Разработка протокола высокопродуктивного извлечения ДНК из образцов сточных вод
Модифицированный вариант ранее разработанных протоколов был использован для извлечения высококачественных ДНК и РНК из образцов воды17. Образцы были получены из открытых дренажных систем, а также из очистных сооружений в регионе Дели-NCR в Северной Индии. После предварительной обработки с использованием ПЭГ и NaCl (рис. 1) образцы были обработаны с помощью наборов для извлечения ДНК из почвы и воды. Во всех случаях наблюдалась заметная высокомолекулярная полоса, вероятно, соответствующая внутриклеточной бактериальной ДНК, и фоновый мазок, как это типично для образцов окружающей среды37 (рисунок 2).
Отсутствие эффективной экстракции ДНК из сточных вод очистных сооружений (СТП)
Несмотря на то, что разумный выход общей ДНК был получен из открытых стоков и притоков STP (Таблица 3), из окончательно очищенных сточных вод ДНК получить не удалось; проблемы с низкой урожайностью описаны и в предыдущей работе41 (рис. 3). Ожидается, что при последующей очистке, которая включает в себя хлорирование сточных вод и, в некоторых случаях, обработку как ультрафиолетовой, так и ультрафильтрационной терапией42, микробная нагрузка будет низкой, а любая остаточная ДНК (состоящая из внеклеточной и фрагментированной ДНК) будет разбавлена. Исходная низкая концентрация ПЭГ, используемая в концентрации образца и осаждении нуклеиновых кислот, может исключить низкомолекулярную ДНК. Другими словами, фрагментированная ДНК может быть потеряна на начальном этапе концентрации.
Увеличение концентраций ПЭГ и NaCl приводит к осаждению ДНК с более низкой молекулярной массой
Чтобы проверить, помогает ли увеличение концентрации ПЭГ в обогащении низкомолекулярной ДНК, был сгенерирован лабораторный стандарт фрагментов ПЦР различной длины, создающий ряд линейных фрагментов ДНК (рис. 4). Стандарт подвергался четырем различным условиям осаждения: 9% PEG-8000 + 0,3 M NaCl (исходная комбинация), 9% PEG-8000 + 1,2 M NaCl (только повышающая соль), 30% PEG-8000 + 0,3 M NaCl (только повышающая PEG) и 30% PEG-8000 + 1,2 M NaCl (повышающая как соль, так и PEG). Условия были выбраны на основе стандартного протокола, используемого для эпиднадзора за SARS-CoV-217 , и условий, описанных в исследовании модульных методов экстракции ДНК из образцов окружающей среды33. Использовались две различные скорости центрифугирования - 15 000 x g и 20 000 x g - на основе влияния дифференциальных скоростей на гранулирование ДНК43. При увеличении концентраций PEG и NaCl до 30% и 1,2 М соответственно общее восстановление ДНК увеличивалось примерно на 70%, а фрагменты ДНК размером до 150 пар оснований (.н.) эффективно осаждались (рис. 5). Разница в скорости не оказала большого влияния на выход продукции (рис. 6A) и может быть связана с длительным временем центрифугирования. Поскольку общее восстановление ДНК было ниже в исходной комбинации PEG/NaCl, возможно, что полосы с более низкой молекулярной массой, хотя и присутствовали, были в концентрации ниже предела визуализации. Чтобы проверить это, количество входной ДНК для осаждения увеличивали, а избыток ДНК, соответствующий каждой обработке (1,5 мг), загружали в агарозный гель для визуализации. Только лечение 30% ПЭГ показало хорошее восстановление при самой низкой молекулярной массе, т.е. в полосе 150.о. (Рисунок 6B).
Осаждение кольцевой ДНК (бактериальной геномной и плазмидной ДНК) не следует той же тенденции
Кишечная палочка Геномную ДНК и плазмиду MG155 (pRSV, ~4 kb) использовали для осаждения с различными концентрациями PEG и NaCl. В отличие от линейной ДНК, повышение уровней PEG и NaCl не оказало существенного влияния (рис. 7), что позволяет предположить, что повышение PEG не влияет на выход кольцевой и высокомолекулярной ДНК (как правило, внутриклеточной ДНК). Это контрастирует с более ранними наблюдениями при осаждении белка44, где растворимость резко снижалась с концентрацией ПЭГ. Учитывая, что ПЭГ действует как агент скученности, предполагается, что площадь поверхности макромолекулы, доступная для взаимодействия, играет важную роль в ее эффективности в качестве провоцирующего агента. В случае с линейной ДНК по мере увеличения размера разумно предположить, что площадь, доступная для взаимодействия, также увеличивается. При использовании кольцевой ДНК возможно, что низкие концентрации ПЭГ уже достаточны для насыщения молекулы, и дальнейшее повышение концентрации может не увеличить эффективную площадь поверхности для взаимодействия.
