このプロトコルは、プラスミドDNA抽出を加速するための費用対効果の高い方法を説明しています。標準的なスイングバケットプレートローターに対応したカスタム3Dプリントラックを使用することで、研究者は最大48本のキャップ付きスピンカラム、または最大116本のスピンカラムを同時に処理でき、手動のマイクロ遠心分離機法と比べて取り扱い時間を大幅に短縮できます。
方法論記事
このプロトコルは、プラスミドDNA抽出を加速するための費用対効果の高い方法を説明しています。標準的なスイングバケットプレートローターに対応したカスタム3Dプリントラックを使用することで、研究者は最大48本のキャップ付きスピンカラム、または最大116本のスピンカラムを同時に処理でき、手動のマイクロ遠心分離機法と比べて取り扱い時間を大幅に短縮できます。
シリカ膜スピンカラム抽出は高品質なDNA精製の標準ですが、手作業が要しく、小ロット以上の手作業でのスケールアップは困難です。既存の自動液体取り扱いロボットは、小規模および中規模の研究所には依然として高価すぎることが多いです。本論文では、標準的な遠心分離板ローターに適合するカスタム設計の3Dプリントラックを用いた、効率的な半自動化アプローチを提示します。
提案されたシステムは、最大116個の標準的な商用スピンカラムの並行処理を可能にします。ラック設計は「入れ子状」構成に対応しており、単一の遠心分離ステップで同時溶解液の解析(ろ過カラムによる)とDNA結合(シリカカラムによる)を可能にしています。さらに、設計上は共有廃棄物貯蔵庫を組み込んでおり、洗浄工程中に個々のチューブから流れる水を廃棄する必要がなくなります。
この方法は標準的な手作業プロトコルと同等のDNA収率と純度を実現しつつ、24個以上のサンプルバッチでは総処理時間を約50〜70%短縮します(120〜180分から60〜90分)。溶解液ろ過、洗浄、廃棄物の廃棄などの工程に必要な総時間は、処理されたサンプルの数に関わらず5〜10分短縮されます。このオープンソースハードウェアアプローチは、手動のミニプレップと高価な自動化の間のギャップを埋めています。
シリカ行列を用いた核酸の単離は1979年にフォーゲルシュタインとギレスピーによって初めて明らかにされました。彼らは、特にヨウ化ナトリウム1のカオトロピック塩の存在下でDNA断片をガラス粉末に吸着するという基礎原理を確立しました。この画期的な発見は、当時支配的だった有毒なフェノールクロロホルム抽出や骨の折れるセシウム塩化物勾配超遠心分離法に対する、より安全で効率的な代替手段を提供しました。その後、ブーム氏らはこの手法を大幅に最適化し、グアニジニウムチオシアネート(GuSCN)を主要なカオトロピック剤として導入しました。この革新は極めて重要であり、GuSCNは細胞分解の強力な変性剤として同時にRNaseやDNaseの強力な阻害剤としても機能し、初期抽出段階で核酸の完全性を保ちます。
この固体相抽出技術は「ブーム法」として広く知られており、その誕生以来、広範な改良を経てきました。細菌プラスミド3 やゲノムDNA4 から、真核生物のミトコンドリア5 や高分子量ゲノムDNAに至るまで、ますます複雑化する生物学的マトリックスから核酸を分離するために適応されています。さらに、この技術は臨床および法医学的応用にも拡大されており、血漿から細胞外循環DNAの分離、ポリフェノールを豊富に含む難抗性植物DNAおよびRNAの抽出、ウイルス核酸の精製などが含まれます。スピンカラムを使用する市販キットも多く存在します。
この過程の物理化学的メカニズムは、カオトロピックイオンによる水構造の破壊に依存しています。高いイオン強度かつ低いpHが存在する場合、核酸リン酸骨格とシリカ表面を囲む水和殻が除去されます(脱水)。これにより、通常はNa+ やカオトロピック陽イオンによって媒介されるカチオン橋が形成され、シリカ表面の負に帯電したシラノール基と核酸のリン酸基との間に形成されます。核酸タイプ(DNA対RNA)および断片長の選択性は、バッファー化学の正確な調節によって達成されます。例えば、特定の塩分濃度やpHレベルは、短いオリゴヌクレオチドよりも長いゲノム鎖の結合を促進したり、RNAとDNAの区別に影響を与えたりします。さらに、この技術の現代的なバージョンでは、特定の核酸種の異温線の差動性吸収を強化するために、改良シリカ表面を用いることが多いです。
シリカ系核酸精製の標準的なワークフローは4つの明確な段階を経て進みます。(1) 溶解段階。ここでは生物的起始物質が均質化され、細胞構造が分解され、しばしばアルカリ性条件や洗剤(SDS/Triton)を用います。(2) 細胞の残骸、沈殿タンパク質、多糖類を除去し、カラム詰まりを防ぐ澄清;(3) 結合:上清液をカオトロピック塩とエタノールで調整し、シリカ膜への吸着を促進する。(4) 洗浄:膜結合核酸をアルコール系バッファーで洗い流し、残留塩分や阻害剤を除去した後、低イオン強度バッファーで洗脱します。
