Name: 通过智能手机实时跟踪DNA片段分离 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: 学习SNAP凝胶电泳技术，利用智能手机实时追踪DNA片段分离过程。该方法可显著减少化学试剂消耗并缩短实验时间，适用于50至1000碱基对的DNA片段分析，为生物化学研究提供高效便捷的解决方案。

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我们衷心感谢国家自然科学基金（编号：21205078）和中国高校博士学科点专项科研基金（编号：20123120110002）的支持。本工作还部分得到了国家重点研发计划（2016YFB1102303）、国家基础研究计划（973计划；2015CB352001）以及国家自然科学基金（61378060）的资助。

1. SGE芯片的基本设计
<ol>
	<li>使用任何透明塑料，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚碳酸酯。 
	注意：SGE芯片在图1B中展示。SGE芯片包含用于TBE缓冲液的圆柱形孔、用于DNA分离的通道，以及沿孔道嵌入的两条用于电极的通道。</li>
	<li>使用激光雕刻机在PMMA块中加工SGE通道阵列。 
	注意：芯片的几何参数取决于待分离DNA的大小。例如，当DNA片段小于1,000 bp时，SGE芯片的最佳通道参数为2.5 mm × 4.0 mm × 90 mm（宽 × 深 × 长）。</li>
	<li>根据SGE设计，加工梳状结构以在芯片中形成加样孔，用于加载DNA样品。</li>
</ol>
2. 琼脂糖凝胶的制备
<ol>
	<li>通过将10×TBE（1×TBE = 89 mM Tris、89 mM 硼酸和 2 mM EDTA；pH 8.4）与蒸馏水按1:19的比例混合，配制0.5×TBE溶液。</li>
	<li>制备1.0%琼脂糖凝胶，用于分离100 bp DNA Ladder。 
	注意：在0.5×TBE缓冲液中琼脂糖的浓度取决于待分离DNA片段的大小。</li>
	<li>将0.1 g琼脂糖放入烧瓶中，并加入10 mL 0.5×TBE缓冲液。 
	注意：所配制溶液的体积应小于烧瓶容量的1/3。</li>
	<li>用保鲜膜密封烧瓶，然后将琼脂糖/缓冲液混合物放入微波炉中加热（中火，1.0分钟）。在将烧瓶放入微波炉前，需在保鲜膜上扎几个小孔，以防爆炸。</li>
	<li>将2.7 mL熔化的琼脂糖溶液倒入SGE芯片的4个通道中。将梳子插入琼脂糖溶液中以形成加样孔。 
	注意：熔化的琼脂糖溶液在室温下3分钟后将冷却凝固成凝胶状态。</li>
	<li>从凝胶中取出梳子，并加入0.9 mL 0.5×TBE缓冲液覆盖凝胶表面。</li>
</ol>
3. 在 SGE 芯片中运行电泳
<ol>
	<li>打开LED光源，并在光源上方放置一个425至505 nm的带通滤光片。</li>
	<li>使用涡旋振荡器将14.4 µL的100 bp DNA Marker与1.6 µL SYBR Green混合。</li>
	<li>取4 µL混合液加入SGE芯片琼脂糖凝胶的每个加样孔中（图2）。</li>
	<li>将电极插入SGE芯片的两个电泳通道中。</li>
	<li>在SGE芯片上方放置一个550至700 nm的带通滤光片。</li>
	<li>开启电源，将电压设置为180 V（20 V/cm），同时打开智能手机以记录DNA片段的分离过程（图3）。</li>
	<li>10分钟后电泳结束，关闭电源和LED光源。</li>
	<li>清洗SGE芯片。</li>
</ol>

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<li>Wang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+capillary+electrophoresis+method+to+explore+the+self-assembly+of+a+novel+polypeptide+ligand+with+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Electrophoresis%22%5BJournal%5D)">A capillary electrophoresis method to explore the self-assembly of a novel polypeptide ligand with quantum dots.</a> Electrophoresis. 37 (15-16), 2156-2162 (2016).</li>
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</ol>

