[go: up one dir, main page]

RU2828813C9 - Method of purifying and recovering high-molecular nucleic acids, gel and device for implementation thereof - Google Patents

Method of purifying and recovering high-molecular nucleic acids, gel and device for implementation thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2828813C9
RU2828813C9 RU2023116761A RU2023116761A RU2828813C9 RU 2828813 C9 RU2828813 C9 RU 2828813C9 RU 2023116761 A RU2023116761 A RU 2023116761A RU 2023116761 A RU2023116761 A RU 2023116761A RU 2828813 C9 RU2828813 C9 RU 2828813C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrophoresis
dna
agarose
buffer
molecular
Prior art date
Application number
RU2023116761A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2828813C1 (en
Inventor
Андрей Александрович ЗАМЯТНИН
Константин Ильич Иванов
Руслан Николаевич Календарь
Original Assignee
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Научно-технологический университет "Сириус"
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Научно-технологический университет "Сириус" filed Critical Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Научно-технологический университет "Сириус"
Application granted granted Critical
Publication of RU2828813C1 publication Critical patent/RU2828813C1/en
Publication of RU2828813C9 publication Critical patent/RU2828813C9/en

Links

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: group of inventions relates to biotechnology and genetics. Described is a method of purifying and recovering high-molecular nucleic acids from a sample. Electrophoresis channel zone is filled with an agarose separating gel; applying a sample containing a target high molecular weight nucleic acid on an agarose separation gel; purification of high-molecular nucleic acid by electrophoresis; stopping electrophoresis after separation of high-molecular nucleic acid from contaminants; filling the gap between the gels with a low ionic strength electrophoresis buffer; resuming electrophoresis until the target nucleic acid migrates into the gap between the gels; collecting purified high-molecular nucleic acid from a gap between gels. Described also is a device for purifying and recovering high-molecular nucleic acids from a sample, comprising: at least one electrophoresis channel; zone of electrophoresis channel for filling with agarose separating gel containing buffer for electrophoresis with low ionic strength; zone of electrophoresis channel for installation of agarose blocking gel with content of salt in limits of 0.5 1 M of sodium chloride, gap between zone for filling with agarose separating gel containing buffer for electrophoresis with low ionic strength, and a zone for installing an agarose blocking gel with a salt content in range of 0.5 1 M sodium chloride; wherein the gap between the zone for filling with the agarose separating gel containing the buffer for electrophoresis with low ionic strength, and the zone for installation of the agarose blocking gel is made with possibility of filling with the buffer for electrophoresis with low ionic strength and is not less than 0.5 cm. in simplification of method for isolation and purification of high-molecular DNA or RNA, suitable for sequencing with long reading, high efficiency of extracting high-molecular DNA or RNA from various complex biological samples, for example, plant samples, soil samples, faeces, and so forth in improvement of quality of purification of high-molecular nucleic acids for sequencing with long reading, in acceleration of extraction and purification of high-molecular nucleic acids, in absence of need for additional purification of nucleic acids from salt, as well as providing the possibility of simultaneous processing of a large number of samples, which enables to scale and robotize the proposed technical solutions.
EFFECT: due to this it becomes possible, in particular, to obtain DNA or RNA with high degree of purity from 50 % to 95 % and high output from 50 % to 90 %.
13 cl, 4 dwg, 2 ex

Description

Группа изобретений относится к области биотехнологии и генетики, в частности, к способу очистки и выделения высокомолекулярных нуклеиновых кислот ДНК или РНК из биологических образцов для последующего секвенирования с длинным считыванием, к устройству и гелю для очистки и выделения нуклеиновых кислот.The group of inventions relates to the field of biotechnology and genetics, in particular, to a method for purifying and isolating high-molecular nucleic acids DNA or RNA from biological samples for subsequent long-read sequencing, to a device and gel for purifying and isolating nucleic acids.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

В настоящее время очистка и выделения ДНК или РНК из многокомпонентных биологических образцов представляет собой первый шаг в широком спектре молекулярно-биологических протоколов, используемых в генетике, молекулярной медицине, судебной экспертизе и биотехнологии. Конечный успех многих из этих протоколов зависит от эффективного отделения целевых нуклеиновых кислот от различных примесей, таких как полипептиды и белки (например, нуклеазы), олигонуклеотиды, полисахариды, полифенолы, липиды, пигменты, вторичные метаболиты, гуминовые вещества, различные ингибиторы ферментов и т.д. Одним из конкретных способов использования, успех которых в большой степени зависит от чистоты ДНК, является определение их нуклеотидной последовательности (секвенирование). В эпоху секвенирования по Сэнгеру, азатем в эпоху массового параллельного секвенирования нового поколения (Next-generation sequencing, NGS)важной предпосылкой для получения хороших результатов являлось выделение высокоочищенной ДНК. В настоящее время выделение высокоочищенной ДНК остается важнейшим условием для успешного секвенирования с использованием платформ третьего поколения (third-generation sequencing, TGS), которые способны считывать десятки и даже сотни тысяч пар оснований. Однако, чтобы в полной мере воспользоваться таким длинным считыванием, ДНК должна быть не только высокого качества, но и максимально возможной длины. Таким образом, для любого метода секвенирования нового и последующего поколений, с длинным считыванием, необходимо сочетать высокомолекулярную ДНК и с высокой степенью её очистки. Для решения данной проблемы было исследовано несколько подходов.Nowadays, purification and extraction of DNA or RNA from multicomponent biological samples represents the first step in a wide range of molecular biological protocols used in genetics, molecular medicine, forensics and biotechnology. The ultimate success of many of these protocols depends on the efficient separation of target nucleic acids from various impurities such as polypeptides and proteins (e.g. nucleases), oligonucleotides, polysaccharides, polyphenols, lipids, pigments, secondary metabolites, humic substances, various enzyme inhibitors, etc. One particular application, the success of which largely depends on the purity of DNA, is the determination of their nucleotide sequence (sequencing). In the era of Sanger sequencing and then in the era of massively parallel next-generation sequencing (NGS), the isolation of highly purified DNA was an important prerequisite for obtaining good results. Currently, the extraction of highly purified DNA remains a critical requirement for successful sequencing using third-generation sequencing (TGS) platforms that can read tens or even hundreds of thousands of base pairs. However, to take full advantage of such long reads, the DNA must not only be of high quality but also of the longest possible length. Thus, any long-read NGS or TGS method must combine high-molecular-weight DNA with high purity. Several approaches have been explored to address this issue.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY

В настоящее время описаны многочисленные экспериментальные протоколы выделения и очистки ДНК (1-5). Эти протоколы обычно включают этап лизиса клеток с последующим отделением ДНК от примесей. Наиболее часто используемые стратегии разделения можно разделить на три категории: преципитация ДНК, жидкофазная и твердофазная экстракция. Numerous experimental protocols for DNA extraction and purification have been described (1-5). These protocols typically involve a cell lysis step followed by separation of DNA from contaminants. The most commonly used separation strategies can be divided into three categories: DNA precipitation, liquid-phase extraction, and solid-phase extraction.

Первая стратегия разделения основана на способности полярных растворителей (например, этанола) и солей (например, ацетата натрия) осаждать ДНК из водных буферов (6). Фактическому осаждению ДНК могут предшествовать дополнительные этапы очистки, такие как денатурация белков и перевод их в нерастворимую форму (7). Хотя эта стратегия подходит для очистки высокомолекулярной ДНК и даже используется в коммерческих наборах, выход и чистота высокомолекулярной ДНК могут быть субоптимальными, особенно для сложных образцов. При жидкофазной экстракции полярная ДНК остается в водной фазе, а неполярные загрязнители, такие как денатурированные белки и липиды, переходят в органическую фазу (обычно фенол-хлороформ) или концентрируются на границе раздела фаз (8).Чтобы получить ДНК приемлемой чистоты, процедуру органической экстракции рекомендуется проводить повторно, что приводит к снижению выхода. При твердофазной экстракции ДНК связывают с твердым сорбентом, а загрязнения удаляют промыванием. Хотя многие типы твердых сорбентов могут быть использованы для очистки ДНК, силикатные сорбенты (силикагели) стали особенно популярны в последние несколько десятилетий. Коммерческие наборы на основе твердофазной экстракции широко доступны, а их преимуществами являются сокращение времени выделения ДНК и параллельная обработка большого количества образцов. Тем не менее, эти наборы тоже имеют свои недостатки: выделение ДНК с их помощью происходит в несколько этапов и требует использования коммерческих спин-колонок, а также специализированного оборудования, такого как центрифуги или устройства для вакуумной фильтрации. Более того, обычные протоколы твердофазной экстракции и коммерческие наборы на их основе, как правило, не подходят для выделения высокомолекулярной и высокоочищенной ДНК. При использовании этих протоколов большая часть выделяемой ДНК проходит мимо колонки и не сорбируется, что в конечном итоге приводит к низкому выходу. Таким образом, для выделения и очистки высокомолекулярной ДНК доступен ряд способов, но все они имеют индивидуальные преимущества и ограничения, такие как низкий выход конечной ДНК, ограничения по молекулярному размеру (вследствие механической деградации высокомолекулярной ДНК), низкая степень очистки (так как полисахариды и другие высокомолекулярные соединения остаются связанными с ДНК), стоимость (при очистке на магнитных шариках), и возможное использование токсичных химических веществ (фенол, хлороформ, тиоцианаты). Скорее всего, на данный момент не существует универсального способа выделения высокомолекулярной ДНК, который бы не зависел от природы и химического состава образца. Отсутствие такого способа представляет особую проблему, если исходный материал является сложной смесью химически разных молекул, содержащих лишь небольшое количество целевой ДНК.The first separation strategy is based on the ability of polar solvents (e.g., ethanol) and salts (e.g., sodium acetate) to precipitate DNA from aqueous buffers (6). The actual DNA precipitation may be preceded by additional purification steps, such as protein denaturation and insolubilization (7). Although this strategy is suitable for the purification of high-molecular-weight DNA and is even used in commercial kits, the yield and purity of high-molecular-weight DNA may be suboptimal, especially for complex samples. In liquid-phase extraction, polar DNA remains in the aqueous phase, while non-polar contaminants, such as denatured proteins and lipids, are transferred to the organic phase (usually phenol-chloroform) or concentrated at the interface (8). To obtain DNA of acceptable purity, the organic extraction procedure must be repeated, which results in a decrease in yield. In solid-phase extraction, DNA is bound to a solid sorbent, and contaminants are removed by washing. Although many types of solid sorbents can be used for DNA purification, silica sorbents have become particularly popular in the last few decades. Commercial solid-phase extraction kits are widely available, and their advantages include reduced DNA extraction time and parallel processing of large numbers of samples. However, these kits also have their drawbacks: DNA extraction with them occurs in several steps and requires the use of commercial spin columns as well as specialized equipment such as centrifuges or vacuum filtration devices. Moreover, conventional solid-phase extraction protocols and commercial kits based on them are generally not suitable for the extraction of high-molecular-weight and highly purified DNA. When using these protocols, a large part of the extracted DNA bypasses the column and is not adsorbed, which ultimately leads to low yields. Thus, a number of methods are available for the extraction and purification of high-molecular-weight DNA, but they all have individual advantages and limitations, such as low yields of final DNA, limitations in molecular size (due to mechanical degradation of high-molecular-weight DNA), low purification efficiency (since polysaccharides and other high-molecular-weight compounds remain bound to DNA), cost (for purification on magnetic beads), and the possible use of toxic chemicals (phenol, chloroform, thiocyanates). Most likely, at present there is no universal method for the extraction of high-molecular-weight DNA that would be independent of the nature and chemical composition of the sample. The lack of such a method is especially problematic if the starting material is a complex mixture of chemically different molecules containing only a small amount of the target DNA.

Одним из подходов к выделению высококачественной ДНК из сложных смесей является гель-электрофорез с последующей электроэлюцией из вырезанных фрагментов геля, содержащих целевую ДНК. Наиболее распространенным вариантом этого метода является электроэлюция в диализных мешках (9,10). Другие варианты, такие как электроэлюция в градиенте глицерина (11), также были описаны в литературе. Однако значительная трудоемкость этих традиционных методов ограничивает возможность их применения в повседневной лабораторной практике. Электрофорез, за которым непрерывно следует электроэлюция (12, 13), является интересным альтернативным решением, с помощью которого можно получить высокоочищенную ДНК из геля. Такая ДНК будет совместима с большинством приложений молекулярной биологии. Одним из примеров такого подхода является система Sage ELF (Sage Science, Inc., США), в которой ДНК загружается в кассету с агарозным гелем, и после электрофореза разделенные фрагменты ДНК электроэлюируются из геля с использованием боковых электродов в двенадцать отдельных лунок для сбора образцов. Полученные фракции ДНК можно использовать для секвенирования нуклеотидов и других приложений без дополнительной очистки. Хотя Sage ELF является хорошим инструментом для фракционирования и очистки ДНК, к его недостаткам относятся дорогостоящее оборудование и расходные материалы, верхнее ограничение по массе выделяемых фрагментов 40 т.п.н. и невозможность одновременной обработки большого количества образцов.One approach to extract high-quality DNA from complex mixtures is gel electrophoresis followed by electroelution from excised gel fragments containing the target DNA. The most common variant of this method is electroelution in dialysis bags (9,10). Other variants, such as glycerol gradient electroelution (11), have also been described in the literature. However, the considerable labor intensity of these traditional methods limits their applicability in routine laboratory practice. Electrophoresis followed by continuous electroelution (12, 13) is an interesting alternative solution that can obtain highly purified DNA from gels. Such DNA will be compatible with most molecular biology applications. One example of such an approach is the Sage ELF system (Sage Science, Inc., USA), in which DNA is loaded into an agarose gel cassette and, after electrophoresis, the separated DNA fragments are electroeluted from the gel using side electrodes into twelve separate sample collection wells. The resulting DNA fractions can be used for nucleotide sequencing and other applications without further purification. Although Sage ELF is a good tool for DNA fractionation and purification, its disadvantages include expensive equipment and consumables, an upper limit of 40 kb on the mass of isolated fragments, and the inability to simultaneously process large numbers of samples.

Из уровня техники известен патент на изобретение RU 2650865 от 17.04.2018 (45), в котором описан набор реактивов для выделения ДНК из биологических объектов. Набор включает лизирующий буферный раствор, промывочные буферные растворы №1 и №2, элюирующий буферный раствор. Лизирующий буферный раствор содержит: сильный хаотропный агент - гуанидинтиоцианат, неионогенный детергент Тритон Х-100,рН-буфер на основе трис-гидрохлорида, и сорбент в виде суспензии из магнитных микросфер в солевом растворе. Промывочный буфер №1 содержит гуанидинтиоцианат, трис-гидрохлорид и этиловый спирт. Промывочный буфер №2 содержит трис-гидрохлорид, хлорид натрия и этиловый спирт. Элюирующий раствор представляет собой деионизированную воду. Изобретение обеспечивает увеличение выхода ДНК.The prior art includes patent for invention RU 2650865 dated 17.04.2018 (45), which describes a reagent kit for isolating DNA from biological objects. The kit includes a lysis buffer solution, wash buffer solutions No. 1 and No. 2, and an eluting buffer solution. The lysis buffer solution contains: a strong chaotropic agent - guanidine thiocyanate, non-ionic detergent Triton X-100, a pH buffer based on tris-hydrochloride, and a sorbent in the form of a suspension of magnetic microspheres in a saline solution. Wash buffer No. 1 contains guanidine thiocyanate, tris-hydrochloride and ethyl alcohol. Wash buffer No. 2 contains tris-hydrochloride, sodium chloride and ethyl alcohol. The eluting solution is deionized water. The invention provides an increase in the yield of DNA.

Известен патент на полезную модель RU 84381 U1 от 10.07.2009 (46), в котором описано устройство для автоматизированного выделения нуклеиновых кислот из биологических образцов, состоящее из (а) картриджа, содержащего резервуары с реагентами для лизиса клеток, микроорганизмов и вирусных частиц, очистки и элюции нуклеиновых кислот, каналы, микроколонки и клапаны, и (б) управляющей установки-контроллера, осуществляющей подачу давления, нагрев, перемешивание реагентов в индивидуальных резервуарах картриджа и перемещение реакционных смесей и растворов в резервуарах картриджа. При этом картридж содержит приемную камеру для ввода биологического образца, резервуары с сухими реакционными смесями буферов для лизиса и буфера для промывки, микроколонку с твердофазным сорбентом для связывания нуклеиновых кислот, резервуары для этанола, смеси вода-этанол и воды для растворения сухих компонентов промывочного буфера, промывки микроколонки и элюции нуклеиновых кислот, связавшихся с твердофазным сорбентом в микроколонке, выходной порт, совместимый со стандартной микропробиркой, резервуар для сбора отходов реакций, а управляющая установка-контроллер содержит блок соленоидов для управления клапанами картриджа, блок нагревателей, блок электромагнитных мешалок, компрессор и блок электронного управления.Known is the patent for utility model RU 84381 U1 from 10.07.2009 (46), which describes a device for the automated extraction of nucleic acids from biological samples, consisting of (a) a cartridge containing reservoirs with reagents for lysis of cells, microorganisms and viral particles, purification and elution of nucleic acids, channels, microcolumns and valves, and (b) a control unit-controller, implementing pressure supply, heating, mixing of reagents in individual reservoirs of the cartridge and movement of reaction mixtures and solutions in the reservoirs of the cartridge. The cartridge comprises a receiving chamber for introducing a biological sample, reservoirs with dry reaction mixtures of lysis buffers and a washing buffer, a microcolumn with a solid-phase sorbent for binding nucleic acids, reservoirs for ethanol, a water-ethanol and water mixture for dissolving dry components of the washing buffer, washing the microcolumn and eluting nucleic acids bound to the solid-phase sorbent in the microcolumn, an output port compatible with a standard microtube, a reservoir for collecting reaction waste, and the control unit-controller comprises a solenoid block for controlling the cartridge valves, a heater block, an electromagnetic stirrer block, a compressor and an electronic control unit.

