Genomický výzkum usnadněný sonikací
Genomický výzkum způsobil revoluci v našem chápání biologických systémů a umožnil objasnit složité genetické mechanismy, které jsou základem různých onemocnění a znaků. Sonikace, technika původně vyvinutá k narušování buněčných membrán, nalezla v genomickém výzkumu široké uplatnění. Tento článek poskytuje přehled využití sonikace v genomických studiích, včetně izolace a fragmentace DNA, imunoprecipitace chromatinu (ChIP) a přípravy knihoven pro sekvenování nové generace. Tento článek poskytuje přehled principů, metodik a aplikací sonikace v genomickém výzkumu a představí vám nejvhodnější sonikátory pro genomický výzkum.
Sonikátory v genomickém výzkumu
Genomický výzkum zaznamenal v posledních desetiletích pozoruhodný pokrok, poháněný vývojem vysokokapacitních sekvenačních technologií a inovativních experimentálních metodik. Tento pokrok umožnil komplexní analýzu genomů, epigenomů a transkriptomů a poskytl vhled do genetického základu onemocnění, evoluce a fenotypové variability.
Sonikace, mechanický proces využívající fyzikální síly ultrazvuku k narušení molekulárních struktur, se stala všestranným nástrojem genomického výzkumu. Sonikace je zavedená technika používaná k fragmentaci DNA, stříhání chromatinu a přípravě knihoven pro NGS.
Aplikace sonikace v genomickém výzkumu
Sonikace se u biologických vzorků používá k přípravě vzorků před testy, analýzou nebo v rámci přípravy na další navazující procesy. Mezi nejběžnější aplikace přípravy vzorků pomocí sonikace patří:
Sonikace se využívá k přesné fragmentaci genomové DNA a umožňuje vytvářet fragmenty DNA požadované velikosti pro různé navazující aplikace, včetně PCR, klonování a Southern blottingu. Sonikace nabízí oproti enzymatickým metodám výhody, protože umožňuje flexibilní kontrolu velikosti a distribuce fragmentů. Vysokokapacitní příprava vzorků s destičkovým sonikátorem UIP400MTP zefektivňuje zpracování velkého počtu vzorků.
Přečtěte si více o ultrazvukové fragmentaci DNA a fragmentaci plazmidů!
Přečtěte si více o využití sonikace pro sekvenování nové generace!
Sonikátor VialTweeter pro současnou přípravu vzorků ve více lahvičkách
Jak vybrat nejlepší sonikátor pro můj výzkum související s DNA?
Termín „sonikace“ se používá pro různé způsoby aplikace ultrazvuku. Nejrozšířenějšími metodami jsou ultrazvuková lázeň a sonikátor sondového typu. Níže zjistíte, proč správná volba sonikátoru zlepší kvalitu a validitu výsledků vašeho výzkumu.
Seznamte se s rozdíly mezi různými modely ultrazvukových přístrojů, jejich výhodami a omezeními. Zde se podrobně podíváme na nejpoužívanější modely sonikátorů pro genomický výzkum.
Sonikace v lázni: Proč vám sonikátory lázňového typu poskytují nespolehlivé a nereprodukovatelné výsledky? Genomické vzorky se umístí do vodní lázně vybavené několika ultrazvukovými měniči připevněnými ke dnu vodní nádrže. Místa akustické kavitace vznikají v nádrži velmi nerovnoměrně a neposkytují konzistentní ultrazvukový výkon. Tato metoda ošetřuje vzorky různou intenzitou a neposkytuje reprodukovatelné výsledky při přípravě vzorků, jako je fragmentace DNA. V důsledku tohoto nerovnoměrného ošetření není zajištěna kontrola nad velikostí fragmentů DNA. S běžnou ultrazvukovou lázní je spolehlivý a opakovatelný výzkum neproveditelný.
Chcete se dozvědět více o sonikátoru sondového typu ve srovnání s ultrazvukovou lázní? Klikněte sem!
