本方案描述了磁性颗粒的合成及其通过动态光散射和电泳光散射评估其DNA结合特性的方法。该方法重点监测颗粒尺寸、多分散性以及颗粒表面的泽塔电位的变化,这些参数在DNA等物质的结合过程中起着关键作用。
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本方案描述了磁性颗粒的合成及其通过动态光散射和电泳光散射评估其DNA结合特性的方法。该方法重点监测颗粒尺寸、多分散性以及颗粒表面的泽塔电位的变化,这些参数在DNA等物质的结合过程中起着关键作用。
利用磁性颗粒分离DNA是生物技术和分子生物学研究中具有重要意义的领域。本实验方案描述了通过动态光散射(DLS)和电泳光散射(ELS)来评估DNA与磁性颗粒结合的方法。DLS分析可提供有关颗粒物的多种理化性质的重要信息,包括粒径、多分散性以及泽塔电位。其中泽塔电位描述了颗粒表面的电荷状态,对DNA等物质的静电结合起关键作用。本文通过比较分析三种不同化学修饰的纳米颗粒和微米颗粒,研究其对DNA结合与洗脱的影响。所考察的化学修饰包括支化聚乙烯亚胺、正硅酸四乙酯以及(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷。由于DNA带有负电荷,预期其结合后颗粒表面的泽塔电位将降低,同时可能形成聚集体,从而影响颗粒尺寸。为评估这些颗粒在DNA分离与洗脱中的效率,实验中将颗粒与DNA在低pH(约6)、高离子强度及脱水环境中混合。随后在磁力作用下对颗粒进行洗涤,并用Tris-HCl缓冲液(pH = 8)洗脱DNA。采用定量聚合酶链式反应(PCR)估算DNA拷贝数。综合评估并比较泽塔电位、粒径、多分散性及定量PCR数据。DLS是一种具有洞察力的辅助分析方法,为筛选适用于DNA分离的颗粒提供了新的研究视角。
DNA 提取是分子生物学中最基本的步骤之一。核酸提取方法的发展对基因组学、宏基因组学、表观遗传学和转录组学等新兴领域产生了重大影响。DNA 提取在生物技术中有广泛的应用,包括医学领域(法医学/诊断工具和预后生物标志物)以及环境领域(宏基因组生物多样性、病原体流行率和监测)。目前对从不同材料和不同规模的样本(如血液、尿液、土壤、木材及其他类型样本)中纯化和提取 DNA 的需求日益增加。1,2,3,4
由于具有较大的比表面积,特别是能够通过磁场实现固定,纳米级和微米级颗粒适用于DNA的分离。颗粒的理化性质(如粒径或电荷)会显著影响其与目标生物分子的结合能力。5 为了进一步增强生物分子的结合能力并稳定颗粒,可采用不同的化学修饰方法(表面包覆)。根据共价与非共价相互作用,目前已发展出多种多样的结合策略。6 颗粒的尺寸直接影响其磁化特性,而颗粒的组成则可通过引入金属、合金或其他材料进行定制,从而影响其密度、孔隙率和表面性质。7 目前尚无可靠方法直接测量小颗粒的表面电荷,取而代之的是测量滑动面(距纳米颗粒表面一定距离处)的电动电势。8 该数值称为Zeta电位,是一种强大的分析工具,通常通过动态光散射(DLS)用于评估纳米和微米颗粒的稳定性。9 由于Zeta电位不仅高度依赖分散环境的pH值和离子强度,还受颗粒表面特性的显著影响,因此也可用于验证颗粒与目标分子相互作用所引起的表面变化。10
另一方面,脱水条件下的DNA结构(A型DNA)呈现出较为紧密的构象,与常见的B型DNA相比,更有利于其沉淀(聚集)。由于DNA的空间可及性磷酸基团和碱基(尤其是鸟嘌呤),静电作用(离子作用和氢键)是控制DNA与其他材料结合的主要作用力。7,10
本研究分析了磁性纳米颗粒和微米颗粒的三种代表性化学修饰方法(图1A)。文中描述了纳米颗粒和微米颗粒的合成及化学修饰方法。采用一种符合DNA沉淀理论原理(pH、离子强度和脱水条件)的结合溶液,用于评估DNA的结合与洗脱效果。通过定量PCR检测代表性纳米颗粒和微米颗粒的DNA洗脱效率(图1B)。颗粒粒径、多分散系数和zeta电位是用于表征颗粒表面理化性质变化的重要参数(图1C)。必须强调对磁性颗粒表面进行化学表征的重要性。尽管该步骤超出了本实验方案的范围,但仍可应用多种现代技术来评估化学修饰的效率。11,12,13,14 傅里叶变换红外光谱(FTIR)可用于分析颗粒表面的红外光谱,并与游离化学修饰剂的光谱进行比较。X射线光电子能谱(XPS)是另一种可用于鉴定材料表面元素组成的技术。其他电化学、显微和光谱学方法也可用于评估颗粒合成的质量。本研究提出了一种通过动态光散射(DLS)分析DNA-磁性颗粒相互作用的新视角。
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1. 磁性纳米颗粒的合成
2. 磁性微粒的合成
3. 使用动态光散射法进行磁性颗粒尺寸分析
4. 准备DNA储备液、磁性颗粒和结合缓冲液
5. 使用定量 PCR 检测 DNA 提取效率
6. 使用动态光散射法分析DNA-磁性颗粒结合
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根据本文所述的磁性颗粒化学合成与修饰方案,合成了六种磁性颗粒并分析其DNA结合能力。分析结果总结见表1。通过比较颗粒在水溶液和结合溶液中的粒径,明显可见所有颗粒在结合溶液中均发生聚集,聚集倍数为2至22倍。部分颗粒在DNA存在下进一步发生更高倍数的聚集;然而,这与通过定量PCR检测到的DNA回收量并无直接相关性(表1)。比较颗粒在对照组与含DNA条件下的zeta电位(约每2分钟测量一次,共10次),发现三种颗粒的zeta电位显著下降,分别为:MNPs_APTES、MMPs_TEOS和MMPs_APTES(图2)。还观察到zeta电位随时间变化的趋势,在大多数情况下,前三个读数存在波动,随后趋于稳定(图3)。暴露于DNA后的变化主要出现在MMPs中(图2)。若剔除颗粒接触DNA后前5分钟内的前三个读数,则标准偏差显著降低(