Недостатками вышеуказанных запатентованных технических решений является большая длительность и многостадийность процедуры очистки ДНК, низкий выход ДНК и низкая степень очистки для «сложных» образцов.The disadvantages of the above-mentioned patented technical solutions are the long duration and multi-stage nature of the DNA purification procedure, low DNA yield and low degree of purification for “complex” samples.

Известен источник информации - протокол Zarzosa -Alvarezetal. (19), где вырезанный фрагмент агарозного геля, содержащий целевую ДНК, помещают в прибор для электроэлюции (электроэлютер), а его V-образный канал заполняют буфером с повышенным содержанием соли (1 М хлорид натрия). Во время электроэлюции фрагмент ДНК мигрирует из агарозного геля в соляную ловушку. На заключительном этапе протокола буфер с повышенным содержанием соли, содержащий электроэлюированную ДНК, извлекают пипеткой и осаждают этанолом. Указанный источник информации выбран наиболее близким аналогом (прототипом).Недостатком прототипа является то, что этот способ является достаточно трудоемким, а именно требует вырезания полос ДНК из агарозного геля под УФ-А излучением, переноса полученного фрагмента агарозы в электроэлютор и отдельного проведения процесса электроэлюции. Таким образом, в данной подходе допускается только стадия очистки ДНК и требуется специальное оборудование (электроэлютер). Дополнительно, недостатком этого способа является то, что на выходе целевая ДНК растворена в высокосолевом буфере и непригодна для дальнейшего применения без дополнительной очистки. Осаждение ДНК из солевого раствора обязательна, что в свою очередь, может привести к снижению выхода ДНК при сильно разбавленном растворе.The source of information is known - the Zarzosa-Alvarezetal protocol. (19), where the excised fragment of agarose gel containing the target DNA is placed in an electroelution device (electroeluther), and its V-shaped channel is filled with a buffer with an increased salt content (1 M sodium chloride). During electroelution, the DNA fragment migrates from the agarose gel into a salt trap. At the final stage of the protocol, the buffer with an increased salt content containing the electroeluted DNA is removed with a pipette and precipitated with ethanol. The specified source of information was chosen as the closest analogue (prototype). The disadvantage of the prototype is that this method is quite labor-intensive, namely, it requires excising DNA bands from the agarose gel under UV-A radiation, transferring the resulting agarose fragment to the electroeluther and separately performing the electroelution process. Thus, this approach only allows for a DNA purification step and requires special equipment (electroeluther). Additionally, a disadvantage of this method is that the target DNA is dissolved in a high-salt buffer and is unsuitable for further use without additional purification. Precipitation of DNA from a salt solution is mandatory, which in turn can lead to a decrease in DNA yield with a highly diluted solution.

В результате проведенного анализа уровня техники можно сделать вывод о том, что предлагаемая группа изобретений может быть признана соответствующей критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень» до даты испрашиваемого приоритета.As a result of the analysis of the state of the art, it can be concluded that the proposed group of inventions can be recognized as meeting the patentability criteria of “novelty” and “inventive step” before the date of the requested priority.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE ESSENCE OF THE INVENTION

Для решения технической проблемы, а также устранения недостатков имеющихся аналогов и прототипа, заявителем предложены способ и устройство для очистки и выделения высокомолекулярной ДНК или РНК из биологических образцов, а также гель для очистки и выделения высокомолекулярной ДНК или РНК и способ изготовления устройства. Группа изобретений объединена единым изобретательским замыслом.In order to solve the technical problem, as well as to eliminate the shortcomings of the existing analogues and prototype, the applicant has proposed a method and device for purifying and isolating high-molecular DNA or RNA from biological samples, as well as a gel for purifying and isolating high-molecular DNA or RNA and a method for manufacturing the device. The group of inventions is united by a single inventive concept.

Технологии секвенирования с длинным считыванием требуют ДНК не только высокой чистоты и целостности, но и высокой молекулярной массы, которую может быть трудно получить из сложных биологических образцов.Long-read sequencing technologies require DNA not only of high purity and integrity, but also of high molecular weight, which can be difficult to obtain from complex biological samples.

В этой связи авторами разработан способ очистки и выделения высокомолекулярной ДНК, который включает электрофорез с последующей электроэлюцией и основан на том факте, что электрофоретическая подвижность нуклеиновых кислот замедляется в гелях и растворах с высокой ионной силой. Образец высокомолекулярной ДНК сначала очищают электрофорезом в разделительном канале, заполненномгелем (например, агарозным). После достаточной очистки электрофорез приостанавливают и перед полосой ДНК (ниже по направлению ее движения) помещают блокирующий гель, содержащий повышенную концентрацию соли. Отбор очищенной высокомолекулярной нуклеиновой кислоты может осуществляться из резервуара(промежутка) для сбора проб, расположенного между основным гелем и гелем, содержащем повышенную концентрацию соли. После установки блокирующего солевого геля ток подается повторно до тех пор, пока ДНК не будет электроэлюирована из разделяющего геля в резервуар для сбора (зазор между гелями), где она постепенно замедляется и накапливается. Очищенную ДНК можно легко собрать из резервуара с помощью пипетки и использовать без дополнительного обессоливания в реакциях секвенирования с длинным считыванием. Преимущества этого способа заключаются в том, что он прост и недорог, а также позволяет получать высокомолекулярную ДНК или РНК высокой очистки и с высоким выходом даже из сложных биологических образцов. Другими преимуществами является то, что предложенный способ совместим с секвенированием с длинным считыванием и имеет потенциал для автоматизации в вертикальном или горизонтальном формате.In this regard, the authors have developed a method for purifying and isolating high-molecular DNA that includes electrophoresis followed by electroelution and is based on the fact that the electrophoretic mobility of nucleic acids slows down in gels and solutions with a high ionic strength. A sample of high-molecular DNA is first purified by electrophoresis in a separating channel filled with a gel (e.g., agarose). After sufficient purification, electrophoresis is stopped and a blocking gel containing an increased salt concentration is placed in front of the DNA band (downstream of its direction of movement). The purified high-molecular nucleic acid can be collected from a reservoir (gap) for collecting samples located between the main gel and the gel containing an increased salt concentration. After installing the blocking salt gel, the current is applied repeatedly until the DNA is electroeluted from the separating gel into the collection reservoir (gap between the gels), where it gradually slows down and accumulates. The purified DNA can be easily collected from the reservoir using a pipette and used without additional desalting in long-read sequencing reactions. The advantages of this method are that it is simple and inexpensive, and allows for the production of high-molecular DNA or RNA of high purity and high yield even from complex biological samples. Other advantages are that the proposed method is compatible with long-read sequencing and has the potential for automation in vertical or horizontal format.

Целью предлагаемого технического решения является создание способа, устройства и составных частей для осуществления качественной очистки высокомолекулярных нуклеиновых кислот из многокомпонентных биологических образцов с целью их дальнейшего секвенирования методами третьего поколения. Существует потребность в разработке новых способов выделения и очистки ДНК из биологических образцов, и в новых, более эффективных устройствах и материалах для реализации таких способов.The purpose of the proposed technical solution is to create a method, device and components for the implementation of high-quality purification of high-molecular nucleic acids from multicomponent biological samples for the purpose of their subsequent sequencing by third-generation methods. There is a need to develop new methods for isolating and purifying DNA from biological samples, and new, more effective devices and materials for implementing such methods.

Технический результат заключается в упрощении способа выделения и очистки высокомолекулярной ДНК или РНК, пригодной для секвенирования с длинным считыванием, в повышении эффективности выделения высокомолекулярной ДНК или РНК из различных сложных биологических образцов(например, растительных образцов, образцов почвы, фекалий и т.д.), в улучшении качества очистки высокомолекулярных нуклеиновых кислот для секвенирования с длинным считыванием, в ускорении выделения и очистки высокомолекулярных нуклеиновых кислот за счет отсутствия этапа переноса материала из прибора для электрофореза в электроэлютер, в отсутствии необходимости дополнительной очистки нуклеиновых кислот от соли, а также в обеспечении возможности одновременной обработки большого количества образцов в предлагаемом устройстве заявленным способом, что позволяет масштабировать и роботизировать предлагаемые технические решения. Благодаря этому становится возможным, в частности, получать ДНК (или РНК) с высокой степенью чистоты (от 50% до 95 %) и высоким выходом (от 50% до 90%). The technical result consists in simplifying the method for isolating and purifying high-molecular DNA or RNA suitable for long-read sequencing, increasing the efficiency of isolating high-molecular DNA or RNA from various complex biological samples (e.g. plant samples, soil samples, feces, etc.), improving the quality of purifying high-molecular nucleic acids for long-read sequencing, accelerating the isolation and purification of high-molecular nucleic acids due to the absence of the stage of transferring the material from the electrophoresis device to the electroeluther, in the absence of the need for additional purification of nucleic acids from salt, as well as ensuring the possibility of simultaneously processing a large number of samples in the proposed device using the claimed method, which allows scaling and robotizing the proposed technical solutions. Due to this, it becomes possible, in particular, to obtain DNA (or RNA) with a high degree of purity (from 50% to 95%) and a high yield (from 50% to 90%).

ОБЪЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECT OF INVENTION

В настоящей группе изобретений описан простой и эффективный способ очистки и выделения высокомолекулярной ДНК (или РНК), устройство и гель для очистки и выделения высокомолекулярной ДНК (или РНК), способ изготовления устройства. The present group of inventions describes a simple and effective method for purifying and isolating high-molecular DNA (or RNA), a device and gel for purifying and isolating high-molecular DNA (or RNA), and a method for manufacturing the device.

Указанный технический результат достигается совокупностью существенных признаков, представленной в формуле изобретения.The specified technical result is achieved by a set of essential features presented in the invention formula.

В одной неограничивающей реализации изобретения предложен способ очистки и выделения высокомолекулярных нуклеиновых кислот из образца, включающий:In one non-limiting embodiment of the invention, a method is provided for purifying and isolating high molecular weight nucleic acids from a sample, comprising:

- заполнение зоны электрофорезного канала агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - filling the electrophoresis channel zone with an agarose separating gel containing an electrophoresis buffer with low ionic strength;

- нанесение образца, содержащего целевую высокомолекулярную нуклеиновую кислоту, на агарозный разделяющий гель, содержащий буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - application of a sample containing the target high-molecular nucleic acid to an agarose separating gel containing a low ionic strength electrophoresis buffer;

- очистку высокомолекулярной нуклеиновой кислоты методом электрофореза; - purification of high molecular weight nucleic acid by electrophoresis;

- остановку электрофореза после отделения высокомолекулярной нуклеиновой кислоты от загрязнений до того, как очищенная нуклеиновая кислота выйдет из агарозного разделяющего геля, содержащего буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - stopping electrophoresis after separation of high-molecular nucleic acid from contaminants until the purified nucleic acid exits the agarose separating gel containing electrophoresis buffer with low ionic strength;

- установку агарозного блокирующего геля с содержанием соли в переделах 0,5 - 1 М хлорида натрия в электрофорезный канал в направлении движения нуклеиновых кислот, после агарозного разделяющего геля, содержащего буфер для электрофореза с низкой ионной силой, в котором находится очищенная нуклеиновая кислота, с зазором между гелями не менее 0,5 см; - installation of an agarose blocking gel with a salt content in the range of 0.5 - 1 M sodium chloride in the electrophoresis channel in the direction of movement of nucleic acids, after an agarose separating gel containing a buffer for electrophoresis with a low ionic strength, in which the purified nucleic acid is located, with a gap between the gels of at least 0.5 cm;

- заполнение зазора между гелями буфером для электрофореза с низкой ионной силой; - filling the gap between the gels with electrophoresis buffer of low ionic strength;

- возобновление электрофореза до тех пор, пока целевая нуклеиновая кислота не мигрирует в зазор между гелями; - resumption of electrophoresis until the target nucleic acid migrates into the gap between the gels;

- отбор очищенной высокомолекулярной нуклеиновой кислоты из зазора между гелями. - selection of purified high-molecular nucleic acid from the gap between the gels.

Ещё в одном примере реализации изобретения отбор очищенной нуклеиновой кислоты из зазора между гелями проводится с помощью автоматической пипетки или лабораторного робота.In another example of implementing the invention, the selection of purified nucleic acid from the gap between the gels is carried out using an automatic pipette or a laboratory robot.

Ещё в одном примере реализации изобретения отбор очищенной нуклеиновой кислоты из зазора между гелями проводится в микропробирку для дальнейшего использования.In another example of implementing the invention, the purified nucleic acid is collected from the gap between the gels into a microtube for further use.

Ещё в одном примере реализации изобретения перед очисткой высокомолекулярной нуклеиновой кислоты методом электрофореза определяют продолжительность электрофореза.In another example of implementing the invention, before purifying a high-molecular nucleic acid using electrophoresis, the duration of electrophoresis is determined.

Ещё в одном примере реализации изобретения зазор между основным и агарозным блокирующим гелями заполнен буфером для электрофореза с низкой ионной силой. Под низкой ионной силой понимается ионная сила, меньшая, чем у агарозного блокирующего геля. In another embodiment of the invention, the gap between the main and agarose blocking gels is filled with a low ionic strength electrophoresis buffer. Low ionic strength is understood to mean an ionic strength lower than that of the agarose blocking gel.

Ещё в одном примере реализации изобретения буфер для электрофореза с низкой ионной силой представляет собой 20 мМТрис и 20 мМ HEPES.In another embodiment of the invention, the low ionic strength electrophoresis buffer is 20 mM Tris and 20 mM HEPES.

Ещё в одном примере реализации изобретения образец дополнительно содержит смесь биологических молекул, включающую нецелевые нуклеиновые кислоты или короткие олигонуклеотиды, или белки, или пептиды, или полисахариды, или липиды, или вторичные метаболиты, или гуминовые вещества, или пигменты, или полифенолы. In another example of implementing the invention, the sample additionally contains a mixture of biological molecules including non-target nucleic acids or short oligonucleotides, or proteins, or peptides, or polysaccharides, or lipids, or secondary metabolites, or humic substances, or pigments, or polyphenols.

Также технический результатдостигается за счет того, что устройство для очистки и выделения высокомолекулярных нуклеиновых кислот из образца включает:The technical result is also achieved due to the fact that the device for purifying and isolating high-molecular nucleic acids from a sample includes:

- по меньшей мере один электрофорезный канал;- at least one electrophoresis channel;

- зону электрофорезного канала для заполнения агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - a zone of the electrophoresis channel for filling with an agarose separating gel containing an electrophoresis buffer with a low ionic strength;

- зону электрофорезного канала для установки агарозного блокирующего геля с содержанием соли в переделах 0,5 - 1 М хлорида натрия, - an electrophoresis channel zone for installing an agarose blocking gel with a salt content in the range of 0.5 - 1 M sodium chloride,

- зазор между зоной для заполнения агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой, и зоной для установки агарозного блокирующего геля с содержанием соли в переделах 0,5 - 1 М хлорида натрия; - a gap between the zone for filling with an agarose separating gel containing a low ionic strength electrophoresis buffer and the zone for installing an agarose blocking gel with a salt content in the range of 0.5 - 1 M sodium chloride;

- при этом зазор между зоной для заполнения агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой, и зоной для установки агарозного блокирующего геля выполнен с возможностью заполнения буфером для электрофореза с низкой ионной силой и составляет не менее 0,5 см. Ещё в одном примере реализации изобретения электрофорезный канал выполнен горизонтальным или вертикальным.- wherein the gap between the zone for filling with an agarose separating gel containing a buffer for electrophoresis with a low ionic strength and the zone for installing an agarose blocking gel is designed with the possibility of filling with a buffer for electrophoresis with a low ionic strength and is at least 0.5 cm. In another example of implementing the invention, the electrophoresis channel is made horizontal or vertical.

Ещё в одном примере реализации изобретения электрофорезный канал выполнен горизонтальным или вертикальным. In another example of the invention, the electrophoresis channel is made horizontal or vertical.