このプロセスの化学的性質は堅牢であるものの、個々のスピンカラムの機械的取り扱いは中程度のスループット(24〜100サンプル)のワークフローにおいて依然として大きなボトルネックであり、手作業処理と高価な自動液体処理システムの間にギャップが生じています。手動カラムベースの核酸抽出を簡素化するための既存のアプローチには、真空マニホールドや自動精製用のロボットワークステーション(9,10,11,12)があります。
真空マニホールドは通常、遠心カラム用の20–24ルアープラグアダプターを備えたランダムアクセス構成、または96ウェルプレート用設計で提供されます。20〜24サンプル対応の真空マニホールドは、遠心分離に比べてDNA精製時のカラム洗浄工程を加速させ、ローターからカラムを取り出す必要がなくなります。この方法は便利ですが、カラム排水の先端が真空マニホールドのルアー開口部に接触するため、交差汚染が発生する可能性があります。カラムのDNAがルアー開口部に入ると、その後の多様体使用時に別のサンプルカラムに移すことができます。汚染防止のために、メーカーは追加のアクセサリー10、13、しかし、これらは抽出装置の組み立てを複雑にし、しばしば省略されます。
96ウェル形式向けに設計された真空マニホールドは異なる構造を持ち、マイクロ遠心分離カラムではなく、シリカ膜を含むウェルを含む互換性のある96ウェルDNA抽出プレートを想定しています。この場合、DNA抽出は事前にパッケージされた96ウェル形式のDNA分離キット14を使用して行われます。これらのキットは高いスループットを提供しますが、96サンプル未満の処理は実用的でないため、適用範囲は限定的です。
核酸抽出用の自動ロボットワークステーションは、操作者の関与が最小限で済むため、研究者の時間を節約し、汚染などの確率的要因を最小限に抑えるため、DNA精製において間違いなく最も便利な方法です。残念ながら、ほとんどの抽出ステーションは汎用性に欠けており、専用キットのみで運用されています。これらのワークステーションは主に診断実験室で使用されますが、多くの小規模から中規模の学術実験室ではコスト効率が良くありません。
したがって、1時間未満で12から96サンプルを処理できる中程度のスループットDNA抽出法には実験室での実務のギャップがあります。キャップ付きスピンカラムで最大48サンプル、キャップなしスピンカラムで最大116サンプルを手動分離できる24ウェルラックを提案します。スイングバケットプレートローターと固定角度マイクロ遠心分離機が追加機器として使用されます。プラスミドDNA精製の手順は、24ウェルラックの使用例として紹介されています。なぜなら、プラスミドDNA分離には溶解細胞の残骸を除去するための洗浄工程が含まれており、自動化が困難だからです。それでも、これらのラックはほぼすべてのカラムベースの核酸抽出法に使用できます。
1. 3Dプリント機器の準備
2. 細菌培養と溶解
3. ろ過装置の組み立て
4. 溶解液クリアランスとDNA結合
5. 洗濯
6. 乾燥と洗脱
7. オプション:二酸化チタンとの共沈殿
ラックのバリエーション
私たちは、さまざまな遠心分離機モデルに適した4種類のラックを開発しており、異なる実験室環境で利用可能なリソースを活用し、ユーザーの好みにも対応できるようにしています。すべてのラックは24ウェル形式ですが、バージョンによっては柱用の追加の座席位置も備えています。詳細な寸法と互換性は補足ファイル2に記載されています。組み立て済みラックの高解像度画像は補足図S1に提供されています。
基本的なラックバージョン(図1)が最も生産性の高い構成です。4つのパーツで構成され、寸法は88×130×77mmです。大文字付き列を使用する場合は最大48列、大文字なしの列では最大116列を同時に使用可能です。ラック部品は使いやすさと遠心分離中の望ましくない影響を最小限に抑えるよう設計されています。スピンカラムはカラム層に設置され、キャップを挿入するための溝があります。同じ溝はキャップなしの柱も収容可能です。柱層は貯水池の上に位置しています。柱の排水口は貯水池の切り欠きの上に位置しており、隣接する柱間の水しぶきを減らすのに役立ちます。液体はカットアウトの底にある開口部からリザーバーに流れ込みます。貯留層容量は約100 mLで、高カラム負荷の2段階の洗浄を許容します。必要に応じてフィルターカラム層をカラム層の上に配置でき、フィルタカラムはバインディングカラムの上かつ接触した位置に置かれます。キャップはフィルターや結合カラムを含む層を密閉し、遠心分離機回転中の気流を制限します。基本ラックバージョンは、A-2-DWPバケットローター(例:Eppendorf 5804)、ローター1770(例:HETTICH Rotina 380)、または同等のシステムに対応しています。