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在本实验方案中,通过zeta电位解释DNA与磁性颗粒结合的理论原理受到质疑。该方案描述了磁性纳米颗粒和微米颗粒的合成与修饰方法,以及DNA对照和结合溶液的制备方法。文中展示了两种用于筛选DNA-颗粒相互作用的策略:定量PCR和动态光散射(DLS)方法。DLS可提供颗粒理化性质变化的三个指标:粒径、多分散指数和zeta电位。粒径变化直接反映颗粒的聚集或解离状态。多分散指数描述系统中颗粒种类的分布情况,从单分散(指数 < 0.05)到高度多分散(指数 > 0.7)。zeta电位可用于根据颗粒表面电荷进行分类,其中高度带正电的颗粒其值大于30 mV,高度带负电的颗粒其值小于-30 mV。正如预测,当颗粒暴露于DNA时,结合溶液中多电荷磁性颗粒的zeta电位相对降低。但MNPs_TEOS颗粒例外,这些颗粒的唯一区别在于其具有独特的高度负电表面电荷(图2)。这表明离子强度在维持颗粒、DNA和正离子之间的结合中发挥了重要作用。另一方面,粒径的变化可反映DNA-颗粒在结合过程中发生沉淀/聚集的作用,尤其是在存在较长DNA链的情况下更为明显。
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作者无任何利益冲突需要披露。
特此感谢捷克科学基金会(项目 GA CR 17-12816S)和 CEITEC 2020(LQ1601)提供的资金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 六水合三氯化铁 | Sigma-Aldrich | 207926 | 磁性颗粒合成 |
| 四水合二氯化铁 | Sigma-Aldrich | 380024 | 磁性颗粒合成 |
| 七水合硫酸亚铁 | Sigma-Aldrich | F8263 | 磁性颗粒合成 |
| 丙酮 | Penta | 10060-11000 | 磁性颗粒合成 |
| 二水合柠檬酸钠 | Sigma-Aldrich | W302600 | 磁性颗粒合成 |
| 正硅酸四乙酯 | Sigma-Aldrich | 131903 | 磁性颗粒合成 |
| (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷 | Sigma-Aldrich | 440140 | 磁性颗粒合成 |
| 支化聚乙烯亚胺,平均分子量 ~25,000 | Sigma-Aldrich | 408727 | 磁性颗粒合成 |
| 氢氧化铵溶液 | Sigma-Aldrich | 221228-M | 磁性颗粒合成 |
| 乙醇 | Penta | 71250-11000 | 磁性颗粒合成 |
| 硝酸钾 | Sigma-Aldrich | P6083 | 磁性颗粒合成 |
| 氢氧化钾 | Sigma-Aldrich | 1.05012 | 磁性颗粒合成 |
| 低分子量截留膜(分子量=1 kDa) | Spectrum labs | G235063 | 磁性颗粒合成 |
| 顶置式搅拌器 | witeg Labortechnik GmbH | DH.WOS01035 | 磁性颗粒合成 |
| 水浴锅 | Memmert GmbH + Co. | 84198998 | 磁性颗粒合成 |
| 超声波破碎仪 | Bandelin | 795 | 磁性颗粒合成 |
| BRAND UV 微量比色皿 | Sigma-Aldrich | BR759200-100EA | 粒径测量用比色皿 |
| BRAND UV 微量比色皿盖 | Sigma-Aldrich | BR759240-100EA | 粒径测量用比色皿盖 |
| 折叠毛细管Zeta池 | Malvern | DTS1070 | Zeta电位测量用比色皿 |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern | ZEN3600 | 粒径与Zeta电位测量设备 |
| Infinite 200 PRO NanoQuant 仪器 | Tecan | 396 227 V1.0, 04-2010 | DNA浓度测量设备 |
| SYBR Green 定量RT-PCR试剂盒 | Sigma-Aldrich | QR0100 | PCR试剂盒 |
| Mastercycler pro S 仪器 | Eppendorf | 6325 000.013 | PCR仪 |
| MinElute 试剂盒 | Qiagen | 28004 | DNA纯化试剂盒 |
| 乙酸钠 | Sigma-Aldrich | S7670 | DNA结合 |
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