Низкий выход ДНК из сточных вод при предварительной обработке осадков с помощью ПЭГ и NaCl не учитывается
Чтобы проверить, имеет ли предварительная обработка сточных вод решающее значение для экстракции ДНК, в 20 мл инактивированных теплом сточных вод (70 °C, 4 ч) добавляли 10 мг ранее приготовленного линейного стандарта и инкубировали в течение ночи при 4 °C (a) без PEG + NaCl, (b) с 9% PEG + 0,3 M NaCl (исходная комбинация) и (c) с 20% PEG + 1,2 M NaCl (повышенное содержание PEG и соли). Затем образцы были обработаны с помощью почвенного набора для извлечения ДНК, как объясняется в протоколе. Было обнаружено, что выход экстрагированной ДНК увеличивается на 60 % при предварительной обработке проб сточных вод с 9% PEG + 0,3 M NaCl по сравнению с отсутствием стадии предварительной обработки (рис. 8), что указывает на то, что предварительная обработка осадков PEG и NaCl жизненно важна для получения высокопродуктивной ДНК из проб сточных вод. Следует также отметить, что в то время как общий выход ДНК, включая высокомолекулярную геномную ДНК (гДНК), ниже, когда для осаждения используется высокое содержание ПЭГ и соли, доля ДНК с более низкой молекулярной массой обогащена (рис. 8). Снижение общего выхода при повышении ПЭГ и соли можно объяснить высокой вязкостью ПЭГ, что может привести к потере гранул ДНК при удалении надосадочной жидкости. Это усиливает аргументы в пользу предложенного метода поэтапной экстракции ДНК (рис. 9), при котором высокомолекулярная ДНК может быть сначала экстрагирована с использованием низкого осаждения PEG и NaCl, а полученная надосадочная жидкость может быть подвергнута еще одному раунду предварительной обработки с повышенным содержанием PEG и NaCl для эффективного извлечения низкомолекулярной ДНК, которая избежала первого раунда осаждения.

Рисунок 1: Предварительная обработка проб сточных вод. Схема, показывающая рабочий процесс от сбора образцов до экстракции ДНК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Типичный профиль геля ДНК, извлеченной из образцов сточных вод. Объем 50-100 мл (как указано на рисунке) сточных вод, отобранных с различных участков, был инактивирован нагреванием путем инкубации при 70 °С в течение 4 ч. Затем его инкубировали с 9% ПЭГ и 0,3 М NaCl в течение ночи при 4 °C, а затем обрабатывали для извлечения ДНК с использованием почвы или водного набора. Примерно 150 нг общей экстрагированной ДНК загружали в 1% агарозный гель вместе с лестницей из 1 килопар оснований (kb) в качестве маркера и подвергали электрофорезу (90 В, 30 мин). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. В таблице справа указаны источники сбора образцов, объем очищенных сточных вод и комплект, используемый для извлечения ДНК для каждой дорожки. (STP: Станция очистки сточных вод; UVR: Ультрафиолетовое излучение) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Образцы сточных вод STP показывают низкий общий выход ДНК. Объем 40 мл сточных вод, отобранных из входных и сточных вод STP, был инактивирован нагреванием путем инкубации при 70 °C в течение 4 часов. Затем его инкубировали с 9% ПЭГ и 0,3 М NaCl в течение ночи при 4 °C, а затем обрабатывали для извлечения ДНК с использованием почвенного или водного набора или набора для экстракции бактериальной геномной ДНК. Примерно 150 нг общей экстрагированной ДНК загружали в 1% агарозный гель вместе с 1 kb лестничкой в качестве маркера и подвергали электрофорезу (90 В, 30 мин). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. Концентрация экстрагированной ДНК в образцах сточных вод была ниже 1 нг/мл сточных вод и, следовательно, не могла быть визуализирована. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Создание линейного стандарта размера ДНК для проверки эффективности осаждения низкомолекулярной ДНК. Пять фрагментов ДНК разного размера были получены путем амплификации методом ПЦР с использованием геномной ДНК E. coli (MG1655) в качестве матрицы, а также праймеров и условий, как описано в таблице 2. Очищенную ДНК (~1 мкг) с помощью набора для очистки ПЦР загружали на 1% агарозный гель вместе с 1 кб ладдера в качестве маркера и подвергали электрофорезу (90 В, 40 мин). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. Дорожки помечены именами генов, из которых был амплифицирован фрагмент, и ожидаемым размером ампликона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Низкомолекулярная ДНК эффективно восстанавливается только при самой высокой (30%) концентрации ПЭГ. Входную ДНК (3,34 мкг) из ранее полученного стандартного размера обрабатывали различными комбинациями ПЭГ и NaCl, как указано на рисунке, и экстрагировали, как подробно описано в протоколе. Используемая скорость центрифугирования составляла 15 000 x g. Для ввода (дорожка 3) и 1,2 М NaCl + 30% ПЭГ (дорожка 7) на гель загружали 0,8 мкг ДНК. В остальном, поскольку общий выход был низким, загружали общее количество ДНК, выделенной в 16 μл, и 1 kb ladder загружали в качестве маркера размера на 1% агарозный гель и подвергали электрофорезу (80 В, 45 мин). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. Белым прямоугольником выделена самая нижняя полоса в 150.н. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Восстановление низкомолекулярной ДНК определяется высокими концентрациями ПЭГ, а не солей. (A) Входная ДНК (14 мкг) из стандартного размера была обработана различными комбинациями ПЭГ и NaCl, как показано на рисунке, и экстрагирована с использованием осаждения этанола, как подробно описано в протоколе. Используемая скорость центрифугирования составляла 15 000 x g и 20 000 x g, как показано на рисунке. Весь объем входной ДНК и извлеченной ДНК вместе с 1 кб лесцем загружали на 1% агарозный гель и подвергали электрофорезу (90 В, 30 мин). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. (B) Входная ДНК (15,67 мкг) из ранее полученного стандартного размера была обработана различными комбинациями ПЭГ и NaCl, как показано на рисунке, и экстрагирована, как описано в протоколе. Используемая скорость центрифугирования составляла 15 000 x g. Экстрагированную ДНК (1,5 мкг) загружали в каждую дорожку, а лестницу объемом 1 кб загружали в качестве маркера размера на 1% агарозный гель и подвергали электрофорезу (80 В, 45 мин). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. Белым прямоугольником выделена самая нижняя полоса в 150.н. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Увеличение концентрации PEG и NaCl существенно не влияет на восстановление геномной ДНК и плазмидной ДНК. Входную ДНК (9 мкг; 4,5 мкг плазмиды и 4,5 мкг геномной ДНК) обрабатывали различными комбинациями ПЭГ и NaCl, как показано на рисунке, и экстрагировали, как описано в протоколе. Используемая скорость центрифугирования составляла 15 000 x g. Весь объем входной ДНК и извлеченной ДНК вместе с 1 кб лесенка загружали на 1% агарозный гель и подвергали электрофорезу (90 В, 45 мин). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. В белых прямоугольниках обозначены геномная ДНК и плазмидная ДНК. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 8: Предварительная обработка осадков с помощью ПЭГ и NaCl имеет решающее значение для высокопроизводительного извлечения ДНК из сточных вод. В инактивированные при нагревании (70 °C, 4 ч) сточные воды (20 мл) добавляли 10 мг предварительно приготовленного линейного стандарта и инкубировали в течение ночи при 4 °C без ПЭГ и NaCl или различных концентраций ПЭГ и NaCl, как показано на рисунке. Затем его обработали для извлечения ДНК с помощью почвенного набора. Входную ДНК (4 мкг), используемую для спайкинга (дорожка 1), и экстрагированную ДНК (4 мкг) со стадией предварительной обработки 9% ПЭГ + 0,3 М NaCl (дорожку 3) загружали в 1% агарозный гель. Для остальных условий все количество извлеченной ДНК загружалось в гель, так как выход был низким. Лестница на 1 КБ также была загружена в качестве маркера размера. Гель подвергали электрофорезу (70 В, 2 ч). ДНК визуализировали в ультрафиолетовом (УФ) свете с помощью красителя SYBR SAFE. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 9: Предложен поэтапный метод экстракции ДНК из сточных вод для обогащения как высокомолекулярной, так и низкомолекулярной ДНК. Блок-схема, изображающая двухступенчатый метод извлечения ДНК из сточных вод с начальной стадией предварительной обработки с использованием низкой концентрации PEG и NaCl. Надосадочная жидкость с первого этапа подвергается еще одному раунду предварительной обработки осаждением с повышенным содержанием PEG и NaCl для эффективного извлечения как высокомолекулярной, так и низкомолекулярной ДНК из сточных вод. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Таблица 1. Предыдущее использование ПЭГ и NaCl в исследованиях по экстракции ДНК из образцов окружающей среды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 2. Последовательности праймеров и условия ПЦР для получения стандарта. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Таблица 3. Выход и качество ДНК получены из образцов сточных вод в течение двух месяцев в 2023 году. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.