DNA片段也会“游泳”!一起了解核酸检测技术

摘要:北京时间20191208关于【DNA片段也会“游泳”!一起了解核酸检测技术】的具体情况和说明,让www.bj-sanyo.cn新闻频道的以图文形式为您慢慢道来。

还记得在初中的生物书上,有一位名叫孟德尔的科学家通过豌豆杂交,发现了遗传规律。

在随后的一个世纪里,科学家们都在追踪人体遗传的奥秘——遗传物质究竟是什么?

从第一次分离出核酸,到发现DNA的存在,并进一步证实DNA是遗传物质,再到60年后克里克和沃森发现DNA双螺旋结构,科学家们终于开启了分子生物学的新时代。

那么在如今的分子生物学研究中,当遇到不同的DNA片段时,我们可以通过什么方法对这些DNA片段进行区分呢?

目前科学家们发明的检测技术有很多,例如荧光溶解曲线分析、高效液相色谱分析等等,其中有一种非常基础但高效便捷的方法,那就是让DNA片段比赛“游泳”,也就是最经典的电泳法。

电泳法是怎么让DNA片段们“游”起来呢?一起来了解一下吧~

什么是DNA?

DNA这三个字母在日常生活中已经不再陌生,但很多人可能都未听说过它的全名:Deoxyribonucleic acid (脱氧核糖核酸),英文的缩写即为DNA。

它是一种长链聚合物,参与聚合的每个基本的小单位叫脱氧核糖核苷酸,每一个脱氧核糖核苷酸都由三个部分组成,即磷酸(蓝色方块)、脱氧核糖五碳糖(灰色五角形)、含氮碱基(不同颜色六边形)。

不同类型的脱氧核糖核苷酸形成的DNA链

不同的脱氧核糖核苷酸小单位通过脱氧核糖五碳糖与磷酸间形成的酯键相连,第一位脱氧核糖核苷酸的脱氧核糖五碳糖会结合第二位脱氧核糖核苷酸的磷酸,第二位脱氧核糖核苷酸的脱氧核糖五碳糖再结合第三位脱氧核糖核苷酸的磷酸。(怎么有点晕......简单来说就是1的灰色五角形与2的蓝色方块结合,2的灰色五角形再与3的蓝色方块结合)

这样以此类推,脱氧核糖核苷酸们一个串一个,就组成DNA长链的骨架。

同时,每个脱氧核糖单位都会与某一种碱基相连,组成生物界DNA的碱基有四种,分别称为A、T、C、G,这些碱基沿着DNA长链排列。人类身体的所有的遗传奥秘就蕴藏在这四个字母的排列组合中,排列后形成的序列就是我们常说的遗传信息。

但DNA中存在着大量的冗余信息,真正与遗传相关的只是DNA上零零散散的一些片段,这些DNA片段被称为基因。

通常不同基因所包含的脱氧核苷酸数量是不同的,这也就意味着不同基因的DNA片段长度不同。因此,大多数情况下,如果区分出了DNA片段的长度,我们就能间接推测出它是哪种基因,也就了解了与遗传相关的信息。DNA“游泳”的驱动力—电场

在用于给DNA片段“竞赛”的“泳池”中,装的并不是普通的蒸馏水,而是一种名为TAE(Tris base三羟基氨基甲烷+acetic acid乙酸+EDTA)的缓冲液。

这种缓冲液的pH值相对于DNA分子来说非常高,而核酸DNA片段在pH值如此高的溶液中就会带上负电。因此,DNA分子一旦“入水”就会浑身带上负电。

常见的电泳槽(红色为阳极,黑色为阴极)

