Ultraäänikäsittely helpottaa genomitutkimusta
Genomitutkimus on mullistanut ymmärryksemme biologisista järjestelmistä ja mahdollistanut eri sairauksien ja ominaisuuksien taustalla olevien monimutkaisten geneettisten mekanismien selvittämisen. Ultraäänikäsittely, joka kehitettiin alun perin solukalvojen hajottamiseen, on saanut laajasti käyttöä genomitutkimuksessa. Tässä artikkelissa esitellään ultraäänikäsittelyn käyttöä genomitutkimuksissa, kuten DNA:n eristämisessä ja fragmentoinnissa, kromatiinin immunosaostuksessa (ChIP) ja seuraavan sukupolven sekvensointikirjastojen valmistuksessa. Tässä artikkelissa esitellään ultraäänikäsittelyn periaatteita, menetelmiä ja sovelluksia genomitutkimuksessa sekä tutustutaan genomitutkimukseen parhaiten soveltuviin ultraäänilaitteisiin.
Ultraäänilaitteet genomitutkimuksessa
Genomitutkimus on edistynyt huomattavasti viime vuosikymmeninä suuren näytekapasiteetin sekvensointitekniikoiden ja innovatiivisten kokeellisten menetelmien kehityksen ansiosta. Nämä edistysaskeleet ovat helpottaneet genomien, epigenomien ja transkriptomien kattavaa analysointia ja antaneet tietoa sairauksien, evoluution ja fenotyyppisen vaihtelun geneettisestä perustasta.
Ultraäänikäsittely, jossa ultraäänen fysikaalisia voimia käytetään molekyylirakenteiden hajottamiseen mekaanisesti, on noussut monipuoliseksi työkaluksi genomitutkimuksessa. Ultraäänikäsittely on vakiintunut tekniikka, jota käytetään DNA:n fragmentointiin, kromatiinin leikkaamiseen ja NGS-kirjastojen valmistukseen.
Ultraäänikäsittelyn sovellukset genomitutkimuksessa
Ultraäänikäsittelyä käytetään biologisten näytteiden valmisteluun ennen määrityksiä tai analyysejä sekä myöhempiä jatkoprosesseja varten. Yleisimpiä ultraäänikäsittelyä hyödyntäviä näytteenvalmistelun sovelluksia ovat:
Ultraäänikäsittelyä käytetään genomisen DNA:n tarkkaan fragmentointiin, jolloin saadaan halutun kokoisia DNA-fragmentteja erilaisiin jatkosovelluksiin, kuten PCR:ään, kloonaukseen ja Southern blot -analyysiin. Ultraäänikäsittely tarjoaa etuja entsymaattisiin menetelmiin verrattuna, sillä se mahdollistaa fragmenttien koon ja kokojakauman joustavan hallinnan. Suuren näytekapasiteetin näytteenvalmistelu levyultraäänilaitteella UIP400MTP tehostaa suurten näytemäärien käsittelyä.
Lue lisää ultraäänellä tehtävästä DNA:n fragmentoinnista ja plasmidien fragmentoinnista!
Lue lisää ultraäänikäsittelyn käytöstä seuraavan sukupolven sekvensoinnissa!
Ultraäänilaite VialTweeter useiden näytepullojen samanaikaiseen näytteenvalmisteluun
Miten valitsen parhaan ultraäänilaitteen DNA:han liittyvään tutkimukseeni?
Termiä ”ultraäänikäsittely” käytetään erilaisista ultraäänen käyttötavoista. Yleisimmät menetelmät ovat ultraäänikylpy ja anturityyppinen ultraäänilaite. Seuraavassa kerrotaan, miksi oikean ultraäänilaitteen valinta parantaa tutkimustulostesi laatua ja pätevyyttä.
Tutustu eri ultraäänilaitemallien eroihin, etuihin ja rajoituksiin. Tässä tarkastelemme genomitutkimuksessa yleisimmin käytettyjä ultraäänilaitemalleja.
Ultraäänikäsittely kylvyssä: Miksi kylpytyyppiset ultraäänilaitteet antavat epäluotettavia tuloksia, joita ei voida toistaa? Genominäytteet asetetaan vesikylpyyn, jonka vesisäiliön pohjaan on kiinnitetty useita ultraäänimuuntimia. Akustisen kavitaation alueet jakautuvat säiliössä hyvin epätasaisesti, eivätkä ne tuota tasaista ultraäänitehoa. Tämä menetelmä käsittelee näytteitä vaihtelevalla intensiteetillä eikä anna toistettavia tuloksia esimerkiksi DNA:n fragmentointiin tähtäävässä näytteenvalmistelussa. Tämän epätasaisen käsittelyn vuoksi DNA-fragmenttien kokoa ei voida hallita. Tavallisella ultraäänikylvyllä ei ole mahdollista tehdä luotettavaa, toistettavaa tutkimusta.
