Ученые из Университета Твенте разработали микрофлюидный чип, способный разделять фрагменты ДНК по длине за несколько минут, в отличие от широко распространенного электрофорезного метода, требующего для этого несколько часов. Помимо скорости, представленный метод гораздо дешевле и проще, чем электрофорез. Эта технология может значительно ускорить исследования и коммерческие применения в области генетики. Исследование опубликовано в журнале Microsystems and Nano Engineering.

Во многих генетических процессах ДНК разбивают на фрагменты длиной порядка нескольких тысяч нуклеотидов. Для того, чтобы разделить их между собой и упорядочить по длине, как правило применяется электрофорез, который можно представить следующим образом. Сначала готовится гель с агарозой, который помещается в специальную камеру с электродами на концах. В край камеры помещается образец с фрагментами ДНК разной длины и флуоресцентным красителем для визуализации. Поскольку молекулы ДНК заряжены отрицательно, под действием электрического поля они начинают двигаться от катода к аноду. Метод основан на том, что в зависимости от длины фрагменты продвигаются по гелю с разной скоростью, потому что более длинные фрагменты сильнее тормозятся гелем. Благодаря этому, в конце процесса ученые получают несколько полосок в геле, в каждой из которых сконцентрированы фрагменты схожей длины, упорядоченные по длине.

Микрофлюидный чип, использованный в работе. Burcu Gumuscu et al. / Microsystems and Nano Engineering, 2017

Главной проблемой этого метода является время разделения, занимающее несколько часов или даже десятков часов для длинных фрагментов. Ученые решили эту проблему с помощью нового микрофлюидного чипа. Он состоял из камеры с гелем и массива примыкающих к ней каналов шириной в 50 микрометров. Различие метода с классическим электрофорезом состоит в том, что в нем используется не только зависимость движения фрагментов молекул ДНК от их размера и силы поля, но и зависимость скорости их переориентации при изменении направления поля от размера.

Схема микрофлюидного чипа. Burcu Gumuscu et al. / Microsystems and Nano Engineering, 2017

Ученые создавали два переменных электрических поля разной напряженности в перпендикулярных направлениях. Соотношение величины напряженности продольного электрического поля с перпендикулярным варьировалось от 2,4 до 3. Исследователи подобрали такую частоту переменного поля, что молекулы ориентировались и двигались в целом в продольном направлении, но не прямолинейно, а по траектории, напоминающей зигзаг, причем более короткие и легкие молекулы больше отклонялись от траектории. Таким образом, на выходе фрагменты разной длины, которая варьировалась от 500 до 10 тысяч нуклеотидных оснований, попадали в разные каналы, соответствующие фрагментам с разным количеством нуклеотидов.

Микрофотография процесса разделения фрагментов ДНК по размеру. Burcu Gumuscu et al. / Microsystems and Nano Engineering, 2017

Схема работы метода. Более длинные фрагменты меньше отклоняются за счет перпендикулярного поля. Burcu Gumuscu et al. / Microsystems and Nano Engineering, 2017

Метод позволяет производить разделение фрагментов ДНК всего за несколько минут вместо часов, необходимых для обычного электрофореза. Также он позволяет отделить молекулы ДНК от сопутствующих им веществ, получаемых в процессе подготовки и выделения фрагментов ДНК.

Больше о технологиях, позволяющих читать ДНК можно прочитать в нашем материале «Секвенируй это».

Автор: Григорий Копиев