Ещё в одном примере реализации изобретения электрофорезный канал выполнен открытым или закрытым.In another example of the invention, the electrophoresis channel is made open or closed.

Ещё в одном примере реализации изобретения буфер для электрофореза с низкой ионной силой представляет собой 20 мМ Трис и 20 мМ HEPES.In another embodiment of the invention, the low ionic strength electrophoresis buffer is 20 mM Tris and 20 mM HEPES.

Ещё в одном примере реализации изобретения устройство изготовлено из пластика, прозрачного для видимого и УФ излучения, например,315-400 нм.In another example of the invention, the device is made of plastic that is transparent to visible and UV radiation, for example, 315-400 nm.

Ещё в одном примере реализации изобретения устройство дополнительно включает электроды для осуществления электрофореза в электрофорезном канале.In another example of implementing the invention, the device additionally includes electrodes for performing electrophoresis in the electrophoresis channel.

Ещё в одном примере реализации изобретения устройство дополнительно включает сенсор для сбора информации о выделенных высокомолекулярных нуклеиновых кислотах, соединенный с блоком обработки информации и блоком отображения.In another example of implementing the invention, the device additionally includes a sensor for collecting information about the isolated high-molecular nucleic acids, connected to the information processing unit and the display unit.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР, ТАБЛИЦ, ИНЫХ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF FIGURES, TABLES, AND OTHER GRAPHIC MATERIALS

Изобретение иллюстрируются следующими графическими материалами.The invention is illustrated by the following graphic materials.

На фигуре 1 показан принцип захвата электроэлюированной ДНК в зазоре между гелями с низкой и высокой ионной силой.Figure 1 shows the principle of trapping electroeluted DNA in the gap between low and high ionic strength gels.

На фигуре 2 схематически показан способ (обзор рабочего процесса) очистки геля высокомолекулярной ДНК.Figure 2 shows a schematic diagram of the method (workflow overview) for high molecular weight DNA gel purification.

На фигуре 3 представлено фото смеси GeneRuler DNA LadderMix (ThermoFisherScientific, SM0332) для определения размера и приблизительного количественного определения двухцепочечной ДНК на агарозных гелях и сопоставлены результаты очистки ДНК способом известным из уровня техники (с помощью способа, описанного в прототипе) и ДНК, очищенного с помощью заявленного способа.Figure 3 shows a photograph of the GeneRuler DNA LadderMix (ThermoFisherScientific, SM0332) for determining the size and approximate quantification of double-stranded DNA on agarose gels and compares the results of DNA purification by a method known from the prior art (using the method described in the prototype) and DNA purified using the claimed method.

На фигуре 4 показана модель устройства для очистки и выделения высокомолекулярных нуклеиновых кислот из образца. Figure 4 shows a model of a device for purifying and isolating high-molecular nucleic acids from a sample.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Определения и общая терминология.Definitions and general terminology.

Далее будут приведены ссылки на определенные варианты осуществления изобретения, примеры которых проиллюстрированы предлагаемым способом и устройством. Подразумевается, что изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в объем настоящего изобретения, как определено в формуле изобретения.Reference will now be made to specific embodiments of the invention, examples of which are illustrated by the proposed method and device. It is understood that the invention covers all alternatives, modifications and equivalents that may be included within the scope of the present invention, as defined in the claims.

Специалисту в данной области известны многие способы и материалы, аналогичные или эквивалентные описанным в данном документе, которые могут быть использованы при практическом осуществлении настоящей группы изобретений.A person skilled in the art knows many methods and materials similar or equivalent to those described in this document, which can be used in the practical implementation of the present group of inventions.

Настоящее изобретение не ограничивается изложенными в данном документе способами и материалами. В случае, если один или несколько из включенных литературных ссылок, патентов и аналогичных материалов отличается от или противоречит данной заявке, включая, в частности, определенные термины, использование терминов, описанные приемы и т.п., преимущественную силу имеет настоящая заявка.The present invention is not limited to the methods and materials described herein. In the event that one or more of the incorporated literature references, patents, and similar materials differ from or contradict this application, including, but not limited to, defined terms, use of terms, described techniques, etc., this application shall prevail.

Далее следует принять во внимание, что определенные признаки изобретения, которые для ясности описаны в контексте отдельных вариантов осуществления изобретения, могут быть представлены также совместно в одном варианте. И наоборот, разнообразные признаки изобретения, которые для краткости описаны в контексте одного варианта осуществления изобретения, могут быть представлены отдельно или в любой подходящей подкомбинации.It should further be appreciated that certain features of the invention, which for clarity are described in the context of separate embodiments of the invention, may also be presented together in a single embodiment. Conversely, various features of the invention, which for brevity are described in the context of a single embodiment of the invention, may be presented separately or in any suitable subcombination.

Если представлен диапазон значений, то следует понимать, что каждое промежуточное значение, до десятых долей единицы нижнего предела, если из контекста явно не следует иное между верхней и нижней границами этого диапазона и любые другие указанные или промежуточные значения в этом установленном интервале охватываются настоящим изобретением. Верхние и нижние пределы этих меньших диапазонов могут быть независимо включены в меньшие диапазоны, что также входит в объем изобретения, с учетом любого конкретно исключенного предела в указанном диапазоне. Когда указано, что диапазон включает один или оба предела, диапазоны, исключающие любое из обоих включенных пределов, также входят в объем изобретения.Where a range of values is presented, it is to be understood that each intermediate value, up to tenths of a unit of the lower limit, unless the context clearly indicates otherwise, between the upper and lower limits of this range and any other stated or intermediate values in this stated interval are encompassed by the present invention. The upper and lower limits of these smaller ranges may be independently included in the smaller ranges, which are also within the scope of the invention, taking into account any specifically excluded limit in the stated range. When a range is stated to include one or both limits, ranges excluding either of both included limits are also within the scope of the invention.

Все публикации, патенты и заявки на патенты включены в настоящий документ посредством ссылки. Хотя в вышеприведенном описании это изобретение было описано в отношении некоторых предпочтительных вариантов его осуществления, и многие детали были изложены в целях иллюстрации, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что изобретение допускает дополнительные варианты осуществления и что некоторые детали, описанные в данном документе, могут значительно изменяться без отклонения от сущности изобретения.All publications, patents and patent applications are incorporated herein by reference. Although the invention has been described in the foregoing description with respect to certain preferred embodiments thereof, and many details have been set forth for purposes of illustration, it will be apparent to those skilled in the art that the invention is susceptible to additional embodiments and that some details described herein may be substantially modified without departing from the spirit of the invention.

Использование терминов в единственном числе в контексте описания изобретения должно толковаться как охватывающее как единственное, так и множественное число, если иное не указано в данном документе или явно не противоречит контексту. The use of singular terms in the context of the description of the invention shall be construed as covering both the singular and the plural unless otherwise indicated herein or clearly contradicted by context.

Термины «состоящий из», «имеющий», «включающий» и «содержащий» следует толковать как неограничивающие термины, т.е. означающие «включая, но не ограничиваясь», если не указано иное. The terms “consisting of,” “having,” “including,” and “containing” are to be construed as open-ended terms, i.e., meaning “including, but not limited to,” unless otherwise specified.

Использование любых и всех примеров или иллюстративного языка (например, «такой как»), представленных в данном документе, предназначено просто для лучшего описания изобретения и не налагает ограничения на объем изобретения, если иное не заявлено. The use of any and all examples or illustrative language (e.g., "such as") provided herein is intended merely to better describe the invention and does not limit the scope of the invention unless otherwise stated.

Никакие формулировки в описании не следует истолковывать как указывающие на какой-либо не заявленный элемент как существенный для практического применения изобретения.No statement in the description should be construed as indicating any non-claimed element as essential to the practice of the invention.

Здесь описаны варианты осуществления этого изобретения, включая лучший из известных изобретателям способа осуществления изобретения. Разновидности этих вариантов осуществления могут стать очевидными для специалистов в данной области техники после прочтения предшествующего описания. Авторы ожидают, что квалифицированные специалисты будут использовать такие варианты в зависимости от обстоятельств, и авторы предполагают, что изобретение будет реализовано на практике иначе, чем конкретно описано в данном документе. Соответственно, это изобретение включает в себя все модификации и эквиваленты признаков, изложенных в прилагаемой формуле изобретения, как это разрешено действующим законодательством. Более того, любая комбинация вышеописанных признаков во всех их возможных вариациях охватывается изобретением, если иное не указано в данном документе или иным образом явно не противоречит контексту.Embodiments of this invention are described herein, including the best mode known to the inventors for carrying out the invention. Variations of these embodiments may become apparent to those skilled in the art upon reading the preceding description. The inventors expect skilled artisans to employ such variations as the circumstances dictate, and the inventors intend the invention to be practiced otherwise than as specifically described herein. Accordingly, this invention includes all modifications and equivalents of the features set forth in the appended claims as permitted by applicable law. Moreover, any combination of the above-described features in all their possible variations is encompassed by the invention unless otherwise indicated herein or otherwise clearly contradicted by context.

Для описания настоящего изобретения используются следующие термины. The following terms are used to describe the present invention.

Все технические и научные термины, использованные в данном документе, имеют такое значение, какое обычно понимается специалистами в области, к которой относится изобретение, если не указано иное. Все патенты и публикации, на которые имеются ссылки в данном документе, полностью включены в изобретение посредством ссылки.All technical and scientific terms used in this document have the same meaning as commonly understood by those skilled in the art to which the invention pertains, unless otherwise indicated. All patents and publications referenced in this document are incorporated by reference in their entirety.

Сокращения, используемые в настоящем описании, включая приведенные в иллюстративных схемах и последующих примерах, хорошо известны среднему специалисту. Некоторые из сокращений используют как нижеследующие:The abbreviations used in this description, including those given in the illustrative diagrams and the following examples, are well known to those of ordinary skill in the art. Some of the abbreviations used are as follows:

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота.DNA - deoxyribonucleic acid.

РНК - рибонуклеиновая кислота.RNA - ribonucleic acid.

Нецелевая нуклеиновая кислота –примесная нуклеиновая кислота, которая не является объектом очистки и выделения.Non-target nucleic acid is impurity nucleic acid that is not the object of purification and isolation.

Электрофорезный канал – канал в устройстве с возможностью проведения электрофореза, который подвергается электрофорезу.Electrophoresis channel – a channel in a device with the ability to perform electrophoresis, which is subjected to electrophoresis.

NGS - секвенирование нового поколения (англ. next generation sequencing, NGS).NGS - next generation sequencing.

HEPES -(4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтансульфоновая кислота) представляет собой цвиттер-ионный органический буферный агент; один из двадцати в списке буферных растворов Гуда. HEPES - (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) is a zwitterionic organic buffering agent; one of twenty in Good's list of buffer solutions.

THE - электрофорезный буфер (Трис-HEPES-ЭДТА), а также для растворения и хранения ДНК, 1-кратный буфер содержит 20 мМ Трис и 20 мМ HEPES и 0.1 мМ ЭДТА.THE - electrophoresis buffer (Tris-HEPES-EDTA), also for dissolving and storing DNA, 1x buffer contains 20 mM Tris and 20 mM HEPES and 0.1 mM EDTA.

TE - буфер для растворения и хранения ДНК, 1-кратный буфер содержит 10 мМ Трис-HCl (pH 8.0) и 0.1мМ ЭДТА.TE - buffer for DNA dissolution and storage, 1x buffer contains 10 mM Tris-HCl (pH 8.0) and 0.1 mM EDTA.

TBE – электрофорезный буфер (Трис-борат-ЭДТА), 1-кратный буфер содержит 45 мМ Трис, 45 мМ борную кислоту и 0.5мМ ЭДТА, рН 8.3.TBE – electrophoresis buffer (Tris-borate-EDTA), 1x buffer contains 45 mM Tris, 45 mM boric acid and 0.5 mM EDTA, pH 8.3.

TAE - электрофорезный буфер (трис-ацетат-ЭДТА), 1-кратный буфер содержит 40 мМ Трис, 20 мМ ацетат и 0.5мМ ЭДТА, рН 8.0. Фасовка 5 л поставляется в кубическом контейнере.TAE - electrophoresis buffer (Tris-acetate-EDTA), 1x buffer contains 40 mM Tris, 20 mM acetate and 0.5 mM EDTA, pH 8.0. 5 l packaging is supplied in a cubic container.

ЭДТА - этилендиаминтетрауксусная кислота, (от англ. EDTA).EDTA - ethylenediaminetetraacetic acid (from English EDTA).

SDS - додецилсульфат натрия, анионоактивное поверхностно-активное вещество.SDS - sodium dodecyl sulfate, an anionic surfactant.

CTAB - цетилтриметиламмония бромид (англ. cetril trimethyl ammonium bromide), синтетическое поверхностно-активное вещество, обладает антисептическим и антистатическим действием.CTAB - cetyltrimethylammonium bromide, a synthetic surfactant, has antiseptic and antistatic effects.

TGS - платформа секвенирования третьего поколения (от англ. third-generation sequencing, TGS).TGS is a third-generation sequencing platform.

SYBR GreenI - асимметричный цианиновый краситель, используемый в молекулярной биологии для окрашивания нуклеиновых кислот.SYBR GreenI is an asymmetric cyanine dye used in molecular biology to stain nucleic acids.

EtBr - бромистый этидий (3,8-диамино-5-этил-6-фенилфенантридиум бромид), флуоресцентный краситель, как интеркалирующий агент в молекулярной биологии для выявления нуклеиновых кислот, при электрофорезе ДНК в агарозном геле.EtBr - ethidium bromide (3,8-diamino-5-ethyl-6-phenylphenanthridium bromide), a fluorescent dye used as an intercalating agent in molecular biology for detecting nucleic acids during DNA electrophoresis in agarose gel.

XyleneCyanol FF - ксиленцианол, используется в качестве следящего красителя при электрофорезе агарозы или полиакриламидного геля. Он имеет небольшой отрицательный заряд и мигрирует в том же направлении, что и ДНК, позволяя пользователю следить за продвижением молекул через гель. Скорость миграции зависит от состава геля.XyleneCyanol FF is a xylene cyanol used as a tracking dye in agarose or polyacrylamide gel electrophoresis. It has a slight negative charge and migrates in the same direction as the DNA, allowing the user to follow the molecules as they move through the gel. The rate of migration depends on the composition of the gel.

PFGE - гель-электрофорез в импульсном поле.PFGE - pulsed field gel electrophoresis.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОЦЕДУРЫEXPERIMENTAL PROCEDURES

Заявленный способ выделения и очистки высокомолекулярных нуклеиновых кислот из образца включает заполнение зоны электрофорезного канала основным гелем, затем нанесение образца в слот (лунку для нанесения образца). The claimed method for isolating and purifying high-molecular nucleic acids from a sample involves filling the electrophoresis channel zone with a basic gel, then applying the sample to a slot (well for applying the sample).

Далее осуществляют очистку высокомолекулярной нуклеиновой кислоты методом электрофореза. Затем осуществляют остановку электрофореза после отделения высокомолекулярной нуклеиновой кислоты от загрязнений и до того, как очищенная нуклеиновая кислота выйдет из основного геля. Затем производят установку агарозного блокирующего геля с повышенным содержанием соли в электрофорезный канал после основного геля, в котором находится очищенная нуклеиновая кислота, с образованием зазора между гелями не менее 0,5 см. На следующем этапе заполняют зазор между гелями буфером для электрофореза и возобновляют электрофорез до тех пор, пока целевая нуклеиновая кислота не мигрирует в зазор между гелями. На последнем этапе реализации способа осуществляют отбор очищенной высокомолекулярной нуклеиновой кислоты из зазора между гелями.Next, the high-molecular nucleic acid is purified by electrophoresis. Then, the electrophoresis is stopped after the high-molecular nucleic acid has been separated from contaminants and before the purified nucleic acid has exited the main gel. Then, an agarose blocking gel with an increased salt content is installed in the electrophoresis channel after the main gel containing the purified nucleic acid, creating a gap between the gels of at least 0.5 cm. At the next stage, the gap between the gels is filled with electrophoresis buffer and electrophoresis is resumed until the target nucleic acid migrates into the gap between the gels. At the last stage of the method, the purified high-molecular nucleic acid is collected from the gap between the gels.