ミニラックバージョン(図2)は幅広い遠心分離バケットローターに適しています。3つの部分から構成され、最小寸法は82.5×128×58mm(フィルターカラム層を含む)です。最大48列の大文字付き、または最大90列の大文字なしの列を使用できます。このバージョンの形状は基本ラックに似ていますが、列位置の外側行は取り除かれ、列キャップ用の溝に置き換えられています。貯水槽の容量は印刷版によって異なります。最小の貯蔵槽(20 mL)は約30カラムの洗浄ステップを1段階収容できます。より大きな貯留層は高いスループットを可能にします。フィルターカラム層は、小型遠心分離機でのローターバケットの動きを可能にするため、丸みを帯びたエッジになっています。ミニラック版はUC-124バケットローター(例:Accumax iFuge UC02)や同等のシステムに対応しています。フィルターカラム層なしで使用した場合、ラックはA-2-MTPバケットローター(例:エッペンドルフ5430)または同等品と互換性があります。
リザーバーレス(覆いなし)バージョン(図3)は、リザーバーをピペットチップボックスなどの外部容器に置き換えるため、3Dプリントの経験が限られたユーザーに適しています。このバージョンは3つの部分からなり、寸法は79×115×61.5mmです。最大48列の大文字付き、または最大78列の大文字なしの使用が可能です。形状は従来のバージョンに似ていますが、一体型の貯留槽はありません。代わりに、廃棄物収集には適切な容器が使用されます。コラム層とフィルター層は座席位置が少なく、フィルター層にはローターの動きを妨げない円錐形シートが設けられています。ベースは標準的な容器内に収まるよう設計されており、側面のスペーサーで安定化可能です。互換性は選ばれた容器によって異なりますが、A-2-DWPバケットローター(例:Eppendorf 5804)、ローター1770(例:HETTICH Rotina 380)、UC-124バケットローター(例:Accumax iFuge UC02)が含まれます。
キャップラック型(図4)は最も単純な構成で、5 mLまたは10 mLの24ウェル深ウェルプレートと組み合わせて使用されます。これは73 × 109 × 4 mmの寸法を持つ単一のコンポーネントで構成され、最大48本の柱の使用が可能です。このバージョンは対応するプレート形式をサポートする遠心分離機ローターと互換性があります。
収量と純度
DNA抽出は大腸菌培養において、標準的な手動マイクロ遠心分離機プロトコルとラックベース法の両方を用いて行われました。分光光度解析の結果、ラックを用いて抽出されたDNAの品質は標準法と同等であることが示されました。A260/A280の典型的な比率は両アプローチで1.8から1.9の間でした。総プラスミド収率(μg)は、従来の方法とラック構成を用いた抽出との間に有意な差は認められませんでした(図5)。生データは補足ファイル2に提供されています。プラスミドの立体構造も保持され、緩和型、線形型、スーパーコイル型の類似分布が見られました(図6)。
交差汚染分析
交差汚染の可能性を評価するために、チェッカーボード実験が実施されました。カラムは高濃度の臭化エチウム溶液(高価価DNAを模したもの)と水を交互に充填しました。2,000 × gでの遠心分離後、染料の分布は積載されたカラムの真下の廃棄エリアに限定され、隣接する井戸や隣接するカラムチップでは可視信号は検出されませんでした(図7)。これらの観察結果から、ラック設計は試験条件下での飛沫や横断カラム移動の可能性を低減しています。
汚染のさらなる評価のために、アンプリコンを汚染物質としてリアルタイムPCRが実施されました(補 足ファイル2参照)。増幅はアンプリコンを加えたカラムからの溶出液でのみ検出されました(図8)。試験条件下では交差汚染は検出されませんでした。ただし、作業フローやサンプルの種類によって性能は異なる場合があります。

図1:ラックアセンブリ回路図の基本版。 爆発CADビューで、(A)キャップ、(B)フィルターカラム層、(C)カラムホルダー層、(D)ベースリザーバーを示しています。ラックは4つのパーツで構成され、寸法は88 × 130 × 77 mmで、キャップ付きで最大48列、またはキャップなしで最大116列を同時に使用可能です。この図の拡大版を見るには、こちらをクリックしてください。

図2:ラックアセンブリ回路図のミニバージョン。爆発CADビューで、(A)フィルターカラム層、(B)カラムホルダー層、(C)ベースリザーバーを示しています。このバージョンは基本版と幾何学的に似ていますが、両側の列の柱座席は取り除かれ、柱キャップ用の溝が設けられています。3つの部分から構成されており、最小寸法は82.5×128×58mm(フィルターカラム層を含む)で、キャップ付きで最大48列、またはキャップなしで最大90列の使用が可能です。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧いただけます。

