[go: up one dir, main page]

RU2410439C1 - Method for ablation of target dna from surface of dna biochips - Google Patents

Method for ablation of target dna from surface of dna biochips Download PDF

Info

Publication number
RU2410439C1
RU2410439C1 RU2009125627/10A RU2009125627A RU2410439C1 RU 2410439 C1 RU2410439 C1 RU 2410439C1 RU 2009125627/10 A RU2009125627/10 A RU 2009125627/10A RU 2009125627 A RU2009125627 A RU 2009125627A RU 2410439 C1 RU2410439 C1 RU 2410439C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dna
ablation
target dna
biochips
sample
Prior art date
Application number
RU2009125627/10A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Евгеньевич Пельтек (RU)
Сергей Евгеньевич Пельтек
Василий Михайлович Попик (RU)
Василий Михайлович Попик
Татьяна Николаевна Горячковская (RU)
Татьяна Николаевна Горячковская
Вячеслав Алексеевич Мордвинов (RU)
Вячеслав Алексеевич Мордвинов
Александр Константинович Петров (RU)
Александр Константинович Петров
Original Assignee
Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации
Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) filed Critical Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации
Priority to RU2009125627/10A priority Critical patent/RU2410439C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2410439C1 publication Critical patent/RU2410439C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry; biochemistry.
SUBSTANCE: invention pertains to biotechnology, laser technology and medicine. disclosed is a method for ablation of target DNA from the surface of DNA biochips, involving immobilisation of a DNA sample on a substrate, hybridisation of the immobilised DNA sample with the target DNA, ablation of the target DNA from the hybridised biochip through exposure to laser radiation and then determining the structure of the ablation products via polymerase chain reaction (PCR). Ablation is carried out with terahertz laser radiation on free electrons with wavelength 120-135 mcm, intensity 20-40 W/cm2, pulse repetition frequency 5.6 MHz, pulse duration of 50 ns with minimal width ratio of exposure line of 3×10-3. The substrate used is in form of pre-polished and activated plates made from high-resistivity silicon or porous aluminium oxide silufol.
EFFECT: method provides non-destructive DNA soft ablation and enables analysis of target DNA from the specific primary structure and functional biological activity.
3 cl, 5 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к биотехнологии и медицине и может быть использовано для повышения эффективности (результативности, точности, качества) аналитических и диагностических операций с использованием твердых подложек (чипов) с нанесенными на них дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК) (ДНК-биочипов).The invention relates to biotechnology and medicine and can be used to increase the efficiency (effectiveness, accuracy, quality) of analytical and diagnostic operations using solid substrates (chips) with deoxyribonucleic acids (DNA) deposited on them (DNA biochips).

В последние годы лавинообразно возросло количество исследований с использованием биочипов (gene arrays), которые представляют собой небольшого размера стеклянные, полимерные, керамические пластинки или нейлоновые мембраны, несущие на своей поверхности биополимеры, например белки, ДНК, фрагменты ДНК.In recent years, the number of studies using biochips (gene arrays), which are small-sized glass, polymer, ceramic plates or nylon membranes carrying biopolymers on their surface, such as proteins, DNA, DNA fragments, has grown avalanche-like.

Существенным преимуществом биочипов по сравнению с традиционными методами анализа биологического материала является возможность одновременного анализа огромного (до 100 тыс.) количества проб. Появление ДНК-биочипов позволило использовать их для комплексной диагностики генетических, инфекционных и онкогенных заболеваний человека в лечебных учреждениях. Возможность определения уровня экспрессии 42 тыс. генов и белков человека позволяет биотехнологическим компаниям использовать биочипы для разработки и апробации новых лекарственных препаратов для быстрого выявления болезнетворных бактерий и вирусов в организме человека.A significant advantage of biochips in comparison with traditional methods of biological material analysis is the possibility of simultaneous analysis of a huge (up to 100 thousand) number of samples. The appearance of DNA biochips made it possible to use them for the comprehensive diagnosis of human genetic, infectious and oncogenic diseases in medical institutions. The ability to determine the expression level of 42 thousand human genes and proteins allows biotechnological companies to use biochips to develop and test new drugs for the rapid detection of pathogenic bacteria and viruses in the human body.