Haluatko tietää lisää anturityyppisen ultraäänilaitteen ja ultraäänikylvyn eroista? Napsauta tästä!
Toisin kuin ultraäänikylpy, Hielscher on tarkasti säädettäviä ultraäänilaitteita, jotka tuottavat voimakasta ultraääntä. Ultraäänikäsittelyn intensiteetti voidaan säätää täsmälleen sovelluksen mukaiseksi, jotta biologisten näytteiden ei-toivottu hajoaminen vältetään. Varmistaa nukleiinihappojen ja muiden biomolekyylien optimaalisen säilymisen näytteiden käsittelyn aikana. Tämä on erityisen hyödyllistä genomitutkimuksessa, jossa näytteiden eheys on ratkaisevan tärkeää jatkoanalyyseille. Älykkäät ominaisuudet, kuten ohjelmoitavat asetukset, etäohjaus selaimella ja automaattinen tietojen tallennus, helpottavat tutkimustyötä laboratorioissa.
Hielscher ultraäänilaitemallit genomitutkimukseen
- Ultraäänikäsittely anturilla: Ultraäänianturi asetetaan suoraan näyteputkeen, mikä mahdollistaa paikallisen ultraäänikäsittelyn ja fragmentointiparametrien tarkan hallinnan. Tätä menetelmää suositaan pienille näytemäärille, kuten yksittäisille näytepulloille tai dekantterilaseille.
Löydät kaikki DNA:n fragmentointiin ja näytteenvalmisteluun tarkoitetut anturityyppiset ultraäänilaitteet täältä! - CupHorn ja UIP400MTP: Ultraäänilaitemallit, joita Hielscher valmistaa, Ultrasonic Cuphorn ja UIP400MTP Plate Sonicator eroavat merkittävästi tavallisesta ultraäänikylvystä tai puhdistussäiliöstä. Vaikka ultraääniaaltojen epäsuoran siirtymisen periaate vesikylvyn kautta vaikuttaa ensi silmäyksellä samankaltaiselta, valmistajan Hielscher ultraäänilaitteen Cuphorn tai levyultraäänilaitteen ja tavallisen ultraäänikylvyn välinen ero ei voisi olla suurempi! valmistajan Hielscher järjestelmissä ultraäänilaitteen cuphorn ja levyultraäänilaitteen koko pohjaa liikutetaan tasaisesti voimakkaalla ultraäänellä. Tämä tarkoittaa, että koko pinta värähtelee täsmälleen samalla amplitudilla ja taajuudella. Käsittelemättömiä alueita, joille ultraääni ei ulotu, ei ole, vaan kaikki näytteet ultraäänikäsitellään samalla intensiteetillä! Tämä varmistaa tasaiset, toistettavat tulokset ultraäänellä tehtävässä näytteenvalmistelussa.
Löydät lisätietoja ultraäänilaitteesta cuphorn täältä!
Löydät lisätietoja levyultraäänilaitteesta UIP400MTP täältä! - VialTweeter: VialTweeter hyödyntää ainutlaatuista värähtelevää lohkosonotrodia, johon näytepullot asetetaan. Se siirtää ultraäänienergian suoraan näytepulloihin ilman, että niitä tarvitsee upottaa vesikylpyyn tai muuhun väliaineeseen. Tämä epäsuora mutta erittäin tehokas ultraäänikäsittelymenetelmä sopii ihanteellisesti jopa 10 suljetun näytepullon käsittelyyn ja estää ristikontaminaation.
Lue lisää jopa 10 suljetun näytepullon kontaminaatiovapaasta ultraäänikäsittelystä laitteella theVialTweeter!
Ultraäänilaite cuphorn suljettujen putkien ja näytepullojen voimakkaaseen ultraäänikäsittelyyn DNA:n steriiliä fragmentointia varten.
