Микрофлюидный чип на порядок ускорит разделение фрагментов ДНК

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. Кроме того, 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 в несколько тысяч нуклеотидов. Для того чтобы отсортировать и упорядочить их по длине, как правило применяется электрофорез. Этот процесс можно представить следующим образом. Сначала готовится гель с агарозой, который помещается в специальную камеру с электродами на концах. На краю камеры размещается 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 фрагменты, в зависимости от своей длины, 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.

Главной проблемой этого метода является время сортировки, занимающее несколько часов или даже десятков часов для длинных фрагментов. Ученые решили эту проблему с помощью нового микрофлюидного чипа. Он состоит из камеры с гелем и массива примыкающих к ней каналов шириной в 50 микрометров. Отличие такого метода от классического электрофореза 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.

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.

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».

Григорий Копиев