Заявленный способ включает метод гель-электрофореза, за которым следует электроэлюция. Он основан на том факте, что электрофоретическая подвижность ДНК уменьшается с увеличением концентрации соли(ионной силы) в среде электрофореза. После достаточного отделения ДНК от различных загрязнений гелевый блок с повышенным содержанием соли помещают на пути дальнейшего электрофореза ДНК (или РНК), а резервуар для сбора очищенного образца располагают между разделяющим гелем и гелем с повышенным содержанием соли. Электроэлюция из основного (разделяющего) геля может продолжаться до тех пор, пока целевая ДНК не мигрирует в резервуар для сбора (зазор между гелями), где она постепенно замедляется и накапливается. Очищенную ДНК можно легко извлечь из резервуара с помощью пипетки и использовать либо сразу, либо после обессоливания, в зависимости от дальнейшего применения. Предлагаемый способ очистки ДНК особенно полезен, когда другие методы неэффективны или нецелесообразны, например, для обработки многокомпонентных образцов, содержащих сложные смеси биомолекул. Кроме того, заявленный способ экономически эффективен и не требует сложных реагентов или инструментов.The claimed method includes a gel electrophoresis method followed by electroelution. It is based on the fact that the electrophoretic mobility of DNA decreases with increasing salt concentration (ionic strength) in the electrophoresis medium. After sufficient separation of DNA from various contaminants, a gel block with an increased salt content is placed in the path of further DNA (or RNA) electrophoresis, and a reservoir for collecting the purified sample is located between the separating gel and the gel with an increased salt content. Electroelution from the main (separating) gel can continue until the target DNA migrates into the collection reservoir (the gap between the gels), where it gradually slows down and accumulates. Purified DNA can be easily removed from the reservoir using a pipette and used either immediately or after desalting, depending on further application. The proposed DNA purification method is especially useful when other methods are ineffective or impractical, for example, for processing multicomponent samples containing complex mixtures of biomolecules. In addition, the claimed method is cost-effective and does not require complex reagents or tools.

В ионных растворах отрицательно заряженная нуклеиновая кислота окружена положительно заряженными катионами (противоионами) и отрицательно заряженными анионами (коионами), которые образуют так называемую ионную атмосферу. Ионная атмосфера имеет более высокую концентрацию притягиваемых катионов (накопление противоионов) и более низкую концентрацию отталкиваемых анионов (истощение коионов) и сильно зависит от ионной силы раствора.In ionic solutions, the negatively charged nucleic acid is surrounded by positively charged cations (counterions) and negatively charged anions (co-ions), which form the so-called ionic atmosphere. The ionic atmosphere has a higher concentration of attracted cations (counterion accumulation) and a lower concentration of repelled anions (co-ion depletion) and is strongly dependent on the ionic strength of the solution.

Известно, что увеличение ионной силы вызывает электростатическое экранирование отрицательного заряда ДНК противоионами (фиг. 1), тем самым уменьшая ее подвижность в растворе во время капиллярного электрофореза. It is known that an increase in ionic strength causes electrostatic shielding of the negative charge of DNA by counterions (Fig. 1), thereby reducing its mobility in solution during capillary electrophoresis.

На фиг.1 показан принцип захвата электроэлюированной ДНК в зазоре между гелями с низкой и высокой ионной силой (фиг. 1 пример 3). Схематическое изображение ионной атмосферы, окружающей ДНК в гелях, содержащих различные концентрации соли. Красные и синие кружки представляют собой катионы Na+ и анионы Cl-. Более высокое накопление катионов вокруг ДНК и РНК в геле с повышенным содержанием соли (фиг. 1 пример 2) по сравнению с обычным гелем (фиг. 1 пример 1) вызывает более сильное электростатическое экранирование отрицательного заряда ДНК, тем самым уменьшая ее электрофоретическую подвижность. Это явление можно использовать для улавливания ДНК в заполненном буфером промежутке перед гелем с повышенным содержанием соли, где подвижность ДНК замедляется и происходит ее накопление (фиг. 1 пример 3).Figure 1 shows the principle of trapping electroeluted DNA in the gap between low and high ionic strength gels (Fig. 1 example 3). Schematic representation of the ionic atmosphere surrounding DNA in gels containing different salt concentrations. Red and blue circles represent Na + cations and Cl - anions. The higher accumulation of cations around DNA and RNA in the high salt gel (Fig. 1 example 2) compared to the normal gel (Fig. 1 example 1) causes stronger electrostatic shielding of the negative charge of DNA, thereby reducing its electrophoretic mobility. This phenomenon can be used to trap DNA in the buffer-filled gap in front of the high salt gel, where DNA mobility slows down and accumulation occurs (Fig. 1 example 3).

Основываясь на принципе, лежащем в основе вышеуказанной методологии, что электрофоретическая подвижность нуклеиновых кислот зависит от концентрации солей и может сильно снижаться в присутствии высокой концентрации соли, когда солевой блок (блокирующий гель), содержащий повышенную концентрацию соли, располагается по направлению движения нуклеиновых кислот. Чтобы продемонстрировать это явление, был вырезан фрагмент геля перед мигрирующей ДНК и его заменили гелем, содержащим повышенную концентрацию соли. При приближении к высокосолевому гелю (агарозному блокирующему гелю) ДНК показала заметное снижение электрофоретической подвижности, свидетельствующее об электростатическом экранировании избытком противоионов (фиг.1). Основываясь на этой проверке концепции, разработан способ очистки высокомолекулярной ДНК (или РНК), который сочетает в себе гель-электрофорез и электроэлюцию и включает улавливание ДНК (РНК)с помощью гелевого блока (добавлением агарозного блокирующего геля) с повышенным содержанием соли.Based on the principle underlying the above methodology, that the electrophoretic mobility of nucleic acids is dependent on the salt concentration and can be greatly reduced in the presence of a high salt concentration when a salt block (blocking gel) containing an increased salt concentration is positioned in the direction of migration of the nucleic acids. To demonstrate this phenomenon, a section of gel ahead of the migrating DNA was excised and replaced with a gel containing an increased salt concentration. When approaching the high salt gel (agarose blocking gel), the DNA showed a marked decrease in electrophoretic mobility, indicating electrostatic shielding by excess counterions (Fig. 1). Based on this proof of concept, a method for purifying high molecular weight DNA (or RNA) was developed that combines gel electrophoresis and electroelution and involves trapping the DNA (RNA) with a gel block (by adding an agarose blocking gel) with an increased salt content.

Предлагаемый способ и устройство использует очистку высокомолекулярной ДНК электрофорезом, например, в горизонтальных каналах. Формовочный лоток для гелей можно легко изготовить самостоятельно с помощью 3D-печати или на фрезерном станке для обработки пластиковой заготовки, прозрачной для видимого и УФ излучения. Ширина и высота каждого канала может составлять примерно 1 см, что достаточно для эффективного разделения и очистки стандартных образцов ДНК и для размещения однолуночной гребенки для электрофореза.The proposed method and device use high-molecular DNA purification by electrophoresis, for example, in horizontal channels. The gel molding tray can be easily manufactured independently using 3D printing or on a milling machine for processing a plastic blank transparent to visible and UV radiation. The width and height of each channel can be approximately 1 cm, which is sufficient for the effective separation and purification of standard DNA samples and for placing a single-well comb for electrophoresis.

На фиг. 2схематически показан процесс очистки геля высокомолекулярной ДНК, предложенныйв изобретении.Fig. 2 schematically shows the process of purification of a high molecular weight DNA gel proposed in the invention.

Две секции вырезали ниже по течению от места для нанесения образца, создавая резервуар для сбора очищенного образца(зазор) и формовочную полость для размещения агарозного блокирующего геля.Two sections were cut downstream of the sample deposition site, creating a reservoir for collecting the cleared sample (gap) and a molding cavity for placing the agarose blocking gel.

На следующем этапе полученную формовочную полость могут заполнять расплавленным раствором агарозного блокирующего геля, содержащим повышенную концентрацию соли. В одном из вариантов реализации способа после затвердевания агарозного блокирующего геля с повышенным содержанием соли, его осторожно удаляли из формовочного лотка и откладывали для дальнейшего использования во время электрофореза.In the next step, the resulting molding cavity can be filled with a molten solution of agarose blocking gel containing an increased concentration of salt. In one embodiment of the method, after the agarose blocking gel with an increased salt content hardened, it was carefully removed from the molding tray and set aside for further use during electrophoresis.

Лоток (резервуар для размещения агарозного блокирующего геля см. фиг. 4), который теперь содержал только основной гель, переносили в резервуар для электрофореза. The tray (reservoir for placing the agarose blocking gel, see Fig. 4), which now contained only the main gel, was transferred to the electrophoresis reservoir.

Образец, содержащий целевую высокомолекулярную ДНК, наносили в лунку на основном геле и подвергали электрофорезу.A sample containing the target high molecular weight DNA was loaded into a well on the base gel and subjected to electrophoresis.

Электрофорез продолжался до тех пор, пока высокомолекулярная ДНК не достигала конца основного геля, ток временно отключали и блокирующий гель вынимали из резервуара для электрофореза.Electrophoresis was continued until the high molecular weight DNA reached the end of the base gel, the current was temporarily turned off and the blocking gel was removed from the electrophoresis reservoir.

Резервуар для сбора образцов (зазор) заполняли свежим электрофорезным буфером с низкой ионной силой. Устанавливали агарозный блокирующий гель и снова включали ток для электроэлюции очищенной высокомолекулярной ДНК из разделяющего геля в резервуар.The sample collection reservoir (gap) was filled with fresh low ionic strength electrophoresis buffer. The agarose blocking gel was installed and the current was turned on again to electroelute the purified high molecular weight DNA from the separating gel into the reservoir.

Дальнейшая миграция ДНК через заполненный буфером зазор постепенно замедлялась за счет нейтрализации отрицательного заряда ДНК избытком катионов, двигающихся навстречу из агарозного блокирующего геля. Это приводило к накоплению очищенной высокомолекулярной ДНК в зазоре, из которого ее можно было легко извлечь с помощью пипетки.Further migration of DNA through the buffer-filled gap was gradually slowed by neutralization of the negative charge of DNA by excess cations moving towards it from the agarose blocking gel. This resulted in the accumulation of purified high-molecular-weight DNA in the gap, from which it could be easily extracted with a pipette.

Гель-электрофорез представляет собой способ выбора для очистки длинных олигонуклеотидов, поскольку он предлагает один из самых высоких уровней чистоты среди доступных методов очистки. То же самое верно для очистки полноразмерной ДНК. Gel electrophoresis is the method of choice for purifying long oligonucleotides because it offers one of the highest levels of purity among available purification methods. The same is true for the purification of full-length DNA.

Результат применения заявленного способа представлен на фиг. 3, на которой наблюдается эффективно очищенная и концентрированная ДНК.The result of using the claimed method is shown in Fig. 3, where effectively purified and concentrated DNA is observed.

Способ, предложенный в этом изобретении, не предполагает измельчения геля; вместо этого он основан на непрерывном процессе электрофореза и электроэлюции, который не нарушает структуры геля, тем самым устраняя загрязнения образца полисахаридами из агарозы. The method proposed in this invention does not involve grinding the gel; instead, it is based on a continuous process of electrophoresis and electroelution that does not disrupt the structure of the gel, thereby eliminating contamination of the sample with polysaccharides from agarose.

В предлагаемом способе электроэлюированная ДНК накапливается в резервуаре для сбора образцов (зазоре между гелями), заполненном буфером для электрофореза. Предпочтительно, чтобы буфер был совместим с последующими ферментативными реакциями и длительным хранением образцов. Электрофорезный буфер трис-борат-ЭДТА (ТВЕ) является одним из наиболее распространенных рабочих буферов, используемых в электрофорезе коротких фрагментов нуклеиновых кислот. Однако борат-ионы образуют комплексы с ДНК (22, 23) и белками (24-26), а также ингибируют активность многих ферментов (27).Это делает TBE непригодным для данного протокола. Наиболее популярной альтернативой TBE является буфер трис-ацетат-ЭДТА (TAE). Буфер ТАЕ на основе уксусной кислоты и триса, может быть использован. Однако, высокое содержание уксусной кислоты в ТАЕ буфере, потенциально может ингибировать некоторые ферментативные реакции, такие как ПЦР (28) и данный буфер быстро теряет буферную емкость и нагревается при длительном использовании. Присутствие в буферахвысокой концентрации ЭДТА, может также ингибирует ПЦР (28) и ряд ферментов, модифицирующих ДНК, таких как щелочная фосфатаза (29) и нуклеаза S1 (30).In the proposed method, electroeluted DNA is collected in a sample collection reservoir (the gap between the gels) filled with an electrophoresis buffer. Preferably, the buffer should be compatible with subsequent enzymatic reactions and long-term storage of samples. Tris-borate-EDTA (TBE) electrophoresis buffer is one of the most common working buffers used in electrophoresis of short nucleic acid fragments. However, borate ions form complexes with DNA (22, 23) and proteins (24-26), and inhibit the activity of many enzymes (27). This makes TBE unsuitable for this protocol. The most popular alternative to TBE is Tris-acetate-EDTA (TAE) buffer. TAE buffer, based on acetic acid and Tris, can be used. However, the high acetic acid content of TAE buffer can potentially inhibit some enzymatic reactions such as PCR (28) and the buffer rapidly loses buffering capacity and heats up with prolonged use. The presence of high concentrations of EDTA in buffers can also inhibit PCR (28) and a number of DNA modifying enzymes such as alkaline phosphatase (29) and nuclease S1 (30).

Определение локализации интересующей полосы целевой высокомолекулярной ДНК имеет значение для определения момента, когда необходимо использовать блокирующий гель с повышенным содержанием соли, останавливающий подвижность ДНК и РНК. Самый простой способ приблизительно оценить (без использования УФ-А излучения), когда высокомолекулярная ДНК приблизится к концу разделяющего геля, это использовать медленно мигрирующий лидирующий краситель, такой как ксиленцианол (XyleneCyanol FF). Поскольку ксиленцианол мигрирует в 0,8% агарозном геле примерно с той же скоростью, что и фрагмент двуцепочечной ДНК размером не ниже 10т.п.н., блокирующий гель с повышенным содержанием соли можно использовать после того, как краситель ксиленцианол начнет выходить из основного геля. Determining the localization of the target high-molecular-weight DNA band of interest is important in determining when to use a high-salt blocking gel to stop the mobility of DNA and RNA. The easiest way to estimate (without using UV-A light) when the high-molecular-weight DNA is approaching the end of the separating gel is to use a slow-migrating lead dye such as XyleneCyanol FF. Since XyleneCyanol migrates in a 0.8% agarose gel at approximately the same rate as a dsDNA fragment of at least 10 kb, the high-salt blocking gel can be used after the XyleneCyanol dye begins to migrate out of the main gel.

В качестве альтернативы, можно оценить миграцию высокомолекулярной ДНК на основе положения фрагментов, предварительно окрашенных (например, окрашенных интеркалирующими красителями (SYBR Green I, EvaGreen, SYBR Safe, GelRed или GelGreen),с использованием, например, ближнего УФ-А излучения (LED источник черного светав диапазоне 365-395нм), которое не будет разрушать нуклеиновые кислоты. Наиболее распространенным способом обнаружения ДНК в геле является использование флуоресцентного интеркалирующего красителя, небольшой молекулы, которая обратимо встраивается между соседними парами оснований двойной спирали. Бромистый этидий (EtBr) остается наиболее широко используемым флуоресцентным интеркалирующим красителем в электрофорезе ДНК несмотря на то, что он является потенциальным канцерогеном и предпочтительным использованием УФ-B (210 нм и 285 нм) излучения для визуализации, что приводит к повреждению ДНК. Использование, например, ближнего УФ-А излучения (источник черного света) допускается при окрашивании ДНК с помощью красителя EtBr. Альтернативы красителю EtBr включают, среди прочего, SYBR Green I, EvaGreen, SYBR Safe, GelRed и GelGreen, все из которых имеют лучшие профили безопасности, чем EtBr, и могут быть визуализированы с использованием, например, ближнего УФ-А излучения (источник черного свет, в диапазоне 365-395 нм) или синего света. Тем не менее, из-за своей ДНК-связывающей природы все интеркалирующие красители изменяют структуру и механические свойства ДНК (31-33) и потенциально будут мешать последующим ферментативным реакциям(34-36). Поэтому, если последующее применение чувствительно к присутствию интеркалирующего красителя, рекомендуется выполнить дополнительную стадию очистки, с помощью осаждения ДНК изопропанолом (см. абзац ниже). Однако самый простой способ избежать описанной выше проблемы - сначала определить время, когда флуоресцентно окрашенная высокомолекулярная ДНК достигнет конца разделяющего геля, а затем рутинно использовать полученные параметры (время электрофореза и используемое напряжение) для выделения аналогичных, но неокрашенных, ДНК. Этот подход может быть особенно ценным при параллельном выделении высокомолекулярных ДНК одинакового размера в крупномасштабных экспериментах.Alternatively, it is possible to assess the migration of high molecular weight DNA based on the position of fragments pre-stained (e.g. stained with intercalating dyes (SYBR Green I, EvaGreen, SYBR Safe, GelRed or GelGreen)) using e.g. near UV-A radiation (LED black light source in the range of 365-395 nm), which will not destroy nucleic acids. The most common way to detect DNA in a gel is to use a fluorescent intercalating dye, a small molecule that reversibly intercalates between adjacent base pairs of the double helix. Ethidium bromide (EtBr) remains the most widely used fluorescent intercalating dye in DNA electrophoresis despite the fact that it is a potential carcinogen and the preferred use of UV-B (210 nm and 285 nm) radiation for visualization results in DNA damage. Using e.g. near UV-A radiation (LED black light source) allowed when staining DNA with EtBr dye. Alternatives to EtBr dye include, among others, SYBR Green I, EvaGreen, SYBR Safe, GelRed and GelGreen, all of which have better safety profiles than EtBr and can be visualized using, for example, near-UVA radiation (black light source, in the range of 365-395 nm) or blue light. However, due to their DNA-binding nature, all intercalating dyes alter the structure and mechanical properties of DNA (31-33) and will potentially interfere with subsequent enzymatic reactions (34-36). Therefore, if the subsequent application is sensitive to the presence of an intercalating dye, an additional purification step is recommended, using isopropanol DNA precipitation (see paragraph below). However, the simplest way to avoid the problem described above is to first determine the time at which the fluorescently stained high-molecular-weight DNA reaches the end of the separating gel, and then routinely use the obtained parameters (electrophoresis time and voltage used) to isolate similar, but unstained, DNA. This approach can be especially valuable when parallel isolation of high-molecular-weight DNAs of the same size is performed in large-scale experiments.

