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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Descrevemos um ensaio digital de ponto final para quantificar ácidos nucléicos com uma leitura simplificada (analógica). Medimos a fluorescência em massa de ensaios digitais baseados em gotículas usando uma máquina de qPCR padrão em vez de instrumentação especializada e confirmamos nossos resultados por microscopia.
Ensaios digitais são poderosos métodos que permitem a detecção de células raras e contagem de moléculas de ácido nucleico individuais. No entanto, ensaios digitais ainda não são rotineiramente aplicados, devido ao custo e equipamento específico associado com métodos comercialmente disponíveis. Aqui apresentamos um método simplificado de leitura dos ensaios de gotículas digitais usando um real-time PCR convencional instrumento para medir a fluorescência maior parte dos ensaios digitais baseadas em gotículas.
Nós caracterizar o desempenho do ensaio de leitura, utilizando misturas de grandes quantidades de gotículas de síntese e amplificação por deslocamento de um múltiplo (MDA) ensaio digitais gotícula. Quantitativa MDA particular beneficia de uma reação formato digital, mas o nosso novo método se aplica a qualquer ensaio digital. Para estabelecidos protocolos de ensaio digitais, tais como PCR digital, este método serve para acelerar e simplificar ensaio de leitura.
Nossa metodologia de grandes quantidades de leitura traz as vantagens de partitioned ensaios sem a necessidade de uma instrumentação especializada leitura. As principais limitações da metodologia de leitura em massa são reduzidos alcance dinâmico em comparação com plataformas de gotículas de contagem e a necessidade de uma amostra padrão, embora os requisitos para este padrão são menos exigentes do que para uma experiência em tempo real convencional. Quantitativa genoma inteiro de amplificação (WGA) é usado para testar contaminantes em reacções WGA e é a forma mais sensível para detectar a presença de fragmentos de ADN com sequências desconhecidas, dando ao método uma grande promessa em diversas áreas de aplicação farmacêutica incluindo o controlo de qualidade e astrobiology.
Ensaios digitais para quantificação de ácidos nucleicos (PCR digital) 1-4 e com base em ordem (sequência) estão impactando fortemente as ciências da vida e medicina. Ensaios digitais fornecem quantificação de contagens moleculares numa escala absoluta (não relativamente a um controlo), fornecimento de alta sensibilidade, permitindo comparações entre experiências fáceis, e crucialmente, permitindo a construção de grandes bases de dados contendo dados comparáveis 5 (Tabela 1).
Ao longo dos últimos 15 anos, a amplificação do genoma inteiro (WGA) surgiram ao lado de PCR como uma ferramenta geral para a amplificação de ácido nucleico. Como PCR, o WGA é útil para aplicações analíticas e preparativas por amplificar elementos da amostra minuto até um nível que pode ser facilmente detectado ou utilizados para análises posteriores, como a sequenciação base. Ao contrário de PCR, WGA não é específico para um locus de ADN particular, em vez permitindo a amplificação de todas as sequências da amostra, incluindo seqüências desconhecidas.Esta diferença fundamental entre PCR e WGA torna os métodos complementares um ao outro e dá origem a diferentes desafios na sua aplicação.
O alto rendimento das reações WGA 6 permite amplificação rotina de DNA genômico a partir de moléculas individuais 7, 8 células individuais e outras amostras de baixa biomassa 9 para a quantificação ou análise posterior. Os principais desafios associados com a WGA química são a sua extrema sensibilidade à contaminantes e a amplificação desigual entre moléculas do molde 6 individuais. No entanto, WGA está ganhando popularidade como sequenciamento de uma única célula emergiu como o "aplicativo matador" da tecnologia WGA 10, e modelo de quantificação por WGA é importante em muitos campos de aplicação 7.