図3:リザーバーなし(覆いなし)バージョンのラックアセンブリ回路図。 (A)フィルターカラム層、(B)カラムホルダー層、(C)ベース、(D)ピペットチップボックスを示す爆発CADビュー。このバージョンは、統合型リザーバーをピペットチップボックスなどの外部容器に置き換えます。3つの部分から構成され、寸法は79×115×61.5mmで、最大48列のキャップ付きまたは最大78列の無キャップの列を使用できます。この図の拡大版はこちらをクリックしてください。

図4:24ウェルラックのキャップバージョン。 上から見たところ(左)、下の見方(右)。これは最もシンプルなラック型で、5 mLまたは10 mLの24ウェル深ウェルプレートと組み合わせて使用されます。これは73 × 109 × 4 mmの寸法の単一部品で構成されており、キャップの有無にかかわらず最大48列の使用が可能です。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図5:DNA収率と純度の比較。 プラスミド収率(μg/mL)の分光光度解析。従来の方法とラック構成を用いた抽出との間で、総プラスミド収量に統計的に有意な差は認められませんでした。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図6:DNA品質の比較。DNA形態はアガロースゲル電気泳動によって可視化されました。リラックス型、線形型、スーパーコイル型のDNAは、標準的な手動抽出とラックベースの抽出に似ています。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図7:交差汚染評価。 遠心分離後の廃棄物貯蔵池の図で、重なりのない離散的な廃棄物プールが示されています。カラムには高濃度の臭化エチジウム溶液(高滴価DNAを模擬)と水が充填されました。遠心分離後、隣接する「水」井戸や隣接する柱の先端には染料が観察されず、試験条件下で飛び散りや横断柱間移動が減少したことを示しています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図8:定量PCRを用いた交差汚染の解析。汚染物質を含むサンプルの増幅曲線は赤色で示され、水のみを含むサンプルは緑色で示されています。増幅は汚染物質を含む試料でのみ検出されました。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
補足ファイル1:ラック設計用の3Dモデルファイル。このファイルセットには、基本ラックバージョン、ミニラックバージョン(複数のリザーバー高さバリエーション付き)、リザーバーなしバージョン、キャップラックバージョンを含むすべてのラック構成のSTLファイルが含まれています。3Dプリント用には、ベースリザーバー、カラムホルダー層、フィルターカラム層、キャップなどの個別コンポーネントが提供されています。このファイルをダウンロードするには、こちらをクリックしてください。
補足ファイル2:支援データと手法。 このファイルセットには、遠心分離機適合性表、詳細な交差汚染試験手順、生DNA収量データセット、および汚染分析に関連するPCR機器出力ファイルが含まれています。このファイルをダウンロードするには、こちらをクリックしてください。
補足図S1:基本のラックバージョン(完全組み立て済み)。 完全に組み立てられた基本ラック構成の高解像度画像で、全体の構造と部品配置を示しています。このファイルをダウンロードするには、こちらをクリックしてください。
このプロトコルは、多くの分子生物学実験室における「スループットギャップ」に対応しています。96ウェルフィルタープレートは高速ですが、個々のスピンカラムと比べて結合能力が低く、最終濃度が低くなる可能性があります14。標準的なスピンカラムをプレートローター形式に適応させることで、この方法はカラムの高い収量とプレートベースのワークフローの高速さを組み合わせています。
ラックは12個以上のサンプルを処理する際に最も有利です。このプロトコルの主な革新は、24ウェルラックの使用であり、上清液と洗浄液の処理に共用リザーバーを用いることで、カラムベースの核酸抽出を簡素化・迅速化します。ラックを使用する場合、14〜116サンプルのこれらのステップを実行するのにかかる時間は、2〜12サンプルと同等です。さらに、個々のチューブの取り外し、カラムの移動、洗浄液の廃棄、キャップの開閉などの繰り返し作業が最小限に抑えられ、オペレーターの作業も軽減されます。元のキット成分(溶液とスピンカラム)は変わっていないため、比較可能なDNA品質が期待され、提示された結果によって支持されています。