В последние годы количество данных по применению биочипов в научных и клинических исследованиях экспоненциально возросло в связи с высокой эффективностью их использования в реальной практике. Соответственно этому существенно выросло количество производителей биочипов и методов их производства. Необходимость сравнивать результаты анализа в разных экспериментах, между разными лабораториями и базами данных стала весьма насущной. В связи с этим к настоящему времени многие исследователи активно заинтересовались сравнением разных платформ и анализом результатов применения биочипов различных производителей на идентичных смесях нуклеиновых кислот (Harbig J, Sprinkle R, Enkemann SA. A sequence-based identification of the genes detected by probesets on the Affymetrix U133 plus 2.0 array. Nucleic Acids Res 2005; 33 (3): e31). К 2003 году стало ясно, что результаты идентификации последовательностей ДНК на биочипах различных производителей имеют общую сходимость всего около 4% при анализе идентичных смесей ДНК (E.Marshall SCIENCE 2004, V.306, 22, OCTOBER, рр.630-631). Исследователи и производители биочипов во всем мире предприняли гигантские усилия для решения этой проблемы и уже к 2007 году сходимость результатов существенно повысилась до 23%. Один из аспектов проблемы состоит в том, что для идентификации экспрессии одного и того же гена разные производители биочипов используют пробы с разной последовательностью нуклеотидов. Использование для сравнения только той части проб, которая имеет сходную последовательность, повышает сходимость результатов, однако существенно ограничивает информативность анализа. Только постоянный мониторинг экспрессии и последующее применение методов статистической обработки gene set enrichment analysis (GSEA) и parametric analysis of gene enrichment (PAGE) позволило получить приемлемую повторяемость результатов. Таким образом, вопрос о том, что же за последовательность на самом деле гибридизуется на биочипе, все также является актуальной.In recent years, the amount of data on the use of biochips in scientific and clinical research has increased exponentially due to the high efficiency of their use in real practice. Accordingly, the number of manufacturers of biochips and methods for their production has grown significantly. The need to compare the results of analysis in different experiments between different laboratories and databases has become very urgent. In this regard, to date, many researchers are actively interested in comparing different platforms and analyzing the results of using biochips of different manufacturers on identical nucleic acid mixtures (Harbig J, Sprinkle R, Enkemann SA. A sequence-based identification of the genes detected by probesets on the Affymetrix U133 plus 2.0 array. Nucleic Acids Res 2005; 33 (3): e31). By 2003, it became clear that the results of the identification of DNA sequences on biochips of various manufacturers had a total convergence of only about 4% when analyzing identical DNA mixtures (E. Marshall SCIENCE 2004, V.306, 22, OCTOBER, pp. 630-631). Researchers and manufacturers of biochips around the world have made tremendous efforts to solve this problem, and by 2007 the convergence of results had significantly increased to 23%. One aspect of the problem is that different biochip manufacturers use samples with different nucleotide sequences to identify the expression of the same gene. Using for comparison only that part of the samples that has a similar sequence, increases the convergence of the results, but significantly limits the information content of the analysis. Only constant monitoring of expression and subsequent application of the methods of statistical processing of gene set enrichment analysis (GSEA) and parametric analysis of gene enrichment (PAGE) allowed us to obtain acceptable repeatability of the results. Thus, the question of what kind of sequence actually hybridizes on the biochip is still relevant.

Сегодня и в России формируется рынок биочипов отечественного производства. Впервые в мире в России были разработаны биочипы для быстрой идентификации лекарственно-устойчивых форм туберкулеза. Ведутся работы по созданию биочипов для типирования вируса гриппа, тестирования гельминтозов, идентификации и опознания личности, для исследования специфичности ДНК-белковых взаимодействий.Today, in Russia, the market for biochips of domestic production is being formed. For the first time in the world in Russia biochips have been developed for the rapid identification of drug-resistant forms of tuberculosis. Work is underway to create biochips for typing the influenza virus, testing helminthiases, identifying and identifying individuals, and to study the specificity of DNA-protein interactions.

Однако до сих пор не существует возможности напрямую сравнивать результаты гибридизации целевых ДНК на микроячейках биочипов. Это оставляет открытой проблему идентификации целевых ДНК, гибридизованных на микроячейки биочипов. Поэтому задача диагностики идентичности ДНК-биочипов разного производства, созданных по сходным технологиям, является актуальной.However, there is still no opportunity to directly compare the results of hybridization of target DNA in microcells of biochips. This leaves open the problem of identification of target DNA hybridized into microcells of biochips. Therefore, the task of diagnosing the identity of DNA biochips of different production, created using similar technologies, is relevant.