При выборе концентрации соли в блокирующем геле необходимо соблюдать баланс. С одной стороны, концентрация соли должна быть достаточной для замедления миграции ДНК в зазоре между гелями. С другой стороны, слишком высокая концентрация соли загрязнит образец ДНК и может привести к остановке ДНК уже в разделяющем геле до того, как она попадет в резервуар для сбора образцов. После проведения ряда тестов определили, что оптимальная концентрация (т.е. дополнительно повышение достижения технического результата) соли составляет приблизительно в переделах 0,5 - 1 М хлорида натрия. Это значение согласуется с ранее опубликованными данными, показывающими, что электрофоретическая подвижность двухцепочечной ДНК в свободном растворе уменьшалась с увеличением ионной силы до тех пор, пока она не начала выравниваться примерно при 0,6 М ацетат натрия (16). При 0,5 М хлорида натрия в блокирующем геле концентрация ионов натрия в выделенном образце ДНК составляла от 30 до 40 мМ по результатам определения с помощью оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES). Большинство ферментативных реакций, даже наиболее чувствительных к соли (например, лигирование ДНК-лигазой Т4), совместимы с этой концентрацией соли, особенно с учетом разбавления образца в реакционной смеси. Таким образом, полученная ДНК подходит без дополнительного обессоливания для различных последующих ферментативных реакций, включая лигирование адаптера для секвенирования с длинным считыванием. Однако для некоторых специфических применений, таких как подготовка образца для секвенирования с использованием платформ третьего поколения, для анализа ДНК с помощью масс-спектрометрии с лазерной десорбцией/ионизацией (MALDI) (37), может потребоваться дополнительная стадия обессоливания и концентрирование образца. Преципитация нуклеиновых кислот с помощью смешения сравным объемом солевой смеси с изопропанолом является первым методом выбора для обессоливания и концентрирования ДНК. Этот метод требует наличие настольной центрифуги с охлаждением и определённого времени для инкубации образца при -20°в морозилке, но может привести к неполному осаждению ДНК из разбавленных образцов. Другим подходом для одновременного обессоливания и концентрирования образцов является использование коммерческих центрифужных мембранных фильтрующих устройств (например, Amicon Ultra-2 CentrifugalFilterUnit от Millipore). Дополнительно, существуют альтернативные методы обессоливания, такие как гель-фильтрация на спин-колонках с последующей (при необходимости) экстракцией бутанолом (38) для концентрирования образца. Спин-колонка может быть как коммерческой, так и заполненной сорбентом для гель-фильтрации (39) в собственнойлаборатории. Таким образом, существует несколько методов эффективного обессоливания и концентрирования высокомолекулярной ДНК. Эти методы, помимо выполнения своих основных функций, также отделяют любые остаточные лидирующие и/или интеркалирующие красители от целевой высокомолекулярной ДНК.A balance must be struck when selecting the salt concentration in the blocking gel. On the one hand, the salt concentration must be sufficient to slow down the migration of DNA in the gap between the gels. On the other hand, too high a salt concentration will contaminate the DNA sample and may cause DNA to be arrested in the separating gel before it reaches the sample collection reservoir. After a series of tests, the optimum concentration (i.e., the additional increase in the technical result) of salt was found to be approximately 0.5 - 1 M sodium chloride. This value is consistent with previously published data showing that the electrophoretic mobility of double-stranded DNA in free solution decreased with increasing ionic strength until it began to level off at approximately 0.6 M sodium acetate (16). With 0.5 M sodium chloride in the blocking gel, the sodium ion concentration of the isolated DNA sample was between 30 and 40 mM as determined by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES). Most enzymatic reactions, even the most salt-sensitive ones (e.g., ligation with T4 DNA ligase), are compatible with this salt concentration, especially considering the sample dilution in the reaction mixture. Thus, the obtained DNA is suitable without additional desalting for a variety of subsequent enzymatic reactions, including adapter ligation for long-read sequencing. However, for some specific applications, such as sample preparation for sequencing using third-generation platforms, for DNA analysis by laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry (37), an additional desalting step and sample concentration may be required. Precipitation of nucleic acids by mixing an equal volume of a salt mixture with isopropanol is the first choice method for desalting and concentrating DNA. This method requires a refrigerated benchtop centrifuge and a certain time for incubating the sample at -20° in a freezer, but may result in incomplete precipitation of DNA from dilute samples. Another approach for simultaneous desalting and concentrating of samples is to use commercial centrifugal membrane filter units (e.g., Amicon Ultra-2 CentrifugalFilterUnit from Millipore). Additionally, alternative desalting methods exist such as gel filtration on spin columns followed (if necessary) by butanol extraction (38) to concentrate the sample. The spin column can be either commercially available or packed with gel filtration sorbent (39) in-house. Thus, there are several methods for efficient desalting and concentrating of high molecular weight DNA. These methods, in addition to performing their primary functions, also separate any residual leading and/or intercalating dyes from the target high molecular weight DNA.

Основное преимущество предлагаемого способа заключается в том, что предлагается простое и эффективное решение для выделения и очистки высокомолекулярной ДНК, пригодное для секвенированияс длинным считыванием. Современные технологии длинных считываний/TGS (40) были разработаны для преодоления основного ограничения секвенирования второго поколения, а именно коротких прочтений длиной менее 600 нуклеотидов. Более длинные прочтения (в диапазоне от 10 т.п.н. до более чем 400 т.п.н.), генерируемые TGS, существенно улучшают качество и полноту сборки генома и особенно полезны для характеристики высоко повторяющихся геномных областей. Текущая реакционная смесь, использующая при TGS чувствительна к присутствию загрязнителей в образцах ДНК. Поэтому важно получать ДНК как с высокой молекулярной массой, так и с высокой чистотой, чтобы воспользоваться возможностями, предлагаемыми TGS. The main advantage of the proposed method is that it provides a simple and efficient solution for the extraction and purification of high-molecular-weight DNA suitable for long-read sequencing. Current long-read/TGS technologies (40) were developed to overcome the main limitation of second-generation sequencing, namely short reads of less than 600 nucleotides in length. Longer reads (ranging from 10 kb to more than 400 kb) generated by TGS significantly improve the quality and completeness of genome assembly and are particularly useful for characterizing highly repetitive genomic regions. The current reaction mixture used in TGS is sensitive to the presence of contaminants in DNA samples. Therefore, it is important to obtain DNA with both high molecular weight and high purity to take advantage of the opportunities offered by TGS.

Несмотря на то, что верхний предел разрешения 0,8% агарозных гелей, использованных в настоящем исследовании, составляет около 50т.п.н., более крупные молекулы ДНК могут также быть извлечены из таких гелей, если ДНК входит в гель и мигрирует в нем в рамках процесса, называемого рептация (41). Таким образом, предложенный способ может быть успешно использован для отделения ДНК размером более 50т.п.н. от примесей меньшего размера. Однако, если есть необходимость отделить друг от друга отдельные молекулы ДНК размером более 50т.п.н., верхний предел разрешения гель-электрофореза должен быть расширен. Теоретически этого можно достичь, используя низкопроцентные жидкие агарозные гели (0,1–0,3%), которые способны разделять молекулы ДНК длиной до 750 т.п.н. Однако, такие гели в горизонтальном варианте являются хрупкими, требуют особого обращения и разделение в них требует много времени (42,43). Использование коротких вертикальных и закрытых каналов с жидким гелем, позволяет хорошо и быстро элюировать целую высокомолекулярную ДНК любого размера (вирусы, хромосомы). Другой способ расширить верхний предел разрешения агарозных гелей — это использование гель-электрофореза в импульсном поле (PFGE), который основан на приложении электрического поля к гелю с разных направлений. В отличие от обычного электрофореза в стационарном поле, PFGE способен разделять ДНК длиной до 5 миллионов пар оснований(44). Заявленный способ может использоваться для выделения высокомолекулярной ДНК, разделенной с помощью PFGE. С точки зрения теории электрофореза, нет никаких препятствий для использования ДНК-ловушки на основе блокирующего геля с повышенным содержанием соли в сочетании с PFGE. Таким образом, заявленный способ имеет потенциал для выделения высокомолекулярной ДНК размером до нескольких миллионов оснований с чистотой, подходящей для TGS и других требовательных медицинских и технологических применений.Although the upper limit of resolution of the 0.8% agarose gels used in the present study is approximately 50 kb, larger DNA molecules can also be recovered from such gels if the DNA enters and migrates within the gel in a process called reptation (41). Thus, the proposed method can be successfully used to separate DNA larger than 50 kb from smaller contaminants. However, if there is a need to separate individual DNA molecules larger than 50 kb from each other, the upper limit of resolution of gel electrophoresis must be extended. This can theoretically be achieved using low-percentage liquid agarose gels (0.1–0.3%), which are capable of separating DNA molecules up to 750 kb in length. However, such gels are fragile in horizontal mode, require special handling, and separation is time consuming (42,43). The use of short vertical and closed channels with a liquid gel allows good and fast elution of whole high-molecular DNA of any size (viruses, chromosomes). Another way to extend the upper limit of resolution of agarose gels is to use pulsed-field gel electrophoresis (PFGE), which is based on the application of an electric field to the gel from different directions. Unlike conventional electrophoresis in a steady field, PFGE is capable of separating DNA up to 5 million base pairs in length (44). The claimed method can be used to isolate high-molecular DNA separated by PFGE. From the point of view of electrophoresis theory, there are no obstacles to the use of a DNA trap based on a blocking gel with an increased salt content in combination with PFGE. Thus, the claimed method has the potential to isolate high-molecular DNA up to several million bases in size with a purity suitable for TGS and other demanding medical and technological applications.

Еще одним преимуществом предлагаемого способа является способность гель-электрофореза отделять интересующую ДНК от химически различных биомолекул за одну стадию. Эти молекулы могут включать, но не ограничиваться, следующими: нежелательные длинноцепочечные ДНК или РНК, короткие олигонуклеотиды ДНК и РНК, полисахариды, полифенолы, гуминовые вещества, белки, пептиды, липиды, пигменты и вторичные метаболиты. Обычные методы очистки ДНК часто требуют нескольких этапов при работе со сложными образцами. В отличие от этих методов, гель-электрофорез позволяет отделить целевую ДНК от различных химически родственных и неродственных молекул за одну стадию, основываясь на их различиях в заряде и размере. Кроме того, гель-электрофорез обычно не требует сложной предварительной обработки образца для достижения хорошего разделения. В наших экспериментах для обработки образца было достаточно простого и недорогого протокола, который позволяет сохранить первичный размер высокомолекулярной ДНК, основанного на использовании додецилсульфта натрия и протеиназы K. Еще одно преимущество очистки ДНК с помощью гель-электрофореза заключается в том, что для нее требуется меньше исходной ДНК, чем для других способов очистки. Это особенно ценно, когда очищенный образец содержит лишь небольшое количество целевой ДНК. Кроме того, нанесение несколько микрограмм ДНК для разделения в геле, вызывает размытие полос, и эта проблема усугубляется по мере увеличения размера ДНК. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать меньше исходного материала, чем обычно требуется для других способов. Например, всего 10 мкг образца ткани с нормальным содержанием ДНК может быть достаточно для получения до 1 мкг очищенной высокомолекулярной ДНК. В соответствии с вышеизложенным предлагаемый способ является эффективным для одноэтапной обработки сложных образцов, содержащих химически разнообразные примеси и лишь небольшое количество целевой ДНК.Another advantage of the proposed method is the ability of gel electrophoresis to separate the DNA of interest from chemically diverse biomolecules in a single step. These molecules may include, but are not limited to, the following: unwanted long-chain DNA or RNA, short oligonucleotides of DNA and RNA, polysaccharides, polyphenols, humic substances, proteins, peptides, lipids, pigments, and secondary metabolites. Conventional DNA purification methods often require multiple steps when working with complex samples. In contrast, gel electrophoresis allows the separation of target DNA from various chemically related and unrelated molecules in a single step based on their differences in charge and size. In addition, gel electrophoresis typically does not require complex sample pretreatment to achieve good separation. In our experiments, a simple and inexpensive protocol based on sodium dodecyl sulfate and proteinase K, which preserves the primary size of high-molecular-weight DNA, was sufficient for sample processing. Another advantage of DNA purification by gel electrophoresis is that it requires less starting DNA than other purification methods. This is especially valuable when the purified sample contains only a small amount of target DNA. In addition, loading several micrograms of DNA for gel separation causes band blurring, a problem that becomes more severe as the DNA size increases. For best results, it is recommended to use less starting material than is typically required for other methods. For example, as little as 10 μg of a tissue sample with normal DNA content may be sufficient to obtain up to 1 μg of purified high-molecular-weight DNA. Accordingly, the proposed method is effective for one-step processing of complex samples containing chemically diverse impurities and only a small amount of target DNA.

Важной особенностью предлагаемого способ является его потенциал масштабируемости и автоматизации. Существует возможность масштабирования системы для размещения 8, 12, 24, 48 или даже большего количества разделительных каналов в вертикальном или горизонтальном варианте, и оптимизации форм каналов для конкретных высокопроизводительных задач. An important feature of the proposed method is its scalability and automation potential. It is possible to scale the system to accommodate 8, 12, 24, 48 or even more separation channels in a vertical or horizontal version, and to optimize the channel shapes for specific high-performance tasks.

После первоначальной оптимизации с помощью 3D-печати подходящий прототип устройства может быть изготовлен на станке с ЧПУ из пластика, прозрачного для УФ-А излучения. На фиг. 4 представлена модель устройства для электрофореза/электроэлюции для крупномасштабной очистки высокомолекулярной ДНК, имеющее канал с двумя расширениями, первое из которых содержит предварительно залитый основной (разделяющий) агарозный гель. Образец, содержащий целевую ДНК, загружают в лунку для нанесения образца и проводят электрофорез до тех пор, пока высокомолекулярная ДНК не достигнет конца разделяющего геля, а все нежелательные молекулы выйдут из него. Электрофорез останавливают, резервуар для сбора очищенного образца наполняют свежим буфером и во второе расширение электрофорезного канала вставляют лоток с основным и с блокирующим гелем. Ток подается повторно до тех пор, пока высокомолекулярная ДНК не мигрирует из основного геля в заполненный буфером резервуар для сбора, где она замедляется и накапливается. Устройство можно масштабировать для размещения нескольких каналов разделения. Большая часть рабочего процесса может быть автоматизирована, включая загрузку образцов, добавление свежего буфера, введение геля с повышенным содержанием соли и отбор ДНК из резервуара для сбора очищенного образца.After initial optimization using 3D printing, a suitable prototype device can be CNC-fabricated from UV-A transparent plastic. Figure 4 shows a model of an electrophoresis/electroelution device for large-scale purification of high-molecular-weight DNA, having a channel with two extensions, the first of which contains a pre-cast base (separation) agarose gel. A sample containing the target DNA is loaded into the sample loading well and electrophoresis is carried out until the high-molecular-weight DNA reaches the end of the separating gel and all unwanted molecules have eluted from it. Electrophoresis is stopped, the collection reservoir for the purified sample is filled with fresh buffer, and a tray with base and blocking gel is inserted into the second extension of the electrophoresis channel. Current is applied repeatedly until the high-molecular-weight DNA migrates from the base gel into the buffer-filled collection reservoir, where it is decelerated and accumulated. The device can be scaled up to accommodate multiple separation channels. Much of the workflow can be automated, including loading samples, adding fresh buffer, introducing a high salt gel, and drawing DNA from the purified sample collection reservoir.