Instrumentação para a quantificação de ácido nucleico digital foi anteriormente descrito em uma variedade de valvulado e valveless forma de microfluidosTS 11-14, incluindo ensaios baseados em gotículas 15,16 (Tabela 2). No entanto, os sistemas microfluídicos comerciais para análise digital exige equipamento especializado para a configuração de reação e detecção do produto 17. Microfluídica costume valvulados são flexíveis, mas requerem microfabricação de precisão e sistemas de controle pneumático 18. Embora seja relativamente simples de fazer micro-gotas monodispersas para sistemas baseados em emulsão ensaios digitais 19,20, leitura digital é tecnicamente onerosa, exigindo tanto em larga escala em todo o campo de imagem (similar às tecnologias de sequenciamento de próxima geração populares) ou 21,22 alta velocidade de fluxo baseado em detecção de gotículas 23-25. Idealmente, um ensaio digitais seria simples de ajustar-se a leitura, reduzindo a necessidade de instrumentação complexa e permite que um grande número de amostras a ser lida rapidamente. Aqui nós descrevemos um método simplificado para a leitura de ensaios de gotículas digitais que usa um real-time PCR convencional iINSTRUMENTO para medir a fluorescência de grandes quantidades de ensaios digitais baseados em gotículas.
Enquanto a nova abordagem pode ser aplicada para ensaios de PCR digitais, é particularmente vantajoso para os ensaios de WGA digitais para analógico que os ensaios de amplificação em tempo real (que dão excelentes resultados para PCR) são problemáticos. WGA é comumente aplicado a amostras com moléculas do molde que são heterogêneos em sequência, comprimento e conteúdo base. Estas moléculas do molde diferentes são amplificados em diferentes taxas de 6, necessitando da utilização de uma referência ("standard") de uma amostra com características correspondentes. Muitas vezes, há tal padrão é disponível, ou as características das amostras de entrada são desconhecidos. A heterogeneidade do material de entrada e da propriedade dependente do comprimento de químicas de WGA 26 também complicar a interpretação dos resultados, criando ambiguidade em que está a ser quantificado - a massa de entrada, o número de moléculas de entrada, de uma combinação dos dois, ou nenhum deles. Finalmente, a sequência não-especificidade torna amplificação por deslocamento de múltiplos quantitativa (MDA) mais sensíveis à contaminação de PCR quantitativa uma vez que as moléculas de contaminantes de qualquer sequência tem um potencial de interferir. Ensaios digitais microfluídicos abordar a contaminação por segregar moléculas do molde e reduzindo volumes de reacção tais que menos contaminantes são amostrados.
Aqui usamos um método WGA isotérmico popular, MDA 27. De nota, várias outras químicas WGA incluindo PicoPlex e MALBAC 28 dependem crucialmente passos iniciais de deslocamento isotérmico Strand. Etapas isotérmicas exacerbar o desafio de aplicar ensaios em tempo real analógicos para WGA quantitativa. WGA não pode nem ser totalmente impedida durante a instalação, levando a pré-amplificação variável indesejada, nem discretizado ("ciclo") de uma forma em que a replicação de moléculas heterogêneas pode ser conduzido até a conclusão e parou antes do próximo ciclo como PCR 11 (Figura 1). Um formato de ensaio digital para WGA acolhe procedimentos de configuração típica reação devido à segregação de cada molécula para enumeração no ponto final do ensaio (para pré-amplificação não afeta os resultados) leitura inicial significa precisão seria largamente independente da variação na eficiência de amplificação.
O ensaio depende de gotículas produzidas em óleo com volumes uniformes, como o nível do sinal por gota no ponto final do ensaio vai depender do volume de gotículas, e nós não queremos que a consistência dos resultados que depender de média através de uma distribuição de tamanhos de gotas. Fazendo gotas monodispersas agora é um procedimento padrão (cerca de 3.500 documentos de gotas monodispersas foram publicados desde 2013), mas requer instrumentação microfluídico 25. Na verdade, mais de seis empresas desenvolveram produtos comerciais independentes, que dependem da produção de tais gotas, e chips microfluídicos de tomada de gotículas sãocomercialmente disponível 23,29. Para este estudo, foram utilizados dispositivos microfluídicos personalizados produzidos internamente (veja Protocol). Bombas de Seringa para dirigir escoamento através dos dispositivos estão também disponíveis comercialmente, mas em alternativa, podem ser substituídos com uma única seringa descartável para o fluxo orientado a vácuo para reduzir os custos de 30.