В настоящее время для абляции (удаления) биополимеров с поверхности чипов, в частности биочипов, используют различные химические, физические и физико-химические методы. В патентной заявке JP 2004212215 A, оп. 29.07.2004 описан способ абляции с поверхности биочипов, таких биополимеров, как нуклеиновые кислоты, пептиды, полисахариды, посредством сфокусированного лазерного импульсного излучения с последующим анализом биополимеров на квадрупольном масс-спектрометре. Аналогичный подход использован в патентной заявке US 20030469160 A1, оп. 21.02.2002 для абляции РНК, ДНК, пептидов и сахаров ультракороткими импульсами лазерного излучения для ионизации и перевода биополимеров в атомарное состояние с последующей масс-спектрометрией. В патентной заявке US 2005185260 A1, оп 24.02.2005, описано использование оптиковолоконного устройства для облучения биочипов пикосекундным и наносекундным импульсным террагерцовым излучением и абляции биополимеров. В патентной заявке US 2003180720 A1, оп. 25.09.2003, для абляции биомолекул, в частности протеинов и нуклеиновых кислот, с поверхности биочипов, используют раман-спектроскопию. В патентной заявке US 2003162216 Al, оп. 28.08.2003 для анализа коньюгированных с поверхности биочипа исследуемых протеинов (клеток, вирусов, бактерий), а также ДНК, гормонов, сахаров, кофакторов, продуктов метаболизма, лекарственных препаратов и токсинов используют специфические для каждого объекта реагенты. В патентной заявке US 2006443639 A1, оп. 30.05.2006 описан способ связывания биополимеров с поверхностью биочипов с помощью террагерцового и гигагерцового излучения с длиной волны от 3 мм до 3 мкм и частотой следования импульсов в диапазоне от 0,1 до 100 ТГц. Детекцию связывания анализируемых биомолекул с биочипом, на поверхности которого иммобилизован специфически связывающий компонент, осуществляют по соотношению уровней интенсивности вибрационных спектров гигагерцового и терагерцового излучения до и после образования биомолекулярных комплексов. Способ позволяет с высокой точностью зафиксировать специфическое связывание анализируемых биомолекул.Currently, for the ablation (removal) of biopolymers from the surface of chips, in particular biochips, various chemical, physical and physicochemical methods are used. In patent application JP 2004212215 A, op. 07/29/2004 describes a method of ablation from the surface of biochips, such biopolymers as nucleic acids, peptides, polysaccharides, by means of focused laser pulsed radiation followed by analysis of biopolymers on a quadrupole mass spectrometer. A similar approach is used in patent application US 20030469160 A1, op. 02/21/2002 for the ablation of RNA, DNA, peptides and sugars by ultrashort pulses of laser radiation for ionization and transfer of biopolymers to the atomic state with subsequent mass spectrometry. In the patent application US 2005185260 A1, op 24.02.2005, describes the use of an optical fiber device for irradiating biochips with picosecond and nanosecond pulsed terrahertz radiation and ablation of biopolymers. In patent application US 2003180720 A1, op. 09/25/2003, for the ablation of biomolecules, in particular proteins and nucleic acids, from the surface of biochips, Raman spectroscopy is used. In patent application US 2003162216 Al, op. 08/28/2003 for the analysis of the studied proteins (cells, viruses, bacteria) conjugated from the biochip surface, as well as DNA, hormones, sugars, cofactors, metabolic products, drugs and toxins, reagents specific to each object are used. In patent application US 2006443639 A1, op. 05/30/2006 a method for binding biopolymers to the surface of biochips using terrahertz and gigahertz radiation with a wavelength of 3 mm to 3 μm and a pulse repetition rate in the range from 0.1 to 100 THz is described. The binding of the analyzed biomolecules to the biochip, on the surface of which a specific binding component is immobilized, is detected by the ratio of the intensity levels of the vibrational spectra of gigahertz and terahertz radiation before and after the formation of biomolecular complexes. The method allows with high accuracy to fix the specific binding of the analyzed biomolecules.

Все описанные способы абляции биологических макромолекул (биополимеров) с поверхности твердых подложек (биочипов), в том числе и лазерные, не позволяют детектировать исследуемые объекты по их специфической первичной структуре, а функциональная биологическая активность (ферментативная, регуляторная, рецепторная и т.д.) биополимеров полностью утрачивается за счет «жесткого» воздействия на функциональные макромолекулы, приводящего к изменению конформации макромолекул, активных центров, вторичной и третичной структуры.All the described methods of ablation of biological macromolecules (biopolymers) from the surface of solid substrates (biochips), including laser ones, do not allow detection of the studied objects by their specific primary structure, and functional biological activity (enzymatic, regulatory, receptor, etc.) biopolymers are completely lost due to the “hard” effect on functional macromolecules, leading to a change in the conformation of macromolecules, active centers, secondary and tertiary structures.