Таким образом, предложенные устройство и способ для выделения и очистки ДНК являются эффективными инструментами для выделения высокомолекулярной ДНК для секвенирования с длинным считыванием из эукариотических и прокариотических клеток, митохондрий, хлоропластов, крупных вирусов и т.д. Устройство или способ можно использовать, когда другие способы неэффективны, например, для одноступенчатой очистки высокомолекулярной ДНК из сложных биологических образцов, содержащих большое количество химически разнообразных примесей и только небольшое количество целевой ДНК. Кроме того, способ экономически эффективен и имеет потенциал для масштабируемости и высокой степени автоматизации.Thus, the proposed device and method for DNA extraction and purification are effective tools for the extraction of high-molecular DNA for long-read sequencing from eukaryotic and prokaryotic cells, mitochondria, chloroplasts, large viruses, etc. The device or method can be used when other methods are ineffective, for example, for single-step purification of high-molecular DNA from complex biological samples containing a large number of chemically diverse impurities and only a small amount of target DNA. In addition, the method is cost-effective and has the potential for scalability and a high degree of automation.

Измерения содержания натрия проводили с помощью оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES) с использованием прибора Agilent 720 (AgilentTechnologies, Inc., Санта-Клара, Калифорния, США). Были выбраны следующие атомные линии натрия: 568,821 нм, 588,995 нм и 589,592 нм. Среднее содержание натрия рассчитывали по двум повторности. Перед анализом все образцы разбавляли сверхчистой водой в 20 раз. Точность оценивалась с использованием стандартов образцов с добавками в соответствии с рекомендациями ISO 5725-4 (2020).Sodium measurements were performed by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) using an Agilent 720 instrument (Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, CA, USA). The following sodium atomic lines were selected: 568.821 nm, 588.995 nm, and 589.592 nm. The average sodium content was calculated from two replicates. All samples were diluted 20-fold with ultrapure water before analysis. Precision was assessed using spiked sample standards according to ISO 5725-4 (2020) recommendations.

Используемый 50-кратный THE буфер для электрофореза:1 М Трис, 1 М HEPES (121,14 г трис-основание, 238,3 г HEPES (свободная кислота); растворяют в сверхчистой воде и доводят конечный объем до 1 литр). pH не нуждается в корректировке и должен быть в пределах от 8,0 до 8,1.The 50x THE electrophoresis buffer used is 1 M Tris, 1 M HEPES (121.14 g Tris base, 238.3 g HEPES (free acid); dissolved in ultrapure water and made up to 1 liter of final volume). The pH does not need to be adjusted and should be between 8.0 and 8.1.

Последовательность реализации заявленного способа может быть представлена следующим образом.The sequence of implementation of the claimed method can be presented as follows.

1. Приготовить двухлитровую бутыль с 1-кратный THE электрофорезным буфером, растворив 40 мл 50-кратный THE буфера в общем объеме 2 л дистиллированной воды.1. Prepare a 2-liter bottle of 1x THE electrophoresis buffer by dissolving 40 ml of 50x THE buffer in a total volume of 2 liters of distilled water.

2. Приготовить 5 М раствор NaCl, растворяют 292 г NaCl в сверхчистой воде и доводят конечный объем до 1 литра.2. Prepare a 5 M NaCl solution, dissolve 292 g NaCl in ultrapure water and bring the final volume to 1 liter.

3. Чтобы приготовить 0,8%-й основной, разделяющий гель, добавить 0,8 г сверхчистой агарозы к 100 мл буфера 1-кратным THE в стеклянном бутыле на 250 мл с завинчивающейся крышкой. Объема раствора, обозначенного далее, как раствор агарозы 1 (AS1), более чем достаточно для заливки пяти гелевых каналов.3. To prepare a 0.8% base separating gel, add 0.8 g of ultrapure agarose to 100 ml of 1x THE buffer in a 250 ml screw-cap glass bottle. The volume of the solution, referred to hereafter as agarose solution 1 (AS1), is more than enough to fill five gel channels.

4. Нагреть колбу с AS1 в микроволновой печи при максимально мощности (например, 800 Вт), время от времени осторожно встряхивая, пока вся агароза полностью не растворится, образуя прозрачный раствор. Следить за тем, чтобы раствор не выкипел. Хранить расплавленную агарозу при 45-55°C для дальнейшего использования.4. Heat the flask with AS1 in a microwave oven at maximum power (e.g. 800 W), shaking gently from time to time, until all the agarose is completely dissolved, forming a clear solution. Be careful not to let the solution boil away. Store the melted agarose at 45-55°C for later use.

5. Чтобы приготовить 1%-ный блокирующий гель с повышенным содержанием соли, добавляют1 г сверхчистой агарозы к 90 мл буфера 1-кратным THE в стеклянном бутыле на 250 мл с завинчивающейся крышкой. Раствор далее обозначается как раствор агарозы 2 (AS2).5. To prepare a 1% high salt blocking gel, add 1 g of ultrapure agarose to 90 ml of 1x THE buffer in a 250 ml screw cap glass bottle. The solution is referred to as agarose solution 2 (AS2).

6. Нагревают колбу с AS2 в микроволновой печи при максимально мощности (например, 800 Вт), время от времени осторожно встряхивая, пока вся агароза полностью не растворится, образуя прозрачный раствор. Следить за тем, чтобы раствор не выкипел. После полного растворения агарозы, добавить 10 мл раствора 5М NaCl, хорошо перемешать. Хранить расплавленную агарозу при 45-55°C для дальнейшего использования.6. Heat the flask with AS2 in a microwave oven at maximum power (e.g. 800 W), shaking gently from time to time, until all the agarose is completely dissolved, forming a clear solution. Make sure that the solution does not boil away. After the agarose is completely dissolved, add 10 ml of 5 M NaCl solution, mix well. Store the melted agarose at 45-55 ° C for further use.

7. Вставляют однолуночную гребенку для электрофореза в верхнюю часть канала для формования геля. Канал с обеих сторон закрыт липкой лентой, которую удаляют перед началом электрофореза. Наливают раствор AS1 в канал, заполнив всю полость канала, и следят за тем, чтобы пузырьки воздуха не попали под зубья гребенки. Дают гелю затвердеть при комнатной температуре, образуя горизонтальный разделительный канал из агарозы шириной и глубиной в 1 см. Гель станет слегка непрозрачным после полного затвердевания.7. Insert a single-well electrophoresis comb into the top of the gel-forming channel. The channel is sealed on both sides with adhesive tape, which is removed before starting electrophoresis. Pour the AS1 solution into the channel, filling the entire cavity of the channel, and ensure that no air bubbles get under the teeth of the comb. Allow the gel to harden at room temperature, forming a horizontal separation channel of agarose 1 cm wide and deep. The gel will become slightly opaque after complete hardening.

9. Срезают чистым скальпелем участок геля длиной 1 см на расстоянии ~ 4 мм следующим за гребенкой (это будет тот гель, который будет использоваться для электрофреза и очистки ДНК), создав резервуар для сбора образцов. Акцизируют еще один участок геля длиной 1 см на ~ 3 мм, следующий за резервуаром для сбора образца ДНК, создавая форму для блокирующего геля с повышенным содержанием соли. Заливают раствор AS2 в полость формы и позволяют блокирующему гелю затвердеть, при комнатной температуре.9. Using a clean scalpel, excise a 1 cm section of gel ~4 mm beyond the comb (this will be the gel that will be used for electrophoresis and DNA purification), creating a sample collection reservoir. Excise another 1 cm section of gel ~3 mm beyond the DNA sample collection reservoir, creating a mold for the high salt blocking gel. Pour the AS2 solution into the mold cavity and allow the blocking gel to harden at room temperature.

10. Аккуратно выделяют шпателем высокосолевой блокирующий гель, в окружении с короткими фрагментами низкосолевым электрофорезным гелем, для дальнейшего использования. Удаляют низкосолевой агарозный гель, со стороны резервуара, окружающую блокирующий солевой гель, используемую при формировании этого блока. 10. Carefully extract the high-salt blocking gel with a spatula, surrounded by short fragments of low-salt electrophoresis gel, for further use. Remove the low-salt agarose gel, from the side of the reservoir, surrounding the blocking salt gel used in forming this block.

11. Помещают блок с подготовленными каналами в емкость для электрофореза так, чтобы гребенка была направлена к катоду. Заполняют резервуар буфером 1X THE, пока гель не будет покрыт. Аккуратно снимают гребень. Заливка геля буфером перед снятием гребенки предотвращает деформацию стенок загрузочной лунки и их прилипание друг к другу.11. Place the block with the prepared channels in the electrophoresis tank with the comb facing the cathode. Fill the tank with 1X THE buffer until the gel is covered. Carefully remove the comb. Filling the gel with buffer before removing the comb prevents the walls of the loading well from deforming and sticking to each other.

12. Предварительно, смешивают образец ДНК с 10-кратный загрузочным буфером (20 % (вес/объем) Ficoll 400, 100 мМ Трис-HCl (pH 8,0), 5 мМ ЭДТА, 0,01% ксиленцианол FF) до конечной концентрации 1-2 кратностью.12. Pre-mix the DNA sample with 10x loading buffer (20% (w/v) Ficoll 400, 100 mM Tris-HCl (pH 8.0), 5 mM EDTA, 0.01% xylene cyanol FF) to a final concentration of 1-2 fold.

13. Осторожно загружают образец в лунку и подключают электроды к источнику питания.13. Carefully load the sample into the well and connect the electrodes to the power source.

14. Включают электрофорез при постоянном напряжение 100 В, пока следящий краситель (ксиленцианол) начнет мигрировать из геля. В качестве альтернативы отслеживают миграцию ДНК во время электрофореза и останавливают прогон, когда интересующая ДНК достигает конца геля. Следят за тем, чтобы целевая ДНК не начала мигрировать из геля.14. Run the electrophoresis at a constant voltage of 100 V until the tracking dye (xylene cyanol) begins to migrate out of the gel. Alternatively, monitor the migration of DNA during the electrophoresis and stop the run when the DNA of interest reaches the end of the gel. Be careful that the target DNA does not begin to migrate out of the gel.

15. После отключения питания, удаляют и промывают оставшийся рабочий буфер в канале.15. After turning off the power, remove and rinse the remaining working buffer in the channel.

16. Осторожно возвращают агарозный блокирующий гель в исходное положение в канал.16. Carefully return the agarose blocking gel to its original position in the canal.

17. Помещают блок с каналами обратно в камеру для электрофореза. Заполняют резервуар 1-кратным буфером THE, чтобы уровень буфера соответствовал уровню поверхности геля.17. Place the channel block back into the electrophoresis chamber. Fill the reservoir with 1x THE buffer until the buffer level matches the gel surface.

18. Продолжают электрофорез при постоянном напряжение 100 В, дополнительностью10 - 40 мин, чтобы элюировать гель-очищенную ДНК в резервуар для сбора образцов.18. Continue electrophoresis at a constant voltage of 100 V for an additional 10 - 40 min to elute the gel-purified DNA into the sample collection reservoir.

19. Отключают питание, и переносят буфер с элюированной ДНК из канала для сбора с помощью пипетки в чистую микропробирку.19. Turn off the power and transfer the buffer with eluted DNA from the collection channel using a pipette into a clean microtube.

Сущность и промышленная применимость заявленной группы изобретений поясняются следующими примерами, ни в коей мере не уменьшая притязания по формуле изобретения во всех частных формах воплощения признаков.The essence and industrial applicability of the claimed group of inventions are explained by the following examples, without in any way diminishing the claims under the invention formula in all particular forms of embodiment of the features.

Пример 1Example 1

Выделение ДНК из растительной, животной или из тканей насекомых, грибов и микроорганизмов. Протокол для непосредственной очистки общей ДНК из смеси клеток (ткани) с помощью лизирующего раствора с SDS и протеиназой К.Extraction of DNA from plant, animal, insect, fungal and microbial tissues. Protocol for direct purification of total DNA from a mixture of cells (tissue) using a lysis solution with SDS and proteinase K.

1. В микропробирку на 1.5 мл помещается гомогенизированный кусочек ткани растительной, животного или другого происхождения не более 100 мкг, полученного через замораживание в жидком азоте или при -80°С, и измельчением в охлажденной ступке или мешалке. Альтернативный способ гомогенизации ткани, это измельчение ткани с помощью пестика в микропробирке при комнатной температуре в присутствии лизирующего раствора. 1. A homogenized piece of plant, animal or other tissue of no more than 100 μg, obtained by freezing in liquid nitrogen or at -80°C, and grinding in a cooled mortar or mixer, is placed in a 1.5 ml microtube. An alternative method of tissue homogenization is grinding the tissue with a pestle in a microtube at room temperature in the presence of a lysing solution.

2. В пробирку с гомогенизированной тканью добавляется 500 мкллизирующего1% раствора SDS раствора (1% SDS, 10 мМ EDTA, 50 мМ Трис-HCl, pH 8.0) и добавить до конечной концентрации 100-200 мкг/мл протеиназы К (эндопептидаза K; КФ 3.4.21.64) и хорошо перемешивается на мешалке. 2. Add 500 µg of 1% SDS solution (1% SDS, 10 mM EDTA, 50 mM Tris-HCl, pH 8.0) to the test tube with homogenized tissue and add proteinase K (endopeptidase K; EC 3.4.21.64) to a final concentration of 100-200 µg/ml and mix well with a stirrer.

3. Эту смесь инкубируют при 55°C в течение, минимум одного часа. 3. This mixture is incubated at 55°C for at least one hour.

4. Предварительная подготовка образца для нанесения в канал. Часть образца в лизирующем буфере, в объеме 100 мкл переносится в новую микропробирку, содержащую20 мкл10-кратного буферадля нанесения в гель с красителем XyleneCyanol FF, и хорошо перемешивается на мешалке. 4. Preliminary preparation of the sample for application to the channel. A portion of the sample in the lysis buffer, in a volume of 100 μl, is transferred to a new microtube containing 20 μl of 10x buffer for application to the gel with XyleneCyanol FF dye, and mixed well on a stirrer.

5. На этом этапе, солевой блок (AS2)временно удаляют из канала. Таким образом, чтобы канал был заполнен только буфером. 5. At this stage, the salt block (AS2) is temporarily removed from the channel so that the channel is filled with buffer only.

6. Нанести в слот для нанесения, не более 50 мкл подготовленного образца, с буфером для нанесения. Начать электрофорез при постоянном напряжении 100 В, в течение которого можно наблюдать вхождение образца ДНК с красителем XyleneCyanol FF в агарозный блок. 6. Apply no more than 50 µl of the prepared sample with the loading buffer to the loading slot. Start electrophoresis at a constant voltage of 100 V, during which time the entry of the DNA sample with the XyleneCyanol FF dye into the agarose block can be observed.

7. После того, как краситель XyleneCyanol FF начал свободно двигаться по каналу, электрофорез останавливают. Сливают весь буфер из канала и возвращают в канал солевой блок (AS2). Заполняют электрофорезным буфером пространство для элюции (в объеме 1 мл, до полного покрытия геля) и продолжают электрофорез при постоянном напряжении 100 В,в течение 10-20 минут. Собирают весь элюат из канала, содержащий ДНК, в микропробирку. 7. After the XyleneCyanol FF dye has begun to move freely along the channel, stop electrophoresis. Drain all the buffer from the channel and return the salt block (AS2) to the channel. Fill the elution space with electrophoresis buffer (in a volume of 1 ml, until the gel is completely covered) and continue electrophoresis at a constant voltage of 100 V for 10-20 minutes. Collect all the eluate from the channel containing DNA in a microtube.

8. Собранный элюат будет содержать остатки красителя XyleneCyanol FF, которые не мешают последующим ферментативным реакциям. Но который также можно удалить вместе с остатками соли из раствора ДНК с помощью ультрофильтрации на колонках Amicon Ultra-2 CentrifugalFilterUnit (Millipore) или стандартной процедурой осаждением ДНК в изопропаноле.8. The collected eluate will contain residues of the XyleneCyanol FF dye, which do not interfere with subsequent enzymatic reactions. But which can also be removed together with the salt residues from the DNA solution using ultrafiltration on Amicon Ultra-2 CentrifugalFilterUnit columns (Millipore) or the standard procedure of DNA precipitation in isopropanol.

В результате получили 2 мкг ДНК из 10 мкг ткани, что соответствует 90% суммарной ДНК в растительной ткани к массе ткани молодых проростков. Чистоту ДНК измеряли спектрофотометрически на наличие полисахаридов и полипептидов. Спектрометрические данные показали полное отсутствие в образце полипептидов и наличие остатков полисахаридов, мигрирующие в образец из агарозы. Соотношение величин поглощения нуклеиновых кислот на А260 (абсорбция при 260 нм) к величине поглощения для полисахаридов на А230 (абсорбция при 230 нм) находится на величине выше 2. Что соответствует минимальному количеству в образце остатков агарозы попавших из геля, и тем самым количество чистой ДНК превышает величину 70-80%.As a result, 2 μg of DNA were obtained from 10 μg of tissue, which corresponds to 90% of the total DNA in plant tissue to the mass of tissue of young sprouts. DNA purity was measured spectrophotometrically for the presence of polysaccharides and polypeptides. Spectrometric data showed a complete absence of polypeptides in the sample and the presence of polysaccharide residues migrating into the sample from agarose. The ratio of the absorption values of nucleic acids at A 260 (absorption at 260 nm) to the absorption value for polysaccharides at A 230 (absorption at 230 nm) is at a value above 2. This corresponds to the minimum amount of agarose residues in the sample that came from the gel, and thus the amount of pure DNA exceeds 70-80%.