Nota: Fabrico do Dispositivo de microfluidos não é necessário para este ensaio, como gotas para este protocolo pode ser formado com os fabricantes de gotículas comerciais existentes 23,29.
1. Verifique o dispositivo micro-gota de formação
2. Prepare mistura de reacção para massa Gota Leitura
Nota: O protocolo pode ser utilizado para quantificar os ácidos nucleicos, utilizando vários tipos de reacções de amplificação. Como um exemplo, os reagentes necessários para MDA de várias concentrações de DNA de lambda são dadas. Detalhes reagentes estão listadas na Tabela de reagentes específicos. A distribuição de molde dentro das gotas depende sufficienT de mistura da amostra.
3. Gota Formação
Nota: Gotas pode ser muito sensível à eletricidade estática e tensão de cisalhamento. Remover as roupas que podem causar eletricidade estática, e aterre-se antes de formar gotas. Manipular tubos de emulsão a partir do topo do tubo, na medida do possível emulsão. Emulsões de pipetas muito lentamente, de preferência com uma grande ponta furo pipeta. Quando a distribuição a partir de uma ponta de pipeta, assistir a emulsão no lado da ponta para determinar a velocidade de pipetagem.
4. A amplificação isotérmica
5. Aquisição de Dados e Análise
6. produzem gotas do princípio de prova de Medidas
7. A prova de princípio MDA Experiment
8. PCR e reacções de MDA a granel
Embora as leituras granel convencional / em tempo real pode ser utilizado para ambos os ensaios de PCR quantitativa e quantitativa WGA (Figura 1), ensaios quantitativos digitais proporcionam vantagens (Tabela 1). No método descrito, podemos ler a ensaios digitais em formato de micro-gota com uma medição de ponto final a granel simples (Figura 2). Enquanto este método é amplamente aplicável, nos concentramos em WGA quantitativa (MDA), pois este método apresenta desafios especiais para os ensaios em tempo real convencionais.
Para verificar se o instrumento em tempo real de PCR pode detectar diferentes fracções de microgotículas fluorescentes dispersas em óleo, que mediu a fluorescência de grandes quantidades de misturas sintéticas de fluorescentes e não fluorescentes gotas (Figura 2). A fluorescência granel e contagens de gotículas positivos (avaliada de forma independente por microscopia de fluorescência) dimensionar linearmente com a fração de entrada de gotículas fluorescentes como esperado (Figura 3A). O experimento foi realizado três vezes, com a formação de gotículas independente e de mistura para cada conjunto.
Para avaliar o desempenho quantificação teórico para amostras "desconhecidas", estabelecemos curvas padrão lineares usando amostras de controlo inteiramente positivos e negativos inteiramente. Com tais curvas padrão gota-específicos do lote, nós calculamos a fração de misturas de gotículas positivos e negativos sintéticos baseados em fluorescência em massa de cada amostra. Os resultados mostram um bom desempenho em relação gota quantificação através de dois registros de faixa dinâmica (R 2 = 0,984; Figura 3B). A concentração do analito de entrada é facilmente calculado a partir da fracção de gotas de 38 positivos ou negativos.
Para testar nosso método em um ensaio quantitativo verdadeira WGA, medimos níveis de fluorescência e fração de gotículas positivos de um ensaio MDA gotícula digital com DNA Lambda através de uma wi de gama de concentrações (Figura 4). Na Figura 4B, as imagens fluorescentes representativos de as gotículas são mostrados. Ambos fluorescência granel e fracção positiva das gotículas a partir de amostras digitais de MDA escalar como esperado com o modelo de medio por gota, o que indica que a leitura de grandes quantidades pode capturar fielmente o resultado de um ensaio digitais (R 2 = 0,927). Repetimos o experimento para cada concentração, formando gotas independente e realização WGA para cada repetição.