24ウェルラックの3Dプリントは標準装備で可能ですが、基本版やミニ版には経験が必要になる場合があります。リザーバーなしやキャップラック式はよりシンプルで、印刷経験が少ないもので製造可能です。融合堆積モデリングにおける重要な考慮点は、層間に微小な隙間が形成されることであり、遠心分離下での水密性を損なう可能性があります。試験の結果、100%の充填、貯留層の壁厚7mm、層高0.1mmが十分な防水性を提供することが示されました。プリントベッドを加熱し、表面を滑らかにすることでシール性能がさらに向上しました。これに対し、エポキシ樹脂や有機溶剤を用いたプリント後シーリングは効果的ではなく、遠心分離中の変形により亀裂や漏れが生じました。壁厚が不十分だと構造の破損や水密性の低下が起こり、遠心分離機のバランスの崩れにつながる可能性があります。したがって、印刷部品の使用前テストが推奨されます。
4種類のラックバージョンはバケットローターを備えた幅広い遠心分離機に適しており、ユーザーは自分の機器や処理量の要件に最適な構成を選択できます。基本的なラックバージョンは最高のスループットを提供しますが、より大きな遠心分離機とより高い印刷品質が必要です。ミニバージョンは遠心分離機のサイズを削減しますが、同時に処理量も低下します。リザーバーレスバージョンは製造を簡素化し、ピペットチップボックスなど一般的に入手可能な容器と互換性がありますが、互換性は容器の形状に依存します。キャップラックバージョンは最もシンプルな構成ですが、フィルターカラムでは使用できません。
核酸を結合しないフィルターカラムは、標準的な結合カラムよりも入手しにくい場合があります。これらの文書がない場合、追加の確認手続きが必要となり、全体の処理時間が増加する可能性があります。または、フィルターピペットチップ(1000 μL)や二酸化チタンプロトコルを使用することもあります。
抽出ラックは標準的なDNA抽出ワークフローの機械的な補助として機能し、 バッファーの組成やカラムの化学成分を変化させません(二酸化チタンのバリアントを除く)。したがって、DNA品質に大きな影響は期待されず、アガロースゲル電気泳動および収量比較の結果と一致しており、標準法と比較してプラスミドの形態や量が類似していることが示されています。
共有廃棄物貯留池の使用は交差汚染のリスクを生じさせますが、試験条件下では観察されていません。重要な設計特徴は、柱の出口の「煙突」形状で、柱の先端と廃液表面の分離を維持しています。この分離を維持するために、貯水池は過剰に満たされないようにし、各流水が完了した後に排水することが推奨されます。
この方法の制約の一つは、スイングバケットローターの最大回転数(通常2,000 × g)です。この速度は結合や洗浄には十分ですが、膜の完全な乾燥には不十分です。したがって、固定角度マイクロ遠心分離機での最終高速遠心分離工程が必要です。この追加措置にもかかわらず、24サンプルを超えるバッチでは全体の時間節約は依然として大きく残っています。
著者には利益相反を主張するものはありません。
この研究はロシア国家タスク番号125041005130-8によって支援されています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3Dプリンターフィラメント | NIT、ロシア | - | PETGまたはPLAが推奨 |
| バッファ N3 | Qiagen、オランダ | 19064 | |
| バッファ P1 | Qiagen、オランダ | 19051 | |
| バッファ P2 | Qiagen、オランダ | 19052 | |
| Creality Ender-3 S1 Pro | Creality、中国 | ||
| 溶出バッファ | Qiagen、オランダ | 19086 | |
| Eppendorf 遠心分離機 5702 | Eppendorf、ドイツ | 22626001 | 固定角ローター |
| Eppendorf 遠心分離機 5804 R | Eppendorf、ドイツ | 22625080 | スイングバケットプレートローター |
| エチジウムブロミド | Biolabmix、ロシア | EtBr-10 | |
| フリット 1000 μL フィルターピペットチップ | GenFollower、中国 | E-FTB1000 | フィルターカラムの一部 |
| ミニプレップ(フィルターバリアなし)スピンカラム | JVLAB、中国 | - | フィルターカラムの一部 |
| フェノールレッド | Lenreactiv、ロシア | 200125 | |
| PrusaSlicer | Prusa Research、チェコ共和国 | ||
| QIAprep 2.0 スピン ミニプレップ カラム | Qiagen、オランダ | 27115 | |
| RNase A | Qiagen、オランダ | 19101 | |
| 洗浄バッファ | Qiagen、オランダ | 19065 |
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