Наиболее близким к заявляемому способу - прототипом является способ абляции биополимеров с твердой подложки с помощью эксимерного лазера (прибор ProteinChip Reader Model PBS II) с последующим определением структуры и специфической активности продуктов абляции (He Z, Zhong H, Hu Y, Xiao S, Xu J. Analysis of differential protein expression in Acidithiobacillus ferrooxidans grown under different energy resources respectively using SELDI-ProteinChip technologies, Anal Biochem. 2005 May 15; 340 (2): 317-29). Однако известный способ не позволяет осуществить неразрушающую «мягкую» абляцию биополимера.Closest to the claimed method, the prototype is a method of ablation of biopolymers from a solid substrate using an excimer laser (ProteinChip Reader Model PBS II) with subsequent determination of the structure and specific activity of ablation products (He Z, Zhong H, Hu Y, Xiao S, Xu J Analysis of differential protein expression in Acidithiobacillus ferrooxidans grown under different energy resources respectively using SELDI-ProteinChip technologies, Anal Biochem. 2005 May 15; 340 (2): 317-29). However, the known method does not allow non-destructive "soft" ablation of the biopolymer.

Недостатком прототипа, а также всех известных лазерных способов абляции биополимеров является то, что они не позволяют достичь «мягкой» абляции с поверхности биочипа биополимеров с сохранением их структуры и специфической биологической функциональной активности, что снижает информативность и качество анализа биологических объектов, у которых специфическая активность (ферментативная, регуляторная, рецепторная) является основным критерием их биоспецифичности.The disadvantage of the prototype, as well as all known laser methods of ablation of biopolymers, is that they do not allow to achieve “soft” ablation from the surface of the biochip of biopolymers while maintaining their structure and specific biological functional activity, which reduces the information content and quality of analysis of biological objects with specific activity (enzymatic, regulatory, receptor) is the main criterion for their biospecificity.

В современной научно-технической литературе не описаны способы «мягкой» абляции биополимеров, в частности ДНК, с поверхности твердых подложек, в том числе биочипов, которые позволяют сохранить специфические виды их биологической активности.The modern scientific and technical literature does not describe methods for “soft” ablation of biopolymers, in particular DNA, from the surface of solid substrates, including biochips, which allow preserving specific types of their biological activity.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа и повышение его информативности.The technical task of the present invention is to expand the functionality of the method and increase its information content.

Поставленная техническая задача достигается посредством неразрушающей («мягкой») абляции целевой ДНК с поверхности ДНК-биочипа с помощью терагерцового излучения лазера на свободных электронах (ЛСЭ) с длиной волны 120-135 мкм.The stated technical problem is achieved by non-destructive ("soft") ablation of the target DNA from the surface of the DNA biochip using terahertz radiation of a free electron laser (FEL) with a wavelength of 120-135 μm.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. На полированную и активированную пластину из высокоомного кристаллического кремния или оксида алюминия иммобилизуют ДНК-пробу, проводят гибридизацию иммобилизованной ДНК-пробы с целевой ДНК (образец), далее осуществляют мягкую абляцию целевой ДНК с гибридизованного биочипа с последующей оценкой результатов мягкой абляции с помощью ПЦР. При этом абляцию ДНК осуществляют терагерцовым излучением лазера на свободных электронах с длиной волны 120-135 мкм, с интенсивностью 20-40 Вт/см2, частотой следования импульсов 5.6 МГц, длительностью импульсов 50 нс при минимальнай относительной ширине линии воздействия 3×10-3.The essence of the proposed method is as follows. A DNA sample is immobilized on a polished and activated plate of high-resistance crystalline silicon or aluminum oxide, the immobilized DNA sample is hybridized with the target DNA (sample), then the target DNA is softly ablated from the hybridized biochip with subsequent evaluation of the results of soft ablation using PCR. In this case, DNA is ablated by terahertz radiation of a free-electron laser with a wavelength of 120-135 μm, with an intensity of 20-40 W / cm 2 , a pulse repetition rate of 5.6 MHz, a pulse duration of 50 ns with a minimum relative exposure line width of 3 × 10 -3 .

Абляция с использованием терагерцового излучения ЛСЭ представляет собой перевод молекул в аэрозольную фазу из твердой или жидкой фазы без изменения молекулярной структуры, при этом сохраняются полная идентичность последовательности нуклеотидов исходной целевой ДНК и аблированного после гибридизации олигонуклеотида.Ablation using terahertz radiation of FEL is the transfer of molecules into the aerosol phase from a solid or liquid phase without changing the molecular structure, while maintaining the complete identity of the nucleotide sequence of the original target DNA and the oligonucleotide ablated after hybridization.