Tabela 1. Resumo do real-time e ensaios digitais. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Tabela 2. Resumo dos métodos existentes para quantificar os ácidos nucleicos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 1.-PCR em tempo real quantitativo e MDA de Lambda DNA. MDA não é discretizado através de ciclos de temperatura de PCR, como, e é sujeito a pré-amplificação não se preparado cuidadosamente em gelo. Aqui, PCR quantitativo e MDA foram realizados com concentrações crescentes de DNA Lambda. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2. Esquema de leitura analógica de gotículas e imagens representativas. (A) gotículas positivos e negativos foram gerados a partir de reagentes fluorescentes e não fluorescentes em um dispositivo de microfluidos. As gotículas foram pré-misturadas em diferentes positivos: rácios negativo. Níveis de fluorescência foram medidos em massa com um termociclador em tempo real normal, e a fracção de gotas de positivos foi determinada por microscopia de fluorescência. (B) fluorescente Representante sobreposto imagens de aumentar os rácios de gotículas positivos (barra de escala = 200 m). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. massa de fluorescência e fracção fluorescente de combinações de drople positivo e negativo preparado separadamentets. (A) fluorescente (positivo) e não-fluorescente gotículas (negativos) foram pré-misturadas em diferentes proporções. Comparação da fracção de entrada de gotículas de positivos, com a maior parte da fluorescência medido e medido fracção gota positivo (n = 3, barras representam +/- DP). A linha a tracejado representa a fracção fluorescente esperado dado uma relação linear. (B) Comparação de rácios previsto com base em padrões de entrada para a fracção fluorescente esperado. A linha indica o valor esperado dado uma relação linear. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. massa de fluorescência e fracção fluorescente de um ensaio de MDA digital de gotícula. Digital MDA foi realizada com increasing concentrações de modelo Lambda DNA (n = 3, barras de erro representam DP) e medido como descrito na Figura 2A. A linha indica a fracção fluorescente esperado utilizando a distribuição de Poisson para modelar os dados do nosso experimento. b) fluorescente Representante sobreposto imagens de gotas após a inativação de reação (barra de escala = 200 mm) para aumentar a moléculas de DNA Lambda esperados por gota (NTC, 0,005, 0,05, 0,5 e 10). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura .
O Broad Institute pode apresentar um pedido de patente que inclua aspectos deste trabalho.
Descrevemos um ensaio digital de ponto final para quantificar ácidos nucléicos com uma leitura simplificada (analógica). Medimos a fluorescência em massa de ensaios digitais baseados em gotículas usando uma máquina de qPCR padrão em vez de instrumentação especializada e confirmamos nossos resultados por microscopia.
Os autores agradecem a Liyi Xu por fornecer reagentes e protocolos de MDA. Agradecemos também a David Feldman e Navpreet Ranu pelas discussões relacionadas a este trabalho. Este trabalho foi apoiado em parte por um Prêmio de Carreira Burroughs Wellcome na Interface Científica para PCB.
| Evagreen Dye | Biotium | 31000 | |
| Albumina de soro bovino | New England Biotechnologies | B9000S | |
| Phi29 DNA Polimerase Reaction Buffer | New England Biotechnologies | B0269S | Vórtice periodicamente até que o agregado se dissolva |
| Lambda DNA | New England Biotechnologies | N3011S | Aquecido a 50 oC e temperado em gelo antes da diluição |
| Oligos MDA randomizados | Tecnologiasintegradas de DNA | 5'-NNNNN*N-3'PCR | |
| Tecnologias | integradas de DNA | 5'-CGGCAAACGGGAATGAAACGCC-3' e 5'-TGCGGCAAAGACAGCAACGG-3' | |
| Água sem nuclease ultrapura | Life Technologies | 10977-015 | tratada com UV por 30 min em Stratalinker 2400 antes do uso (opcional) |
| Corante de referência ROX | Life Technologies | 12223-012 | |
| Tampas de tira óptica PCR | Life Technologies | 4323032 | |
| Tubos de PCR | Agilent Technologies | 401428 | |
| dNTP (25 micromolares cada) | Agilent Technologies | 200415 | |
| Thermocycler - Mx3000P qPCR | ponteiras de pipeta de barreira 401403 | Agilent Technologies | |
| VWR | 89003-046 | ||
| Óleo Bio-rad para evagreen | Bio-rad | 186-4005 | |
| JumpStart Taq ReadyMix | Sigma-Aldrich | P2893-100RXN |