Ultraäänilaitteet automatisoiduissa järjestelmissä – helppo integrointi
Hielscher-ultraäänilaitteet voidaan integroida automatisoituihin järjestelmiin. Avoimen verkkorajapinnan ja ohjelmointiominaisuuksien ansiosta Hielscher-ultraäänilaitteet soveltuvat automaatioon. Integrointi automaatioon ja robotiikkaan mahdollistaa genominäytteiden käsittelyn suurella näytekapasiteetilla ja helpottaa laajamittaisia tutkimuksia sekä yksilöllistetyn lääketieteen hankkeita. Mahdollisuus integroida ultraäänilaite automatisoituun näytteenvalmistelujärjestelmään optimoi näytteiden käsittelyn ja varmistaa tehokkaan, toistettavan ja turvallisen näytteenkäsittelyn erilaisissa sovelluksissa ja eri näytetyypeillä.
- suuri tehokkuus
- uusinta teknologiaa
- luotettavuus ja kestävyys
- säädettävä, tarkka prosessinohjaus
- erä- ja linjakäsittely
- kaikille tilavuuksille
- älykäs ohjelmisto
- älykkäät ominaisuudet (esim. ohjelmoitavuus, tietojen kirjaaminen, etäohjaus)
- helppo ja turvallinen käyttää
- vähäinen huoltotarve
- CIP (puhdistus paikallaan)
Suunnittelu, valmistus ja neuvonta – Saksassa valmistettua laatua
Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusin teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen laboratorioultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista. Ne soveltuvat ihanteellisesti näytteenvalmistelutehtäviin, kuten DNA:n ja RNA:n fragmentointiin, solujen lyysiin sekä DNA:n ja proteiinien eristämiseen:
| Laite | Teho [W] | Tyyppi | Tilavuus [mL] |
|---|---|---|---|
| UIP400MTP | 400 | mikrolevyille | 6 – 3 456 kuoppaa | VialTweeter | 200 | jopa 10 näytepullolle sekä mahdollisuus kiinnittää näytepulloja puristimella | 0,5 – 1,5 |
| UP50H | 50 | anturityyppinen | 0,01 – 250 |
| UP100H | 100 | anturityyppinen | 0,01 – 500 |
| UP200Ht | 200 | anturityyppinen | 0,1 – 1000 |
| UP200St | 200 | anturityyppinen | 0,1 – 1000 |
| UP400St | 400 | anturityyppinen | 5,0 – 2000 |
| CupHorn | 200 | CupHorn, ultraäänireaktori | 10 – 200 |
| GDmini2 | 200 | kontaminaatiovapaa virtauskenno |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Usein kysytyt kysymykset genomiikasta ja ultraäänikäsittelystä
Täältä löydät vastaukset useimmin esitettyihin kysymyksiin ultraäänikäsittelystä ja genomitutkimuksesta.
Mitä ultraäänikäsittely tekee DNA:lle?
Ultraäänikäsittely pilkkoo DNA:n pienemmiksi fragmenteiksi suurtaajuisten ääniaaltojen avulla. Ne synnyttävät mekaanisia voimia, jotka saavat DNA-juosteet katkeamaan satunnaisista kohdista. Ultraäänikäsittelyn intensiteettiä säätämällä voidaan tuottaa suurempia tai pienempiä DNA-fragmentteja myöhemmän käsittelyn ja analyysin vaatimusten mukaan.
Millainen on DNA:n fragmentoinnin ultraäänikäsittelyprotokolla?
Tyypillisessä DNA:n fragmentoinnin ultraäänikäsittelyprotokollassa puskuriliuoksessa oleviin DNA-näytteisiin kohdistetaan ultraääniaaltoja lyhyinä jaksoina, joita seuraavat jäähdytysvälit näytteiden lämpenemisen estämiseksi. Parametrit, kuten amplitudi, kesto ja jaksojen määrä, optimoidaan näytetyypin ja halutun fragmenttikoon perusteella.
Miten ultraäänikäsittely toimii DNA:n leikkaamisessa?
DNA:n leikkaamiseen tarkoitetussa ultraäänikäsittelyssä DNA-molekyyleihin kohdistetaan hallittuja mekaanisia voimia ultraääniaaltojen avulla. Nämä voimat rikkovat vetysidoksia ja muita vuorovaikutuksia, jotka pitävät DNA-juosteita yhdessä, jolloin DNA katkeaa satunnaisista kohdista ja pilkkoutuu pienemmiksi fragmenteiksi.
Kuinka kauan DNA-näytteitä tulisi ultraäänikäsitellä?
DNA-näytteiden ultraäänikäsittelyn kesto riippuu muun muassa näytteen tilavuudesta, pitoisuudesta ja halutusta fragmenttikoosta. Tavallisesti ultraäänikäsittely tehdään lyhyinä jaksoina, jotka kestävät muutamasta sekunnista useisiin minuutteihin. Jaksojen välissä on jäähdytysvälejä näytteiden ylikuumenemisen estämiseksi.