Для проведения "мягкой" лазерной абляции биомакромолекул без их деструкции использовали анализатор для анализа ДНК-биочипов. To conduct “soft” laser ablation of biomacromolecules without their destruction, an analyzer was used to analyze DNA biochips.

На фиг.1 представлена принципиальная схема действия такого анализатора. Под действием излучения водородные связи, стабилизирующие молекулы ДНК-ДНК гибрида, разрушаются и ДНК зонд аблирует и попадает в ток азота. ДНК-зонд, попавший в поток азота, собирается на мембрану-ловушку и затем проводится его анализ методом ПЦР.Figure 1 presents a schematic diagram of the action of such an analyzer. Under the influence of radiation, hydrogen bonds stabilizing the DNA-DNA hybrid molecules are destroyed and the DNA probe ablates and enters a stream of nitrogen. A DNA probe trapped in a nitrogen stream is collected on a trap membrane and then analyzed by PCR.

Для подтверждения эффективности "мягкой" лазерной абляции ДНК электрофоретическими методами были препаративно выделены отдельные фрагменты ДНК фага лямбда, гидролизованного рестриктазой HindIII и проведена мягкая лазерная абляция фрагментов ДНК размером 3000 нуклеотидных пар (нп), 9000 нп и 23000 нп.To confirm the effectiveness of “soft” laser DNA ablation by electrophoretic methods, individual DNA fragments of lambda phage hydrolyzed by HindIII restriction enzyme were preparatively isolated and soft laser ablation of DNA fragments of 3000 nucleotide pairs (np), 9000 np and 23000 np was performed.

На фиг.2 представлены результаты измерений диффузионного размера аэрозольных частиц, полученных при мягкой абляции под действием ТГц-излучения с длиной волны 128 мкм заявляемым способом.Figure 2 presents the measurement results of the diffusion size of aerosol particles obtained by soft ablation under the influence of THz radiation with a wavelength of 128 microns by the claimed method.

Из фиг.2 видно, что диффузионные размеры частиц, получаемых при воздействии ТГц-излучения, достаточно хорошо соответствуют линейным размерам полимерных цепей ДНК, взятых в эксперимент. Полученные данные свидетельствуют о том, что методика неразрушающей мягкой абляции применима к анализу ДНК-гибридов.From figure 2 it is seen that the diffusion size of the particles obtained by exposure to THz radiation, quite well correspond to the linear dimensions of the polymer chains of DNA taken in the experiment. The data obtained indicate that the method of non-destructive soft ablation is applicable to the analysis of DNA hybrids.

Таким образом, впервые показана возможность «мягкой» лазерной абляции молекул ДНК при сохранении их молекулярной структуры.Thus, the possibility of “soft” laser ablation of DNA molecules while maintaining their molecular structure has been shown for the first time.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.The invention is illustrated by the following examples of specific performance.

Пример 1Example 1

А) Активация кремниевой поверхности подложки (чипа)A) Activation of the silicon surface of the substrate (chip)

В качестве подложки для иммобилизации образцов ДНК использовали круглую, диаметром 20 мм и толщиной 1 мм, пластинку из высокоомного (6-8 кОм/см) кремния.A round plate with a diameter of 20 mm and a thickness of 1 mm and a plate of high-resistance (6-8 kOhm / cm) silicon were used as a substrate for immobilizing DNA samples.

После изготовления пластинку полировали, так как полированная кремневая пластинка не дает аэрозольных частиц при абляции и имеет высокий коэффициент пропускания в рабочей области спектра излучения ЛСЭ, следовательно, мало нагревается при облучении и не приводит к тепловой деструкции биополимера.After manufacturing, the wafer was polished, since a polished silicon wafer does not give aerosol particles during ablation and has a high transmittance in the working region of the FEL emission spectrum, therefore, it heats up little during irradiation and does not lead to thermal degradation of the biopolymer.

Для активации кремниевой поверхности чипа (создание эпокси-покрытия) кремниевую пластину вымачивали в растворе 0.1% GPS (glycidoxypropyltrimethoxysilane) в толуоле (Aldrich, 244511-1L) в течение 30 мин при 40°C, промывали трижды в толуоле и затем высушивали при температуре 110°C.To activate the silicon surface of the chip (creating an epoxy coating), the silicon wafer was soaked in a solution of 0.1% GPS (glycidoxypropyltrimethoxysilane) in toluene (Aldrich, 244511-1L) for 30 min at 40 ° C, washed three times in toluene and then dried at 110 ° C.