Пример 2Example 2

Выделение и очистка общей ДНК из почвы. Isolation and purification of total DNA from soil.

Протокол может использоваться также для других «сложных» образцов (например, фекалии) и тканей, содержащих высокое количество полимерных молекул, пигментов, отделить которые невозможно никаким другим способом. Масштаб в данном примере взят для получения ДНК из образцов весом 1-5 грамма, но может масштабироваться на микрообъем и массу образца. The protocol can also be used for other "complex" samples (e.g., feces) and tissues containing a high amount of polymer molecules, pigments, which cannot be separated by any other method. The scale in this example is taken for obtaining DNA from samples weighing 1-5 grams, but can be scaled to microvolume and sample mass.

Предварительная подготовка образцаPreliminary sample preparation

1. Образцы почвы измельчаются при -80°C, полученного через замораживание в жидком азоте или при -80°C и измельчением в охлажденной до -80°C ступке или мешалке.1. Soil samples are ground at -80°C, obtained by freezing in liquid nitrogen or at -80°C and grinding in a mortar or mixer cooled to -80°C.

2. Образец гомогенизированной почвы массой не более 5 граммов помещают в 50 мл пробирку, в который добавляется CTAB раствор (2% CTAB, 1.5 М NaCl, 10 мМ Na3EDTA, 0.1 M HEPES-кислота, рН 5.3) до конечного объема в 40 мл. Очень интенсивно перемешивается на мешалке и инкубируется в течение ночи, при 65°C. 2. A sample of homogenized soil weighing no more than 5 grams is placed in a 50 ml test tube, to which a CTAB solution (2% CTAB, 1.5 M NaCl, 10 mM Na 3 EDTA, 0.1 M HEPES acid, pH 5.3) is added to a final volume of 40 ml. The mixture is stirred very vigorously on a stirrer and incubated overnight at 65°C.

3. Пробирки с образцами почвы центрифугируется для осветления и осаждения осадка почвы, в центрифуге для больших пробирок, при охлаждении +4°C,в течение 10 минут при 10 тысячах оборотах в минуту. 3. Test tubes with soil samples are centrifuged to clarify and precipitate the soil sediment in a centrifuge for large test tubes, with cooling at +4°C, for 10 minutes at 10 thousand revolutions per minute.

4. Осветленный надосадочный раствор разделяют на две равные порции по 20 мл и переносится в новые пробирки на 50 мл, в которые уже добавлен равный объём 100% изопропанола (20 мл), охлаждённого до -20°C, и интенсивно перемешивается на мешалке. 4. The clarified supernatant solution is divided into two equal portions of 20 ml and transferred to new 50 ml test tubes, to which an equal volume of 100% isopropanol (20 ml), cooled to -20°C, has already been added and vigorously mixed on a stirrer.

5. Пробирки центрифугируются при +4°C в течение 10 минут при 10 тысячах оборотах в минуту, и вся надосадочная жидкость сливается. На дне пробирки образовался коричневый осадок ДНК, содержащий компоненты почвы. 5. The tubes are centrifuged at +4°C for 10 minutes at 10 thousand revolutions per minute, and all the supernatant is drained. A brown sediment of DNA containing soil components has formed at the bottom of the tube.

6. В пробирки с осадком добавляется 10 мл 70% этанола для промывки осадка, хорошо перемешивают на мешалке. Пробирки центрифугируются при +4°C в течение 3 минут при 10 тысячах оборотах в минуту. 6. Add 10 ml of 70% ethanol to the test tubes with sediment to wash the sediment and mix well with a stirrer. Centrifuge the test tubes at +4°C for 3 minutes at 10 thousand revolutions per minute.

7. Надосадочный раствор спирта полностью сливается, не сушат, и сразу к осадку добавляется 1 мл 1-кратного раствора TE, хорошо перемешивают и инкубируют при 65°C до полного растворения осадка ДНК. Растворы ДНК из обоих пробирок объединяются и объеденный раствор ДНК может храниться в микропробирках на 2-5 мл.7. The supernatant alcohol solution is completely poured off, not dried, and 1 ml of 1x TE solution is immediately added to the sediment, mixed well and incubated at 65°C until the DNA sediment is completely dissolved. DNA solutions from both tubes are combined and the combined DNA solution can be stored in 2-5 ml microtubes.

Очистка ДНК из образца почвы после осаждения и растворения.Purification of DNA from a soil sample after precipitation and dissolution.

Дальнейшие шаги по очистки образцов почвы, начинаются с шага 4 (Предварительная подготовка образца для нанесения в канал) соответствующего, по очистки ДНК из примера 1.The next steps for cleaning the soil samples start with step 4 (Pre-treatment of the sample for application to the channel) corresponding to the DNA purification from Example 1.

В результате получили 5 мкг высокоочищенной и высокомолекулярной ДНК из суммарной массы 10 мкг почвенной ДНК, полученной при осаждении изопропанолом, без очистки. Что соответствует 50% от общей массы ДНК, так как большая часть почвенной ДНК составляли фрагменты разной длины, и ДНК размером ниже 10 тысяч пар нуклеотидов не были целью очистки и были отброшены при очистке. Чистоту ДНК измеряли спектрофотометрически на наличие полисахаридов и полипептидов. Спектрометрические данные показали полное отсутствие в образце полипептидов и наличие остатков полисахаридов, мигрирующие в образец из агарозы. Соотношение величин поглощения нуклеиновых кислот на А260 (абсорбция при 260 нм) к величине поглощения для полисахаридов на А230 (абсорбция при 230 нм) находится на величине выше 2. Что соответствует минимальному количеству в образце остатков агарозы попавших из геля, и тем самым количество чистой ДНК превышает величину 75%.As a result, 5 μg of highly purified and high-molecular DNA was obtained from a total mass of 10 μg of soil DNA obtained by precipitation with isopropanol, without purification. This corresponds to 50% of the total DNA mass, since most of the soil DNA consisted of fragments of different lengths, and DNA smaller than 10 thousand nucleotide pairs was not the purpose of purification and was discarded during purification. DNA purity was measured spectrophotometrically for the presence of polysaccharides and polypeptides. Spectrometric data showed a complete absence of polypeptides in the sample and the presence of polysaccharide residues migrating into the sample from agarose. The ratio of the absorption values of nucleic acids at A 260 (absorption at 260 nm) to the absorption value for polysaccharides at A 230 (absorption at 230 nm) is above 2. This corresponds to the minimum amount of agarose residues in the sample that came from the gel, and thus the amount of pure DNA exceeds 75%.

Источники литературы:Literary sources:

1. Green, M.R. and Sambrook, J. (2012) Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press.1. Green, M.R. and Sambrook, J. (2012) Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press.

2. Ausubel, F.M., Brent, R., Kingston, R.E., Moore, D.D., Seidman, J.G., Smith, J.A. and Struhl, K. (2003) Short Protocols in Molecular Biology. John Wiley & Sons Inc.2. Ausubel, F.M., Brent, R., Kingston, R.E., Moore, D.D., Seidman, J.G., Smith, J.A. and Struhl, K. (2003) Short Protocols in Molecular Biology. John Wiley & Sons Inc.

3. Ausubel, F.M., Brent, R., Kingston, R.E., Moore, D.D., Seidman, J.G., Smith, J.A. and Struhl, K. (eds.) (1988) Current Protocols in Molecular Biology. John Wiley & Sons, Inc., New York.3. Ausubel, F.M., Brent, R., Kingston, R.E., Moore, D.D., Seidman, J.G., Smith, J.A. and Struhl, K. (eds.) (1988) Current Protocols in Molecular Biology. John Wiley & Sons, Inc., New York.

4. Tan, S.C. and Yiap, B.C. (2009) DNA, RNA, and protein extraction: the past and the present. J Biomed Biotechnol, 2009, 574398.4. Tan, S.C. and Yip, B.C. (2009) DNA, RNA, and protein extraction: the past and the present. J Biomed Biotechnol, 2009, 574398.

5. Ali, N., Rampazzo, R.C.P., Costa, A.D.T. and Krieger, M.A. (2017) Current Nucleic Acid Extraction Methods and Their Implications to Point-of-Care Diagnostics. Biomed Res Int, 2017, 9306564.5. Ali, N., Rampazzo, R.C.P., Costa, A.D.T. and Krieger, M.A. (2017) Current Nucleic Acid Extraction Methods and Their Implications to Point-of-Care Diagnostics. Biomed Res Int, 2017, 9306564.

6. Shapiro, D.J. (1981) Quantitative ethanol precipitation of nanogram quantities of DNA and RNA. Anal Biochem, 110, 229-231.6. Shapiro, D.J. (1981) Quantitative ethanol precipitation of nanogram quantities of DNA and RNA. Anal Biochem, 110, 229-231.

7. Miller, S.A., Dykes, D.D. and Polesky, H.F. (1988) A simple salting out procedure for extracting DNA from human nucleated cells. Nucleic acids research, 16, 1215.7. Miller, S.A., Dykes, D.D. and Polesky, H.F. (1988) A simple salting out procedure for extracting DNA from human nucleated cells. Nucleic acids research, 16, 1215.

8. Sambrook, J. and Russell, D.W. (2006) Purification of nucleic acids by extraction with phenol:chloroform. CSH Protoc, 2006.8. Sambrook, J. and Russell, D.W. (2006) Purification of nucleic acids by extraction with phenol:chloroform. CSH Protoc, 2006.

9. McDonell, M.W., Simon, M.N. and Studier, F.W. (1977) Analysis of restriction fragments of T7 DNA and determination of molecular weights by electrophoresis in neutral and alkaline gels. J Mol Biol, 110, 119-146.9. McDonell, M.W., Simon, M.N. and Studier, F.W. (1977) Analysis of restriction fragments of T7 DNA and determination of molecular weights by electrophoresis in neutral and alkaline gels. J Mol Biol, 110, 119-146.

10. Chouikh, Y., Volovitch, M. and Yot, P. (1979) A simple and fast electrophoretic method for elution of nucleic acids from gels. Mol Biol Rep, 5, 237-239.10. Chouikh, Y., Volovitch, M. and Yot, P. (1979) A simple and fast electrophoretic method for the elution of nucleic acids from gels. Mol Biol Rep, 5, 237-239.

11. Saha, B.K., Strelow, S. and Schlessinger, D. (1983) Electrophoretic elution of nucleic acids from acrylamide and agarose gels. J Biochem Biophys Methods, 7, 277-284.11. Saha, B.K., Strelow, S. and Schlessinger, D. (1983) Electrophoretic elution of nucleic acids from acrylamide and agarose gels. J Biochem Biophys Methods, 7, 277-284.

12. Zhen, L. and Swank, R.T. (1993) A simple and high yield method for recovering DNA from agarose gels. Biotechniques, 14, 894-898.12. Zhen, L. and Swank, R.T. (1993) A simple and high yield method for recovering DNA from agarose gels. Biotechniques, 14, 894-898.

13. Kormanec, J., Homerova, D., Sevcikova, B. and Rezuchova, B. (2001) A method for isolation of small DNA fragments from agarose and polyacrylamide gels. Anal Biochem, 293, 138-139.13. Kormanec, J., Homerova, D., Sevcikova, B. and Rezuchova, B. (2001) A method for isolation of small DNA fragments from agarose and polyacrylamide gels. Anal Biochem, 293, 138-139.

14. Lipfert, J., Doniach, S., Das, R. and Herschlag, D. (2014) Understanding nucleic acid-ion interactions. Annual review of biochemistry, 83, 813-841.14. Lipfert, J., Doniach, S., Das, R. and Herschlag, D. (2014) Understanding nucleic acid-ion interactions. Annual review of biochemistry, 83, 813-841.

15. Stellwagen, E. and Stellwagen, N.C. (2003) Probing the electrostatic shielding of DNA with capillary electrophoresis. Biophys J, 84, 1855-1866.15. Stellwagen, E. and Stellwagen, N.C. (2003) Probing the electrostatic shielding of DNA with capillary electrophoresis. Biophys J, 84, 1855-1866.

16. Stellwagen, E. and Stellwagen, N.C. (2020) Electrophoretic Mobility of DNA in Solutions of High Ionic Strength. Biophys J, 118, 2783-2789.16. Stellwagen, E. and Stellwagen, N.C. (2020) Electrophoretic Mobility of DNA in Solutions of High Ionic Strength. Biophys J, 118, 2783-2789.

17. Yeon-Bo, C. and Woo-Jin, N. (1995) Electroelution into an Agarose-plugged Salt Channel. Mol. Cells, 5, 243-247.17. Yeon-Bo, C. and Woo-Jin, N. (1995) Electroelution into an Agarose-plugged Salt Channel. Mol. Cells, 5, 243-247.

18. Zassenhaus, H.P., Butow, R.A. and Hannon, Y.P. (1982) Rapid electroelution of nucleic acids from agarose and acrylamide gels. Anal Biochem, 125, 125-130.18. Zassenhaus, H.P., Butow, R.A. and Hannon, Y.P. (1982) Rapid electroelution of nucleic acids from agarose and acrylamide gels. Anal Biochem, 125, 125-130.

19. Zarzosa-Alvarez, A.L., Sandoval-Cabrera, A., Torres-Huerta, A.L. and Bermudez-Cruz, R.M. (2010) Electroeluting DNA fragments. J Vis Exp. (Прототип).19. Zarzosa-Alvarez, A.L., Sandoval-Cabrera, A., Torres-Huerta, A.L. and Bermudez-Cruz, R.M. (2010) Electroeluting DNA fragments. J Vis Exp. (Prototype).

20. Strongin, A.Y., Kozlov, Y.I., Debabov, V.G., Arsatians, R.A. and Zlochevsky, M.L. (1977) A reliable technique for large-scale DNA separation. Anal Biochem, 79, 1-10.20. Strongin, A.Y., Kozlov, Y.I., Debabov, V.G., Arsatians, R.A. and Zlochevsky, M.L. (1977) A reliable technique for large-scale DNA separation. Anal Biochem, 79, 1-10.

21. Wu, R. (1971) Inhibition of polynucleotide kinase by agar, dextran sulfate and other polysaccharide sulfates. Biochemical and biophysical research communications, 43, 927-934.21. Wu, R. (1971) Inhibition of polynucleotide kinase by agar, dextran sulfate and other polysaccharide sulfates. Biochemical and biophysical research communications, 43, 927-934.

22. Stellwagen, N.C., Gelfi, C. and Righetti, P.G. (1997) The free solution mobility of DNA. Biopolymers, 42, 687-703.22. Stellwagen, N.C., Gelfi, C. and Righetti, P.G. (1997) The free solution mobility of DNA. Biopolymers, 42, 687-703.

23. Stellwagen, N.C., Gelfi, C. and Righetti, P.G. (2000) DNA and buffers: the hidden danger of complex formation. Biopolymers, 54, 137-142.23. Stellwagen, N.C., Gelfi, C. and Righetti, P.G. (2000) DNA and buffers: the hidden danger of complex formation. Biopolymers, 54, 137-142.

24. Parker, W.C. and Bearn, A.G. (1963) Boric Acid-Induced Heterogeneity of Conalbumin by Starch-Gel Electrophoresis. Nature, 199, 1184-1186.24. Parker, W.C. and Bearn, A.G. (1963) Boric Acid-Induced Heterogeneity of Conalbumin by Starch-Gel Electrophoresis. Nature, 199, 1184-1186.

25. Zittle, C.A. (1951) Reaction of borate with substances of biological interest. Adv Enzymol Relat Subj Biochem, 12, 493-527.25. Zittle, C.A. (1951) Reaction of borate with substances of biological interest. Adv Enzymol Relat Subj Biochem, 12, 493-527.

26. Cann, J.R. (1966) Multiple electrophoretic zones arising from protein-buffer interaction. Biochemistry, 5, 1108-1112.26. Cann, J.R. (1966) Multiple electrophoretic zones arising from protein-buffer interaction. Biochemistry, 5, 1108-1112.

27. Woods, W.G. (1994) An introduction to boron: history, sources, uses, and chemistry. Environ Health Perspect, 102 Suppl 7, 5-11.27. Woods, W.G. (1994) An introduction to boron: history, sources, uses, and chemistry. Environ Health Perspect, 102 Suppl 7, 5-11.

28. Qiagen, n.d. (2016), Maximizing PCR and RT-PCR Success, Third Edition, pp. 15.28. Qiagen, n.d. (2016), Maximizing PCR and RT-PCR Success, Third Edition, pp. 15.

29. Whisnant, A.R. and Gilman, S.D. (2002) Studies of reversible inhibition, irreversible inhibition, and activation of alkaline phosphatase by capillary electrophoresis. Anal Biochem, 307, 226-234.29. Whisnant, A.R. and Gilman, S.D. (2002) Studies of reversible inhibition, irreversible inhibition, and activation of alkaline phosphatase by capillary electrophoresis. Anal Biochem, 307, 226-234.