Na rozdíl od ultrazvukové lázně jsou Hielscher přesně ovladatelné sonikátory, které dodávají výkonný ultrazvuk. Intenzitu sonikace lze přesně vyladit pro danou aplikaci, takže se zabrání nežádoucí degradaci biologických vzorků. Zajišťuje optimální zachování nukleových kyselin a dalších biomolekul během zpracování vzorků. To je zvláště výhodné pro genomický výzkum, kde je integrita vzorku pro navazující analýzu zásadní. Chytré funkce, jako je programovatelné nastavení, vzdálené ovládání přes prohlížeč a automatický záznam dat, usnadňují výzkumnou práci v laboratořích.
Modely sonikátorů Hielscher pro genomický výzkum
- Sonikace sondového typu: Sonotroda se vkládá přímo do zkumavky se vzorkem, což umožňuje lokalizovanou sonikaci a přesnou kontrolu parametrů fragmentace. Tato metoda je preferována pro malý počet vzorků, například jednotlivé lahvičky nebo kádinky.
Všechny sonikátory sondového typu pro fragmentaci DNA a přípravu vzorků najdete zde! - CupHorn a UIP400MTP: Modely sonikátorů Hielscher Ultrasonic Cuphorn a destičkový sonikátor UIP400MTP se výrazně liší od běžné ultrazvukové lázně nebo čisticí nádrže. Ačkoli se na první pohled zdá princip nepřímého přenosu ultrazvukových vln vodní lázní podobný – rozdíl mezi ultrazvukovým cuphornem či destičkovým sonikátorem Hielscher a běžnou ultrazvukovou lázní nemůže být větší! U systémů Hielscher je celé dno cuphornu a destičkového sonikátoru rovnoměrně rozkmitáváno výkonným ultrazvukem. To znamená, že celý povrch vibruje přesně se stejnou amplitudou a frekvencí. Nenacházejí se zde žádná mrtvá, nesonikovaná místa, všechny vzorky jsou sonikovány stejnou intenzitou! To zajišťuje jednotné, reprodukovatelné výsledky při ultrazvukové přípravě vzorků.
Další informace o ultrazvukovém cuphornu najdete zde!
Další informace o destičkovém sonikátoru UIP400MTP najdete zde! - VialTweeter: VialTweeter využívá jedinečnou konstrukci vibrující blokové sonotrody s držákem lahviček k přenosu ultrazvukové energie přímo do lahviček se vzorky bez nutnosti ponoření do vodní lázně nebo jiného média. Tato nepřímá, a přesto vysoce účinná metoda sonikace je ideální pro ošetření až 10 uzavřených lahviček a zabraňuje křížové kontaminaci.
Přečtěte si více o bezkontaminační sonikaci až 10 uzavřených lahviček pomocí přístroje VialTweeter!
Ultrazvukový cuphorn pro intenzivní sonikaci uzavřených zkumavek a lahviček ke sterilní fragmentaci DNA.
Sonikátory v automatizovaných systémech – snadná integrace
Sonikátory Hielscher lze integrovat do automatizovaných systémů. Díky otevřenému síťovému rozhraní a programovacím funkcím jsou sonikátory Hielscher vhodné pro automatizaci. Integrace s automatizací a robotikou umožňuje vysokokapacitní zpracování genomických vzorků, což usnadňuje rozsáhlé studie a iniciativy v oblasti personalizované medicíny. Možnost integrace vašeho sonikátoru do automatizovaného systému přípravy vzorků optimalizuje manipulaci se vzorky a zajistí efektivní, reprodukovatelné a bezpečné zpracování vzorků v celé řadě aplikací a typů vzorků.
- vysoká účinnost
- nejmodernější technologie
- spolehlivost a robustnost
- nastavitelné, přesné řízení procesu
- vsádkový i průtokový provoz
- pro jakýkoli objem
- inteligentní software
- chytré funkce (např. programovatelnost, protokolování dat, dálkové ovládání)
- snadná a bezpečná obsluha
- nenáročná údržba
- CIP (čištění na místě)
Design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany
Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou proslulé nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.
Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje orientační přehled přibližné zpracovatelské kapacity našich laboratorních ultrazvukových přístrojů, které jsou ideální pro úlohy přípravy vzorků, jako je fragmentace DNA a RNA, lyze buněk a také izolace DNA a proteinů:
| Zařízení | Výkon [W] | Typ | Objem [mL] |
|---|---|---|---|
| UIP400MTP | 400 | pro mikrodestičky | 6 – 3456 jamek |
| VialTweeter | 200 | pro až 10 lahviček plus možnost upnutí | 0,5 – 1,5 |
| UP50H | 50 | sondový typ | 0,01 – 250 |
| UP100H | 100 | sondový typ | 0,01 – 500 |
| UP200Ht | 200 | sondový typ | 0,1 – 1000 |
| UP200St | 200 | sondový typ | 0,1 – 1000 |
| UP400St | 400 | sondový typ | 5,0 – 2000 |
| CupHorn | 200 | CupHorn, sonoreaktor | 10 – 200 |
| GDmini2 | 200 | bezkontaminační průtoková cela |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Často kladené otázky o genomice a sonikaci
Zde najdete odpovědi na nejčastěji kladené otázky týkající se ultrasonikace a genomického výzkumu.
Co dělá sonikace s DNA?
Sonikace štěpí DNA na menší fragmenty působením vysokofrekvenčních zvukových vln, které vytvářejí mechanické síly, jež způsobují zlomy řetězců DNA v náhodných místech. Úprava intenzity sonikace umožňuje vytvářet větší nebo menší fragmenty DNA v závislosti na požadavcích dalšího zpracování a analýzy.
Jaký je sonikační protokol pro fragmentaci DNA?
Typický sonikační protokol pro fragmentaci DNA zahrnuje aplikaci ultrazvukových vln na vzorky DNA v pufru v sérii krátkých pulzů, po nichž následují chladicí intervaly, aby se zabránilo zahřívání vzorku. Parametry, jako je amplituda, doba trvání a počet cyklů, se optimalizují podle typu vzorku a požadované velikosti fragmentů.
Jak funguje sonikace při stříhání DNA?
Sonikace při stříhání DNA spočívá v působení řízených mechanických sil na molekuly DNA pomocí ultrazvukových vln. Tyto síly narušují vodíkové vazby a další interakce, které drží řetězce DNA pohromadě, což vede k náhodným zlomům a fragmentaci DNA na menší kousky.
Jak dlouho byste měli sonikovat vzorky DNA?
Doba sonikace vzorků DNA závisí na faktorech, jako je objem vzorku, koncentrace a požadovaná velikost fragmentů. Sonikace se obvykle provádí v krátkých pulzech v rozmezí od několika sekund do několika minut s chladicími intervaly, aby se zabránilo přehřátí vzorku.
Jaký je nejlepší sonikátor pro izolaci DNA?
Volba nejlepšího sonikátoru pro izolaci DNA závisí na faktorech, jako je objem vzorku, kapacita zpracování vzorků a požadovaná velikost fragmentů. Mezi oblíbené možnosti patří například destičkový sonikátor Hielscher UIP400MTP, VialTweeter, CupHorn a ultrazvuková sonda UP100H. Tyto sonikátory nabízejí přesnou kontrolu parametrů sonikace a jsou vhodné pro různé aplikace izolace DNA ve výzkumných laboratořích.
Co je genomika?
Genomika je multidisciplinární obor biologie, který se zabývá pochopením úplného složení, funkcí, evoluce, mapování a modifikace genomů. Genom zahrnuje veškerou DNA v organismu, včetně jeho genů i jejich složité trojrozměrné organizace. Na rozdíl od genetiky, která se zaměřuje na jednotlivé geny a vzorce jejich dědičnosti, si genomika klade za cíl komplexně charakterizovat a kvantifikovat všechny geny v organismu a objasnit jejich interakce a vliv na organismus jako celek. Geny hrají klíčovou roli při řízení syntézy proteinů, na níž se podílejí enzymy a poselské molekuly. Tyto proteiny následně tvoří strukturní složky orgánů a tkání, regulují biochemické procesy a usnadňují komunikaci mezi buňkami. Genomika zahrnuje sekvenování a analýzu celých genomů s využitím vysokokapacitních technik sekvenování DNA a bioinformatických nástrojů k rozluštění struktury a funkcí genomů v jejich celistvosti.