Б) Иммобилизация ДНК-пробы на подложку (чип)B) Immobilization of DNA samples on a substrate (chip)

Для фиксации ДНК-пробы на поверхности чипа использовали олигонуклеотид заданной длины с ковалентно пришитой молекулой линкера к 5'-концу.To fix the DNA sample on the surface of the chip, an oligonucleotide of a given length with a covalently linked linker molecule to the 5'-end was used.

Структура пробы: линкер (L1)-5'-ATATCAGATCGCAGTGT-3'Sample Structure: Linker (L1) -5'-ATATCAGATCGCAGTGT-3 '

На фиг.3 представлена химическая структура линкера 1 с разветвленной структурой.Figure 3 presents the chemical structure of the branched linker 1.

На активированную поверхность чипа, в центральную часть, был нанесен раствор ДНК-пробы (2 наномоля в 2 мкл 3×SSC). После нанесения пробы на эпокси-поверхность для увеличения эффективности его иммобилизации использовали следующую процедуру: чип в чашке Петри оставляли на ночь в эксикаторе с насыщенным раствором NaCl (для обеспечения 50% влажности) при температуре 42°C, затем промывали в 0,2% SDS 2 мин на шейкере (Eppendorf) и затем трижды промывали бидистиллированной водой, инкубировали в бидистиллированной воде (50°C) 20 минут и высушивали.A solution of the DNA sample (2 nanomoles in 2 μl 3 × SSC) was applied to the activated surface of the chip, in the central part. After applying the sample to the epoxy surface, the following procedure was used to increase its immobilization efficiency: the chip in a Petri dish was left overnight in a desiccator with saturated NaCl solution (to ensure 50% humidity) at 42 ° C, then washed in 0.2% SDS 2 min on a shaker (Eppendorf) and then washed three times with bidistilled water, incubated in bidistilled water (50 ° C) for 20 minutes and dried.

В) Гибридизация образца с пробой, отмывка и сушка чипаC) Hybridization of the sample with a sample, washing and drying the chip

В качестве целевой ДНК (образец 1) был использован фрагмент ДНК длиной 50 нуклеотидов с флуоресцентной меткой по 5'-концу. В качестве флуоресцентного красителя (метки) использовали Fluorescein-6 (FAM6). Структура гибридизуемого образца 1:As a target DNA (sample 1), a DNA fragment of 50 nucleotides in length with a fluorescent label at the 5'-end was used. Fluorescein-6 (FAM6) was used as a fluorescent dye (label). The structure of the hybridizable sample 1:

5'-6FAM-TCCCTCCTGAGTTCCCCTGCACACACAACGGCACACTGCGATCTGATAT-3'5'-6FAM-TCCCTCCTGAGTTCCCCTGCACACACAACGGCACACTGCGATCTGATAT-3 '

Гибридизационный буфер содержал раствор 3×SSC с добавлением 0.5% SDS. Для гибридизации использовали 2 наномоля образца 1. Гибридизацию проводили в течение ночи в гибридизационной камере Corning при 50°C с постепенным понижением температуры до 37°C.The hybridization buffer contained a 3 × SSC solution with the addition of 0.5% SDS. 2 nanomoles of sample 1 were used for hybridization. Hybridization was performed overnight in a Corning hybridization chamber at 50 ° C with a gradual decrease in temperature to 37 ° C.

После гибридизации чипы промывали в водном растворе 1×SSC 2 раза по 30 с при 37°C. Сушку чипов проводили при комнатной температуре.After hybridization, the chips were washed in an aqueous solution of 1 × SSC 2 times for 30 s at 37 ° C. The chips were dried at room temperature.

Г) Проведение мягкой абляции целевой ДНК гибридизованного биочипа. D) Conducting mild ablation of the target DNA of a hybridized biochip.

На поверхность гибридизованного биочипа с молекулой целевой ДНК подавалось терагерцовое излучение, генерируемое на ЛСЭ со следующими параметрами:The terahertz radiation generated by FEL with the following parameters was applied to the surface of a hybridized biochip with a target DNA molecule:

Длина волны, мкмWavelength, microns 120120 Длительность импульса, нсPulse Duration, ns 50fifty Частота следования импульсов, МГцPulse repetition rate, MHz 5.65.6 Инстенсивность, Вт/см2 Intensity, W / cm 2 20twenty Минимальная относительная ширина линииMinimum relative line width 3·10-33 · 10-3