30. Rittie, L. and Perbal, B. (2008) Enzymes used in molecular biology: a useful guide. J Cell Commun Signal, 2, 25-45.30. Rittie, L. and Perbal, B. (2008) Enzymes used in molecular biology: a useful guide. J Cell Commun Signal, 2, 25-45.

31. Lerman, L.S. (1961) Structural considerations in the interaction of DNA and acridines. J Mol Biol, 3, 18-30.31. Lerman, L.S. (1961) Structural considerations in the interaction of DNA and acridines. J Mol Biol, 3, 18-30.

32. Vladescu, I.D., McCauley, M.J., Nunez, M.E., Rouzina, I. and Williams, M.C. (2007) Quantifying force-dependent and zero-force DNA intercalation by single-molecule stretching. Nature methods, 4, 517-522.32. Vladescu, I.D., McCauley, M.J., Nunez, M.E., Rouzina, I. and Williams, M.C. (2007) Quantifying force-dependent and zero-force DNA intercalation by single-molecule stretching. Nature methods, 4, 517-522.

33. Smith, S.B., Finzi, L. and Bustamante, C. (1992) Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules by using magnetic beads. Science, 258, 1122-1126.33. Smith, S.B., Finzi, L. and Bustamante, C. (1992) Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules by using magnetic beads. Science, 258, 1122-1126.

34. Hurley, L.H. (2002) DNA and its associated processes as targets for cancer therapy. Nat Rev Cancer, 2, 188-200.34. Hurley, L.H. (2002) DNA and its associated processes as targets for cancer therapy. Nat Rev Cancer, 2, 188-200.

35. Koster, D.A., Palle, K., Bot, E.S., Bjornsti, M.A. and Dekker, N.H. (2007) Antitumour drugs impede DNA uncoiling by topoisomerase I. Nature, 448, 213-217.35. Koster, D.A., Palle, K., Bot, E.S., Bjornsti, M.A. and Dekker, N.H. (2007) Antitumor drugs impede DNA uncoiling by topoisomerase I. Nature, 448, 213-217.

36. Nath, K., Sarosy, J.W., Hahn, J. and Di Como, C.J. (2000) Effects of ethidium bromide and SYBR Green I on different polymerase chain reaction systems. J Biochem Biophys Methods, 42, 15-29.36. Nath, K., Sarosy, J.W., Hahn, J. and Di Como, C.J. (2000) Effects of ethidium bromide and SYBR Green I on different polymerase chain reaction systems. J Biochem Biophys Methods, 42, 15-29.

37. Berkenkamp, S., Kirpekar, F. and Hillenkamp, F. (1998) Infrared MALDI mass spectrometry of large nucleic acids. Science, 281, 260-262.37. Berkenkamp, S., Kirpekar, F. and Hillenkamp, F. (1998) Infrared MALDI mass spectrometry of large nucleic acids. Science, 281, 260-262.

38. Green, M.R. and Sambrook, J. (2017) Concentrating Nucleic Acids by Extraction with Butanol. Cold Spring Harb Protoc, 2017, pdb prot093401.38. Green, M.R. and Sambrook, J. (2017) Concentrating Nucleic Acids by Extraction with Butanol. Cold Spring Harb Protoc, 2017, pdb prot093401.

39. Miller, D.N., Bryant, J.E., Madsen, E.L. and Ghiorse, W.C. (1999) Evaluation and optimization of DNA extraction and purification procedures for soil and sediment samples. Appl Environ Microbiol, 65, 4715-4724.39. Miller, D.N., Bryant, J.E., Madsen, E.L. and Ghiorse, W.C. (1999) Evaluation and optimization of DNA extraction and purification procedures for soil and sediment samples. Appl Environ Microbiol, 65, 4715-4724.

40. Athanasopoulou, K., Boti, M.A., Adamopoulos, P.G., Skourou, P.C. and Scorilas, A. (2021) Third-Generation Sequencing: The Spearhead towards the Radical Transformation of Modern Genomics. Life (Basel), 12.40. Athanasopoulou, K., Boti, M.A., Adamopoulos, P.G., Skourou, P.C. and Scorilas, A. (2021) Third-Generation Sequencing: The Spearhead towards the Radical Transformation of Modern Genomics. Life (Basel), 12.

41. Slater, G.W. (2009) DNA gel electrophoresis: the reptation model(s). Electrophoresis, 30 Suppl 1, S181-187.41. Slater, G.W. (2009) DNA gel electrophoresis: the reptation model(s). Electrophoresis, 30 Suppl 1, S181-187.

42. Fangman, W.L. (1978) Separation of very large DNA molecules by gel electrophoresis. Nucleic acids research, 5, 653-665.42. Fangman, W. L. (1978) Separation of very large DNA molecules by gel electrophoresis. Nucleic acids research, 5, 653-665.

43. Serwer, P. (1980) Electrophoresis of duplex deoxyribonucleic acid in multiple-concentration agarose gels: fractionation of molecules with molecular weights between 2 X 10(6) and 110 X 10(6). Biochemistry, 19, 3001-3004.43. Serwer, P. (1980) Electrophoresis of duplex deoxyribonucleic acid in multiple-concentration agarose gels: fractionation of molecules with molecular weights between 2 X 10(6) and 110 X 10(6). Biochemistry, 19, 3001-3004.

44. Lopez-Canovas, L., Martinez Benitez, M.B., Herrera Isidron, J.A. and Flores Soto, E. (2019) Pulsed Field Gel Electrophoresis: Past, present, and future. Anal Biochem, 573, 17-29.44. Lopez-Canovas, L., Martinez Benitez, M.B., Herrera Isidron, J.A. and Flores Soto, E. (2019) Pulsed Field Gel Electrophoresis: Past, present, and future. Anal Biochem, 573, 17-29.

45. Патент на изобретение RU 2650865 от 17.04.2018 (Общество с ограниченной ответственностью "Магнэтик" (RU))" Набор реактивов для выделения ДНК".45. Patent for invention RU 2650865 dated 17.04.2018 (Limited Liability Company "Magnetik" (RU)) "A set of reagents for DNA extraction".

46. Патент на полезную модель RU 84381 U1 от 10.07.2009 (Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН (ИМБ РАН) (RU)) "Устройство для автоматизированного выделения нуклеиновых кислот из биологических образцов".46. Patent for utility model RU 84381 U1 dated 10.07.2009 (Institution of the Russian Academy of Sciences, V.A. Engelhardt Institute of Molecular Biology of the Russian Academy of Sciences (IMB RAS) (RU)) "Device for automated extraction of nucleic acids from biological samples".

Claims (26)

1. Способ очистки и выделения высокомолекулярных нуклеиновых кислот из образца, включающий: 1. A method for purifying and isolating high-molecular nucleic acids from a sample, comprising: - заполнение зоны электрофорезного канала агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - filling the electrophoresis channel zone with an agarose separating gel containing an electrophoresis buffer with low ionic strength; - нанесение образца, содержащего целевую высокомолекулярную нуклеиновую кислоту, на агарозный разделяющий гель, содержащий буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - application of a sample containing the target high-molecular nucleic acid to an agarose separating gel containing a low ionic strength electrophoresis buffer; - очистку высокомолекулярной нуклеиновой кислоты методом электрофореза; - purification of high molecular weight nucleic acid by electrophoresis; - остановку электрофореза после отделения высокомолекулярной нуклеиновой кислоты от загрязнений до того, как очищенная нуклеиновая кислота выйдет из агарозного разделяющего геля, содержащего буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - stopping electrophoresis after separation of high-molecular nucleic acid from contaminants until the purified nucleic acid exits the agarose separating gel containing electrophoresis buffer with low ionic strength; - установку агарозного блокирующего геля с содержанием соли в переделах 0,5-1 М хлорида натрия в электрофорезный канал в направлении движения нуклеиновых кислот, после агарозного разделяющего геля, содержащего буфер для электрофореза с низкой ионной силой, в котором находится очищенная нуклеиновая кислота, с зазором между гелями не менее 0,5 см; - installation of an agarose blocking gel with a salt content in the range of 0.5-1 M sodium chloride in the electrophoresis channel in the direction of movement of nucleic acids, after an agarose separating gel containing a buffer for electrophoresis with a low ionic strength, in which the purified nucleic acid is located, with a gap between the gels of at least 0.5 cm; - заполнение зазора между гелями буфером для электрофореза с низкой ионной силой; - filling the gap between the gels with electrophoresis buffer of low ionic strength; - возобновление электрофореза до тех пор, пока целевая нуклеиновая кислота не мигрирует в зазор между гелями; - resumption of electrophoresis until the target nucleic acid migrates into the gap between the gels; - отбор очищенной высокомолекулярной нуклеиновой кислоты из зазора между гелями. - selection of purified high-molecular nucleic acid from the gap between the gels. 2. Способ по п. 1, в котором отбор очищенной нуклеиновой кислоты из зазора между гелями проводится с помощью автоматической пипетки или лабораторного робота. 2. The method according to claim 1, wherein the collection of purified nucleic acid from the gap between the gels is carried out using an automatic pipette or a laboratory robot. 3. Способ по п. 1, в котором отбор очищенной нуклеиновой кислоты из зазора между гелями проводится в микропробирку для дальнейшего использования. 3. The method according to claim 1, wherein the purified nucleic acid is collected from the gap between the gels into a microtube for further use. 4. Способ по п.1, в котором перед очисткой высокомолекулярной нуклеиновой кислоты методом электрофореза определяют продолжительность электрофореза.4. The method according to claim 1, wherein before purifying the high-molecular nucleic acid by electrophoresis, the duration of electrophoresis is determined. 5. Способ по п.1, в котором буфер для электрофореза с низкой ионной силой представляет собой 20 мМ Трис и 20 мМ HEPES. 5. The method of claim 1, wherein the low ionic strength electrophoresis buffer is 20 mM Tris and 20 mM HEPES. 6. Способ по п.1, в котором образец дополнительно содержит смесь биологических молекул, включающую нецелевые нуклеиновые кислоты или короткие олигонуклеотиды, или белки, или пептиды, или полисахариды, или липиды, или вторичные метаболиты, или гуминовые вещества, или пигменты, или полифенолы. 6. The method according to claim 1, wherein the sample further comprises a mixture of biological molecules including non-target nucleic acids or short oligonucleotides, or proteins, or peptides, or polysaccharides, or lipids, or secondary metabolites, or humic substances, or pigments, or polyphenols. 7. Устройство для очистки и выделения высокомолекулярных нуклеиновых кислот из образца способом по п.1, включающее: 7. A device for purifying and isolating high-molecular nucleic acids from a sample using the method of paragraph 1, comprising: - по меньшей мере один электрофорезный канал;- at least one electrophoresis channel; - зону электрофорезного канала для заполнения агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой; - a zone of the electrophoresis channel for filling with an agarose separating gel containing an electrophoresis buffer with a low ionic strength; - зону электрофорезного канала для установки агарозного блокирующего геля с содержанием соли в переделах 0,5-1 М хлорида натрия, - an electrophoresis channel zone for installing an agarose blocking gel with a salt content in the range of 0.5-1 M sodium chloride, - зазор между зоной для заполнения агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой, и зоной для установки агарозного блокирующего геля с содержанием соли в переделах 0,5-1 М хлорида натрия; - a gap between the zone for filling with an agarose separating gel containing a low ionic strength electrophoresis buffer and the zone for installing an agarose blocking gel with a salt content in the range of 0.5-1 M sodium chloride; - при этом зазор между зоной для заполнения агарозным разделяющим гелем, содержащим буфер для электрофореза с низкой ионной силой, и зоной для установки агарозного блокирующего геля выполнен с возможностью заполнения буфером для электрофореза с низкой ионной силой и составляет не менее 0,5 см. - wherein the gap between the zone for filling with an agarose separating gel containing a buffer for electrophoresis with a low ionic strength and the zone for installing an agarose blocking gel is designed with the possibility of filling with a buffer for electrophoresis with a low ionic strength and is at least 0.5 cm. 8. Устройство по п.7, в котором электрофорезный канал выполнен горизонтальным или вертикальным. 8. The device according to item 7, in which the electrophoresis channel is made horizontal or vertical. 9. Устройство по п.7, в котором электрофорезный канал выполнен открытым или закрытым.9. The device according to item 7, in which the electrophoresis channel is made open or closed. 10. Устройство по п.7, в котором буфер для электрофореза с низкой ионной силой представляет собой 20 мМ Трис и 20 мМ HEPES. 10. The device of claim 7, wherein the low ionic strength electrophoresis buffer is 20 mM Tris and 20 mM HEPES. 11. Устройство по п.7, изготовленное из пластика, прозрачного для видимого и УФ излучения. 11. The device according to item 7, made of plastic, transparent to visible and UV radiation. 12. Устройство по п.7, которое дополнительно включает электроды для осуществления электрофореза в электрофорезном канале. 12. The device according to item 7, which additionally includes electrodes for carrying out electrophoresis in the electrophoresis channel. 13. Устройство по п.7, которое дополнительно включает сенсор для сбора информации о выделенных высокомолекулярных нуклеиновых кислотах, соединенный с блоком обработки информации и блоком отображения.13. The device according to claim 7, which further includes a sensor for collecting information about the isolated high-molecular nucleic acids, connected to the information processing unit and the display unit.
RU2023116761A 2023-06-26 Method of purifying and recovering high-molecular nucleic acids, gel and device for implementation thereof RU2828813C9 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2828813C1 RU2828813C1 (en) 2024-10-21
RU2828813C9 true RU2828813C9 (en) 2024-12-10

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2158765C2 (en) * 1994-05-23 2000-11-10 Биотроникс Корпорейшн Method of revealing particular nucleic acid; kit (variety), dna duplex, and composition for implementation of the method
RU84381U1 (en) * 2009-02-17 2009-07-10 Учреждение Российской Академии Наук Институт Молекулярной Биологии Им. В.А. Энгельгардта Ран (Имб Ран) DEVICE FOR AUTOMATED ISOLATION OF NUCLEIC ACIDS
EP3445850B1 (en) * 2016-04-22 2021-10-27 BioNTech SE Methods for providing single-stranded rna

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2158765C2 (en) * 1994-05-23 2000-11-10 Биотроникс Корпорейшн Method of revealing particular nucleic acid; kit (variety), dna duplex, and composition for implementation of the method
RU84381U1 (en) * 2009-02-17 2009-07-10 Учреждение Российской Академии Наук Институт Молекулярной Биологии Им. В.А. Энгельгардта Ран (Имб Ран) DEVICE FOR AUTOMATED ISOLATION OF NUCLEIC ACIDS
EP3445850B1 (en) * 2016-04-22 2021-10-27 BioNTech SE Methods for providing single-stranded rna

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZARZOSA-ALVAREZ A.L., SANDOVAL-CABRERA A., TORRES-HUERTA A.L. AND BERMUDEZ-CRUZ R.M. Electroeluting DNA fragments. J Vis Exp., 2010. *
ОСТЕРМАН Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот. М: Наука, 1981, стр.16-42. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3207163B1 (en) Apparatuses, methods and systems for automated processing of nucleic acids and electrophoretic sample preparation
Green et al. Isolation and quantification of DNA
EP2539449B9 (en) Process for parallel isolation and/or purification of rna and dna
US11253797B2 (en) Chromatographic device and method for isolating and purifying nucleic acids
JP2017533703A5 (en)
US20140057247A1 (en) Method of preparing rna from ribonuclease-rich sources
WO2001025490A1 (en) Removal of dye-labeled dideoxy terminators from dna sequencing reactions
JP6886965B2 (en) Portable nucleic acid extractor and how to use it
EP3215620B1 (en) Chaotrope- and volatile-free method for purifying nucleic acids from plasma
WO2015106146A2 (en) Simultaneous extraction and separation of rna and dna from single cells using electrophoretic techniques
RU2828813C9 (en) Method of purifying and recovering high-molecular nucleic acids, gel and device for implementation thereof
RU2828813C1 (en) Method of purifying and recovering high-molecular nucleic acids, gel and device for implementation thereof
RU2766005C2 (en) System for purifying nucleic acid using one buffer solution for washing and elution
EP2060629B1 (en) Method of separating small RNA molecules using kosmotropic salt
Hakenberg et al. Fenton fragmentation for faster electrophoretic on chip purification of amplifiable genomic DNA
EP1423499A2 (en) Concentration and cleanup of nucleic acid samples
EP2189530B1 (en) Method of separating genomic DNA and plasmid DNA from each other and kit therefor
US20230167430A1 (en) Systems, devices, and methods for electrophoretic extracting and enriching extrachromosomal dna
KR101380909B1 (en) Absorbents for purification of nucleic acid and a purification method using the absorbents
Joshi et al. Purification of Nucleic Acids
Kondratova et al. Counterflow isotachophoresis as a method of concentration and isolation of DNA from biological fluids.
WO2022184836A1 (en) Devices and methods for electrophoretic extraction of nucleic acids from biological samples
KR20050061767A (en) A method for isolating a nucleic acid using alumina