此时,如果我们在“泳池”的两端施加一定大小的电压,DNA就会在电场力的带动下向正极方向移动,满身负电的DNA长链片段就获得了“游泳”的动力。

人们把溶液中带电荷的微粒在电场中的取向运动形象地称为电泳。

不过,缓冲液对不同长度DNA分子片段的阻碍作用几乎是一样的。这意味着,在这场“游泳比赛”中,几乎所有DNA分子都是并列第一,无法进行分辨。

因此,科学家们又在“泳池上”下了文章,建造了更为特殊的泳池——琼脂糖凝胶。不一般的“泳池”:琼脂糖障碍赛

琼脂糖是一种从海藻中提取出来的线状高聚物,呈白色粉末状。

制作琼脂糖凝胶时,首先需取一些琼脂糖加入缓冲液中,加热使其溶解成一种清澈、透明的胶状液体,趁热倒入胶模中,并在其一端插进一把“梳子”。

经冷却,胶体凝固成一种固体基质。此时,缓慢地拔出梳子,凝胶就会形成一排小孔,用于放入混有不同长度DNA分子片段的缓冲液,这里就是DNA片段分子的“起跑处”了。

DNA样品被缓缓地加入琼脂糖凝胶中 (为方便观察样液被染成蓝色)

这时的琼脂糖凝胶看起来就像一块大“果冻”一样,但是这个“果冻”的内部可不一般,它会形成重重叠叠的线性凝胶网孔,就像训练士兵的障碍跑道一样,布满了天罗地网。

不同大小DNA分子在琼脂糖电泳中逐渐分开的过程

这样一来,长链的DNA片段分子想要钻过这重重的网孔,势必会比短链的DNA片段分子花费更长的时间。

人们利用这种“障碍赛”的形式,可以很轻松地区分不同长度的DNA片段。

如果某种DNA片段在一定时间内游得更远,说明凝胶对它的阻碍作用越小,该种DNA片段的长度就越短。反之,如果某种DNA片段在一定时间内游得很近,则说明它的长度很长。

于是,通过长短的不同,人们就可以区分出不同种类的DNA片段了。

DNA片段电泳的原理示意图

我们还可以通过调整琼脂糖的浓度给这场“障碍赛”设置不同的难度等级,用于分离不同分子量的核酸DNA片段。

当我们调高琼脂糖的浓度时,长链的DNA片段在更加细密的网格中将会“寸步难行”,而短链DNA片段之间的小小的“游速”差异将会被放大,变得更加明显。

这就仿佛一场高难度的比赛,大部分的普通人(长链DNA)都直接被拦在了入口,只剩下“高手”(短链DNA)间的较量。

同理,如果我们降低琼脂糖的浓度,相当于降低了比赛的难度,“高手”们将个个都是满分,短链DNA间的差距会缩小乃至变得无法区分,而长链DNA间的差距会更为明显。

因此,在真正的研究中,一般都会先根据DNA片段的预估大小,选择合适的琼脂糖浓度,之后再制胶进行电泳比赛的裁判—Marker

除了让未知大小的DNA片段们加入这场电泳“比赛”,为了在电泳完成后更精确地判断DNA分子的大小,“比赛”中还会随行一位“裁判”,它被称为Marker,也就是标记物。

它是由一连串已知大小的DNA片段序列混合在一起组成的,也就意味着,这个小孔里加入的DNA片段分子,有各种各样的长度,它们会在电场的作用下,前进到不同的位置,这时横向对比这些标记物,就可以大致推算出未知样品中DNA链的大致长度。

不同染料会在紫外线下呈现出不同的颜色

(两边的泳道即为含有多种分子量的标记物Marker)

在电泳完成后,还需要最后一步,就是如何才能观察到这些无色又微小DNA片段分子呢?奥秘也在于这个“泳池”中。

在制作琼脂糖凝胶未凝固时,还需要在里面加入一种荧光染料。这种染料会嵌合在DNA片段分子上,并在紫外光的照射下发出荧光。

在电泳完成后,需要将琼脂糖整块放入暗室中,打开紫外灯观察,此时在有DNA分子停留的位置上,就会显示有淡淡的荧光。

经过这一场小小的“游泳”比赛后,不同大小的核酸DNA片段就会乖乖地分开,研究者们根据得到的信息就可以进一步进行相关研究。

核酸电泳是进行核酸DNA片段研究的重要手段,它不仅可以分析脱氧核糖核酸DNA,同时它也能分析核糖核酸RNA(核糖核酸)。

核酸电泳也是核酸探针、核酸扩增和序列分析等新技术中不可或缺的一部分。

虽然现在出现了越来越多的科技含量更高的分析核酸DNA的方法,但是核酸电泳凭借自身的便捷性与相对低廉的成本,它都将是短时间内不可取代的DNA分析手段呢!


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