Mikä on paras ultraäänilaite DNA:n eristämiseen?
Parhaan ultraäänilaitteen valinta DNA:n eristämiseen riippuu muun muassa näytteen tilavuudesta, näytteiden käsittelykapasiteetista ja halutusta fragmenttikoosta. Suosittuja vaihtoehtoja ovat esimerkiksi Hielscher levyultraäänilaite UIP400MTP, VialTweeter, CupHorn ja ultraäänianturi UP100H. Nämä ultraäänilaitteet mahdollistavat ultraäänikäsittelyn parametrien tarkan hallinnan ja soveltuvat erilaisiin DNA:n eristämissovelluksiin tutkimuslaboratorioissa.
Mitä genomiikka on?
Genomiikka on monitieteinen biologian ala, joka pyrkii ymmärtämään genomien koko koostumusta, toimintoja, evoluutiota, kartoitusta ja muokkausta. Genomi käsittää eliön kaiken DNA:n, sekä sen geenit että niiden monimutkaisen kolmiulotteisen järjestäytymisen. Toisin kuin genetiikka, joka keskittyy yksittäisiin geeneihin ja niiden periytymismalleihin, genomiikka pyrkii luonnehtimaan ja määrittämään määrällisesti eliön kaikki geenit kattavasti sekä selvittämään niiden vuorovaikutukset ja vaikutukset eliöön kokonaisuutena. Geeneillä on keskeinen rooli proteiinien synteesin ohjaamisessa, jota entsyymit ja viestimolekyylit edistävät. Nämä proteiinit puolestaan muodostavat elinten ja kudosten rakenneosia, säätelevät biokemiallisia prosesseja ja mahdollistavat solujen välisen viestinnän. Genomiikka kattaa kokonaisten genomien sekvensoinnin ja analysoinnin, joissa suuren näytekapasiteetin DNA-sekvensointitekniikoilla ja bioinformatiikan työkaluilla selvitetään genomien rakennetta ja toimintoja kokonaisuudessaan.
Genomiikka tutkii eliön koko geneettistä materiaalia, mukaan lukien sen DNA-sekvenssi, järjestäytyminen, toiminta ja vaihtelu. Se kattaa geenien, niiden vuorovaikutusten sekä niiden ominaisuuksiin ja käyttäytymiseen kohdistuvien vaikutusten analysoinnin. Genomitutkimuksessa käytetään erilaisia tekniikoita ja lähestymistapoja genomien rakenteen ja toiminnan sekä niiden terveyteen, sairauksiin, evoluutioon ja muihin biologisiin prosesseihin liittyvien roolien ymmärtämiseen.
Genomitutkimuksen tavoitteita ovat:
- Genomien sekvensointi: Tässä määritetään nukleotidien (A, T, C ja G) järjestys eliön DNA:ssa. Kohteena voi olla koko genomi tai tietyt kiinnostavat alueet.
- Geneettisen vaihtelun analysointi: Genomitutkimuksessa tarkastellaan yksilöiden tai populaatioiden DNA-sekvenssien vaihtelua, mikä voi antaa tietoa sairauksien, ominaisuuksien ja evoluutioprosessien geneettisestä perustasta.
- Funktionaalinen genomiikka: Tällä alalla tutkitaan geenien toimintaa ja vuorovaikutuksia toistensa sekä ympäristön kanssa. Siihen kuuluvat transkriptomiikka (geenien ilmentymisen tutkimus), proteomiikka (proteiinien tutkimus) ja metabolomiikka (metaboliittien tutkimus).
- Vertaileva genomiikka: Vertaamalla eri lajien genomeja tutkijat voivat selvittää evoluutiosuhteita, tunnistaa säilyneitä alueita ja ymmärtää biologisen monimuotoisuuden geneettistä perustaa.
- Lääketieteellinen genomiikka: Lääketieteellinen genomitutkimus keskittyy sairauksien geneettisen perustan ymmärtämiseen, sairastumisriskin ennustamiseen sekä yksilöllistettyjen hoitojen ja interventioiden kehittämiseen.
Genomitutkimus on johtanut merkittäviin edistysaskeliin esimerkiksi lääketieteessä, maataloudessa, evoluutiobiologiassa ja bioteknologiassa. Se on lisännyt ymmärrystämme elämästä molekyylitasolla ja parantanut ihmisten terveyttä ja hyvinvointia.
Kirjallisuus / Lähteet
- 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 valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriokoosta aina teolliseen kokoon asti.