После «мягкой» абляции молекулу целевой ДНК, переведенную в аэрозольную фазу током азота, собирали на нитроцеллюлозный фильтр (Millipore, 0.22 мкм). Собранные на фильтр частицы целевой ДНК элюировали 200 мкл ТЕ буфера (10 мМ Трис-HCl (pH 8), 1 мМ ЭДТА (pH 8)), 15 минут при 65°С, и определяли последовательность собранной ДНК с помощью ПЦР.After “soft” ablation, the target DNA molecule transferred to the aerosol phase by a stream of nitrogen was collected on a nitrocellulose filter (Millipore, 0.22 μm). The target DNA particles collected on the filter were eluted with 200 μl of TE buffer (10 mM Tris-HCl (pH 8), 1 mM EDTA (pH 8)), 15 minutes at 65 ° C, and the sequence of the collected DNA was determined by PCR.

Д) Оценка результатов мягкой абляции с помощью ПЦРE) Evaluation of the results of mild ablation using PCR

Для идентификации структуры и целостности молекулы целевой ДНК, смытой с фильтра после проведения процедуры мягкой абляции, были использованы следующие праймеры:The following primers were used to identify the structure and integrity of the target DNA molecule, washed off the filter after the soft ablation procedure:

For: 5'-TTCCCTCCTGAGTTCCCC-3'For: 5'-TTCCCTCCTGAGTTCCCC-3 '

Rev: 5'-ATATCAGATCGCAGTGTGCC-3'Rev: 5'-ATATCAGATCGCAGTGTGCC-3 '

Были использованы следующие условия ПЦР:The following PCR conditions were used:

32 цикла в режиме: денатурация 0.5 мин при 95°C; отжиг 0.5 мин при 53°C; синтез 0.5 мин при 7°C. Реакционная смесь объемом 15 мкл содержала: 1 мкл образца 1 с концентрацией 5×105 молекул/мкл, по 0,25 мкМ праймеров, 0,2 мМ каждого из дезоксинуклеозидтрифосфатов dNTP, ПЦР-буфер (75 мМ Трис-HCl (pH 9), 1,5 мМ MgCl2, 20 мМ (NH4)2SO4, 0,01% Tween-20) и 0,4 ед. Taq-полимеразы. Установлено, что последовательности нуклеотидов исходной целевой ДНК и аблированного после гибридизации олигонуклеотида идентичны.32 cycles in the mode: denaturation 0.5 min at 95 ° C; annealing for 0.5 min at 53 ° C; synthesis 0.5 min at 7 ° C. The reaction mixture with a volume of 15 μl contained: 1 μl of sample 1 with a concentration of 5 × 10 5 molecules / μl, 0.25 μM primers, 0.2 mm each of dNTP deoxynucleoside triphosphates, PCR buffer (75 mm Tris-HCl (pH 9) , 1.5 mm MgCl 2 , 20 mm (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.01% Tween-20) and 0.4 units. Taq polymerase. It was found that the nucleotide sequences of the original target DNA and the oligonucleotide ablated after hybridization are identical.

Пример 2Example 2

Эксперимент проводили аналогично примеру 1, кроме следующего.The experiment was carried out analogously to example 1, except for the following.

В качестве подложки для нанесения исследуемого биополимера использовали круглую, отполированную и активированную пластинку из пористого оксида алюминия «silufol» диаметром 20 мм и толщиной 1 мм.A round, polished and activated porous alumina silufol plate with a diameter of 20 mm and a thickness of 1 mm was used as a substrate for applying the studied biopolymer.

В качестве целевой ДНК (образец 2) был использован фрагмент ДНК длиной 90 нуклеотидов, без флуоресцентной метки по 5'-концу. Структура гибридизуемого образца 2:As the target DNA (sample 2), a DNA fragment of 90 nucleotides in length was used, without a fluorescent label at the 5'end. The structure of the hybridizable sample 2:

5'TTCCCTCCTGAGTTCCCCTACACACACAACCACACACAACCACACACAACCACACACAACCACACACAACGGCACACTGCGATCTGATAT-3'5'TTCCCTCCTGAGTTCCCCTACACACACAACCACACACAACCACACACAACCACACACACACACACACACAACGGCACACTGCGATCTGATAT-3 '

В качестве ДНК-пробы на поверхности биочипа был закреплен комплементарный образцу 2 олигонуклеотид длиной 17 н.п.As a DNA probe, a complementary to sample 2 oligonucleotide 17 np in length was attached to the surface of the biochip.