未声明任何利益冲突。

琼脂糖凝胶电泳广泛用于分离 DNA、RNA 和蛋白质。本研究提出一种新方法，以替代传统的凝胶电泳流程。结果表明，50、100 和 1,000 bp 的 DNA Marker 可在该小型化组装装置中实现良好分离。该方法的显著优势在于，不仅能够以极少的化学试剂消耗分离核酸，还可记录整个分离过程。尽管在图2中 DNA 片段看起来较宽，但通过优化 SGE 芯片参数和琼脂糖凝胶浓度，结果可进一步改善。此外，若芯片中使用预制胶，整个 SGE 过程不超过 10 分钟。
如果改变芯片中的通道宽度，DNA标准品的分离效果会有显著差异。例如，在分离1,000-bp DNA标准品时，若通道宽度较小，DNA条带会显得更宽。这可能是由于琼脂糖凝胶中的焦耳热效应非常强18，从而影响了分离效果。
本文提出的SGE方法非常简单。如果对该系统进行优化，可开发出便携式微型SGE装置。这种装置可用于即时检验实验室检测。

平板凝胶电泳（SGE）是分离DNA片段最有效的方法1,2,3,4,5 因此，它被认为是生物化学和生物学分析中的一种多功能工具6,7,8然而，许多实验表明，SGE 受限于以下四个问题：（1）分离过程耗时数小时甚至数天；（2）化学试剂消耗量很大；（3）需要复杂的装置例如， 二维电泳槽、电泳电源和凝胶成像系统）；（4）凝胶成像系统仅能在实验结束后观察分离的DNA片段。此外，SGE中常用的溴化乙锭（EtBr）9,10具有致突变性和致癌性11,12因此，操作含有溴化乙锭（EtBr）的凝胶时应始终佩戴手套。
与传统凝胶电泳（SGE）相比，毛细管电泳（CE）具有多种优势13,14,15,16,17，例如可实现自动化操作、分离时间短、试剂消耗量低。然而，CE仪器价格昂贵。因此，为克服这些局限性，已开发出一种用于DNA分离的系统（图1）。该系统不仅可显著减少化学试剂的消耗，并缩短SGE实验时间（&#60;8 分钟），还能通过智能手机实时追踪琼脂糖凝胶中DNA的分离过程。通过遵循本实验方案所述的操作步骤，学生应能够设计并制备SGE芯片，在芯片中制备琼脂糖凝胶，搭建一个包含智能手机的简易SGE系统，并记录DNA在琼脂糖凝胶中的迁移过程。

<table><tbody><tr><td>10&amp;times;TBE</td><td>北京索莱宝科技有限公司 &amp;科技有限公司</td><td>T1051</td><td></td></tr><tr><td>50 bp DNA ladder</td><td>Takara Bio 公司</td><td>3421A</td><td></td></tr><tr><td>100 bp DNA ladder</td><td>Takara Bio 公司</td><td>3422A</td><td></td></tr><tr><td>1 kbp DNA标准品</td><td>Takara Bio 公司</td><td>3426A</td><td></td></tr><tr><td>SYBR GREEN</td><td>Takara Bio 公司</td><td>5760A</td><td></td></tr><tr><td>琼脂糖</td><td>Sigma-Aldrich 公司</td><td>V900510</td><td></td></tr></tbody></table>

利用智能手机实时追踪dna片段分离

Real-time Tracking of DNA Fragment Separation by Smartphone

平板凝胶电泳（SGE）是分离DNA片段最常用的方法，因此被广泛应用于生物学及其他领域。然而，传统的SGE实验步骤繁琐，耗时较长，且化学试剂消耗量大。本研究提出一种基于SGE芯片的DNA片段分离简易方法。该芯片由雕刻机制备，使用两张塑料片分别用于光学信号的激发和发射波长。DNA条带的荧光信号由智能手机采集。为验证该方法的有效性，对50、100和1,000 bp的DNA标准品进行了分离。结果表明，采用该方法可在12分钟内实现5,000 bp以下DNA标准品的高分辨率分离，说明该方法是传统SGE技术的理想替代方案。

