промывки служат для удаления этих примесей. Обычно есть две промывки, хотя это может варьироваться в зависимости от типа образца. Первая промывка часто содержит небольшое количество хаотропной соли для удаления белка и цветных загрязнений. За этим всегда следует промывка этанолом для удаления солей. Если в препарате недостаточно белка для начала, (плазмидные препараты или очистка продуктов Полимеразная цепная реакция), тогда необходима только промывка этанолом.

Удаление хаотропных солей имеет решающее значение для получения высоких выходов и чистоты нуклеиновых кислот. Некоторые наборы даже дважды промывают колонку этанолом. Если соль останется, элюирование нуклеиновой кислоты будет плохим, и показание A230 (поглощение света с длиной волны 230 нм) будет высоким, что приведет к низким отношениям 260/230. Для ДНК и РНК, не содержащих этанол, вам нужна сухая колонка. После промывки этанолом большинство протоколов имеют стадию центрифугирования для высушивания колонки. Это необходимо для удаления этанола и важно для чистого элюента. Когда для элюирования на мембрану наносят 10 мМ Трис-буфера или воду, нуклеиновые кислоты могут гидратироваться и высвобождаться из мембраны. Если в колонке все еще есть этанол, то нуклеиновые кислоты не могут быть полностью регидратированы.

Пропуск этапа сушки приводит к загрязнению этанолом и низким выходам. Если вы не видете абсорбции этанола на Nanodrop, то он не будет отображаться в ваших показаниях. Основные признаки проблемы состоят в том, что при попытке загрузить образец в агарозный гель ДНК не утонет. Даже при наличии красителя. Другим показателем является то, что если вы поместите образец в -20°C, он не замерзнет.

Экстракция РНК и ДНК, последний рубеж: элюция

Последним этапом в протоколе экстракции ДНК является освобождение чистой ДНК или РНК из силикагеля.

Для приготовления ДНК обычно используют 10 мМ Трис при рН 8-9. ДНК более стабильна при слегка щелочном pH и быстрее растворяется в буфере. И это применимо также для гранул ДНК. Вода имеет тенденцию иметь низкий pH, так как 4-5 и высокомолекулярная ДНК могут не полностью регидратироваться за короткое время, используемое для элюции. Элюция ДНК может быть максимизирована, если позволить буферу сидеть в мембране в течение нескольких минут перед центрифугированием.

РНК элюируется хорошо при слегка кислом pH, и поэтому вода является предпочтительным разбавителем. РНК легко растворяется в воде.

Что еще может пойти не так?

Низкий выход: если выход ДНК/РНК ниже, чем вы ожидали для образца, есть много факторов, которые стоит проанализировать. Обычно это проблема лизиса — неполный лизис является основной причиной низкого выхода. Это также может быть вызвано неправильными условиями связывания. Обязательно используйте свежий высококачественный этанол для разбавления буферов или для добавления на стадии связывания. Возможно, этанол низкого качества или в старые запасы попала вода и они имеют неправильную концентрацию. Если буфер для промывки сделан неправильно, возможно, вы смываете извлеченную ДНК или РНК.

Низкая чистота: если извлеченная ДНК загрязнена белком (низкое соотношение  260/280), возможно, вы начали с слишком большого количества образца, и белок не был полностью удален или растворен. Если ДНК имеет плохое отношение 260/230, проблема обычно заключается в соли из связующего или промывочного буфера. Убедитесь, что этанол высочайшего качества использовался для приготовления промывочных буферов, и, если проблема не исчезнет, ​​дайте колонке дополнительную промывку.

Некоторые образцы имеют гораздо больше ингибиторов по сравнению с другими. Образцы окружающей среды особенно подвержены проблемам с чистотой, потому что гуминовые вещества растворяются во время экстракции. Хьюмик ведет себя подобно ДНК и его трудно удалить из колонки с диоксидом кремния. Для этого типа образца  существуют специальные методы для удаления белка и гуминов перед стадией колонки.

Деградация:  В основном при экстракции РНК деградация происходит из-за неправильного хранения образца или неэффективного лизиса, при условии что вы элюировали водой без РНКазы. Для экстракции ДНК деградация не является большой проблемой, потому что для ПЦР ДНК можно разрезать, и она работает нормально. Но если вы надеялись не иметь слишком много сдвинутой ДНК, возможно, вы использовали слишком сильный метод лизиса.

Особые замечания по очистке для ПЦР: Очистка продуктов ПЦР сама по себе не является методом выделения ДНК, но это приятный и простой метод, потому что это просто добавление высокой концентрации связывающих солей (обычно между 3-5 объемами соли на объемы реакции) и центрифугирование через колонку. Поэтому, когда наборы для очистки ПЦР выходят из строя, это может быть особенно неприятно. Первый вопрос, который я задаю людям: «Вы проверили результаты ПЦР на геле?», Потому что вы не можете проверить реакцию ПЦР в УФ-свете и получить точные показания. В 260-й реакции ПЦР поглощается слишком много ультрафиолетового излучения: нуклеотиды, детергенты, соли и праймеры. По моему опыту, отказ комплекта для очистки ПЦР работать часто вызван неудачной реакцией. Но если вы знаете, что у вас был сильный продукт ПЦР, Наилучший подход — просто сохранить свою долю потока после связывания. Если ДНК не связывается, вот где она. Вы всегда можете спасти его, а затем очистить снова. А затем позвоните в техподдержку и попросите заменить комплект.

Как ученые, конечно, мы хотим точно знать, что происходит с нашими экспериментами, и иметь возможность устранять неполадки, не обращаясь в службу технической поддержки.

Я надеюсь, что эта статья поможет прояснить некоторые научные аспекты метода спин-фильтрации с силикагелем для экстракции РНК и ДНК, чтобы вы могли самостоятельно поставить диагноз и исправить его. Таким образом, когда вы звоните в службу технической поддержки, вы сначала дважды проверили несколько наиболее вероятных причин проблем, и вместо того, чтобы пройти через множество ошибок, вы сможете быстрее найти решение. Даже если это бесплатный набор для замены ДНК!