Genomika je studium veškerého genetického materiálu organismu, včetně jeho sekvence DNA, organizace, funkce a variability. Zahrnuje analýzu genů, jejich interakcí a jejich vlivu na znaky a chování. Genomický výzkum zahrnuje různé techniky a přístupy k pochopení struktury a funkce genomů i jejich role ve zdraví, nemoci, evoluci a dalších biologických procesech.
Genomický výzkum si klade za cíl:
- Sekvenovat genomy: To zahrnuje určení pořadí nukleotidů (A, T, C a G) v DNA organismu. Může jít o celý genom nebo o specifické sledované oblasti.
- Analyzovat genetickou variabilitu: Genomický výzkum zkoumá rozdíly v sekvencích DNA mezi jedinci nebo populacemi, které mohou poskytnout vhled do genetického základu onemocnění, znaků a evolučních procesů.
- Funkční genomika: Tento obor zkoumá, jak geny fungují a jak interagují navzájem i s prostředím. Zahrnuje transkriptomiku (studium genové exprese), proteomiku (studium proteinů) a metabolomiku (studium metabolitů).
- Srovnávací genomika: Porovnáváním genomů různých druhů mohou výzkumníci odhalit evoluční vztahy, identifikovat konzervované oblasti a pochopit genetický základ biologické rozmanitosti.
- Lékařská genomika: Genomický výzkum v medicíně se zaměřuje na pochopení genetického základu onemocnění, predikci rizika onemocnění a vývoj personalizovaných léčebných postupů a intervencí.
Genomický výzkum vedl k významnému pokroku v oborech, jako je medicína, zemědělství, evoluční biologie a biotechnologie, a přispěl k našemu pochopení života na molekulární úrovni a ke zlepšení lidského zdraví a pohody.
Literatura / Reference
- Poptsova, M., Il’icheva, I., Nechipurenko, D. et al. (2014): Non-random DNA fragmentation in next-generation sequencing. Scientific Reports 4, 4532; 2014.
- Basselet P., Wegrzyn G., Enfors S.-O., Gabig-Ciminska M. (2008): Sample processing for DNA chip array-based analysis of enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC). Microbial Cell Factories 7:29. 2008.
- Doublier S., Riganti Ch., Voena C., Costamagna C., Aldieri E., Pescarmona G., Ghigo D., Bosia A. (2008): RhoA Silencing Reverts the Resistance to Doxorubicin in Human Colon Cancer Cells. Molecular Cancer Research 6(10), 2008.
- Fredlund E., Gidlund A., Olsen M., Börjesson T., Spliid N.H.H., Simonsson M. (2008): Method evaluation of Fusarium DNA extraction from mycelia and wheat for down-stream real-time PCR quantification and correlation to mycotoxin levels. Journal of Microbiological Methods 2008.
- Fritsche C., Sitz M., Weiland N., Breitling R., Pohl H.-D. (2007): Characterization of the growth behavior of Leishmania tarentolae – a new expression system for recombinant proteins. Journal of Basic Microbiology 47, 2007. 384–393.
- Ristola M., Arpiainen S., Saleem M. A., Mathieson P. W., Welsh G. I., Lehtonen S., Holthöfer H. (2009): Regulation of Neph3 gene in podocytes – key roles of transcription factors NF-κB and Sp1. BMC Molecular Biology 10:83, 2009.
- Rodriguez J., Vives L., Jorda M., Morales C., Munoz M., Vendrell E., Peinado M. A. (2008): Genome-wide tracking of unmethylated DNA Alu repeats in normal and cancer cells. Nucleic Acids Research Vol. 36, No. 3, 2008. 770-784.
- Weiske J. Huber O. (2006): The Histidine Triad Protein Hint1 Triggers Apoptosis Independent of Its Enzymatic Activity. The Journal of Biological chemistry. Vol. 281, No. 37, 2006. 27356–27366.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorního až po průmyslové měřítko.