图4、图5 和 图6 分别展示了50、100和1,000 bp DNA Ladder在凝胶电泳后的典型结果。实验完成后，DNA片段得到了良好的分离。此外，相同的样品在SGE芯片的4个通道中被分离，表明相同大小的DNA片段在每次实验中迁移的距离一致。
通过分析DNA片段迁移距离与其大小对数之间的关系，可以评估DNA标准品的分离效果；因此，SGE可用于计算未知DNA片段的大小。图3显示，当DNA片段大小小于700 bp时，迁移距离与DNA大小的对数呈线性关系。
<img alt="用于DNA分析设置的基于智能手机的光谱学示意图，包含SGE芯片、光学滤光片和LED。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55926/55926fig1.jpg" data-...

传统的凝胶电泳（SGE）实验需要复杂的设备且化学试剂消耗量大。本研究介绍了一种低成本、可在短时间内分离DNA片段的方法。

利用智能手机实时追踪DNA片段分离

平板凝胶电泳（SGE）是分离DNA片段最常用的方法，因此广泛应用于生物学领域及其他相关学科。

该文介绍了一种关于SNAP凝胶电泳的新系统。该系统不仅能够显著缩短化学概念实验的时间，还可以通过智能手机实现琼脂糖凝胶分离过程中的实时追踪。这三张图片代表了在梯度中50、100和1,000个碱基对进行凝胶电泳后的典型结果。每条DNA片段均得到了良好的分离。SNAP凝胶电泳是进行DNA片段分离最具创新性的方法，因此被视为生化与生物学分析中的重要教学工具。本次我将向您展示一种关于SNAP凝胶电泳实验的新方法。好的，我们开始。首先，称取 0.1 克琼脂糖凝胶，放入一个烧瓶中，并加入 TPE 缓冲液。所配制溶液的体积不应超过烧瓶容量的三分之一。用保鲜膜密封烧瓶，然后用微波炉加热琼脂糖缓冲液混合物。在将烧瓶放入微波炉之前，需在保鲜膜上戳几个小孔，以防爆炸。将制备好的琼脂糖溶液倒入SNAP凝胶电泳管的加样槽中。将梳子放入溶液中。数分钟后，已固定的溶液将在室温下冷却并变为凝胶状态。取出梳子以形成加样孔，并加入TBE缓冲液。我们构建了一个简单的实时追踪DNA片段分离系统，可通过智能手机观察DNA片段的运动状态。首先，将DNA标准品与SYBR Green One通过离心混合均匀，然后将混合液加入琼脂糖凝胶的加样孔中。其次，打开LED光源，在LED上方放置一个带通滤光片，然后将电极插入芯片的两个通道中。接着，在其上方放置另一个带通滤光片。等待电源启动。将电功率设置为 180 瓦。打开智能手机以记录 DNA 片段分离过程。例如，我们使用智能手机追踪 50 个碱基对 DNA Ladder 的分离过程。SNAP 凝胶电泳是分离DNA片段最有效的方法。然而，废弃的实验表明，SNAP凝胶电泳在全长分离方面存在局限性。问题之一：分离过程需要数小时甚至数天。二：化学检测的灵敏度非常高。三：因为实验需要大量设备。四：凝胶成像系统只能在实验结束后观察已分离的DNA片段。此外，SNAP凝胶电泳中常用的铱（Iridium）和溴（Bromine）具有致突变性和致癌性。实验结束后，每条DNA片段均得到良好分离。此外，我们将相同的样品在SNAP凝胶电泳芯片的四个通道中进行分离，结果表明，在每次实验中，大小相同的DNA片段迁移距离一致。从图中可以看出，DNA片段分离效果良好，尽管图B中存在一些呈白色的可疑DNA片段。通过优化芯片参数和琼脂糖凝胶浓度，可进一步改善分离效果。观看本视频后，您一定会看到我们关于SNAP凝胶电泳的新消息。此外，所得的DNA片段也呈现白色。可通过优化SNAP凝胶电泳芯片的参数以及琼脂糖凝胶的浓度来改善结果。需要特别注意的是，在操作过程中必须格外小心，因为该过程涉及高电压，且可能产生危险的试剂反应。

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