Структура пробы: линкер (L2)-5'-ATATCAGATCGCAGTGT-3'Sample Structure: Linker (L2) -5'-ATATCAGATCGCAGTGT-3 '

На фиг.4 представлена химическая структура линкера 2 с линейной структурой.Figure 4 presents the chemical structure of the linker 2 with a linear structure.

Абляцию целевой ДНК с поверхности гибридизованного биочипа проводили с помощью терагерцового излучения, генерируемого на ЛСЭ со следующими параметрами:The ablation of the target DNA from the surface of the hybridized biochip was performed using terahertz radiation generated on FEL with the following parameters:

Длина волны, мкмWavelength, microns 135135 Длительность импульса, нсPulse Duration, ns 50fifty Частота следования импульсов, МГцPulse repetition rate, MHz 5.625.62 Интенсивность, Вт/см2 Intensity, W / cm 2 4040 Минимальная относительная ширина линииMinimum relative line width 3·10-33 · 10-3

После «мягкой» абляции молекулу целевой ДНК, переведенную в аэрозольную фазу током азота, собирали на нитроцеллюлозный фильтр (Millipore, 0.22 мкм). Собранные на фильтр частицы целевой ДНК элюировали 200 мкл ТЕ буфера (10 мМ Трис-HCl (pH 8), 1 мМ ЭДТА (pH 8)), 15 минут при 65°C.After “soft” ablation, the target DNA molecule transferred to the aerosol phase by a stream of nitrogen was collected on a nitrocellulose filter (Millipore, 0.22 μm). The target DNA particles collected on the filter were eluted with 200 μl of TE buffer (10 mM Tris-HCl (pH 8), 1 mM EDTA (pH 8)), 15 minutes at 65 ° C.

Аблированная с поверхности биочипа ДНК была амплифицирована методом ПЦР-реакции. После чего ее последовательность была определена с использованием Big Dye®-технологии (Applied Biosystems). Результаты представлены на фиг.5. Взаимокомплементарные последовательности целевой ДНК (образец 2) и ДНК-пробы отмечены фигурной скобкой.DNA ablated from the surface of the biochip was amplified by PCR. Then its sequence was determined using Big Dye® technology (Applied Biosystems). The results are presented in figure 5. Mutually complementary sequences of the target DNA (sample 2) and DNA samples are marked with a brace.

Из фиг.5 видно, что последовательности нуклеотидов исходной целевой ДНК и аблированного после гибридизации олигонуклеотида идентичны.Figure 5 shows that the nucleotide sequence of the original target DNA and the oligonucleotide ablated after hybridization are identical.

Таким образом, в результате мягкой неразрушающей абляции удалось перевести в аэрозольную фазу, собрать и амплифицировать целевую ДНК (образцы 1 и 2) с поверхности биочипа под действием терагерцового излучения ЛСЭ и установить идентичность структуры аблированного после гибридизации олигонуклеотида структуре целевой ДНК.Thus, as a result of mild non-destructive ablation, it was possible to transfer to the aerosol phase, to collect and amplify the target DNA (samples 1 and 2) from the biochip surface under the influence of terahertz radiation of FEL and to establish the identity of the structure of the target DNA ablated after hybridization.

Использование «мягкой» абляции целевой ДНК с поверхности биочипов при использовании терагерцового излучения, генерируемого на ЛСЭ, позволяет сохранить исходную структуру молекулы ДНК и повысить информативность и качество анализов с использованием биочипов.The use of “soft” ablation of target DNA from the surface of biochips when using terahertz radiation generated by FEL allows you to preserve the original structure of the DNA molecule and increase the information content and quality of analyzes using biochips.

Claims (3)

1. Способ абляции целевой ДНК с поверхности ДНК-биочипов, включающий иммобилизацию тест-пробы на подложку, специфическое связывание иммобилизованной тест-пробы с целевой пробой, абляцию целевой пробы с биочипа путем воздействия лазерного излучения с последующим определением структуры продуктов абляции, отличающийся тем, что воздействие осуществляют терагерцовым излучением лазера на свободных электронах с длиной волны 120-135 мкм, интенсивностью 20-40 Вт/см2.1. The method of ablation of target DNA from the surface of DNA biochips, including the immobilization of a test sample on a substrate, specific binding of an immobilized test sample to a target sample, ablation of a target sample from a biochip by laser irradiation, followed by determination of the structure of ablation products, characterized in that the exposure is carried out by terahertz radiation of a free electron laser with a wavelength of 120-135 μm, an intensity of 20-40 W / cm 2 . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки используют предварительно отполированные и активированные пластины из высокоомного кремния или пористого оксида алюминия «silufol».2. The method according to claim 1, characterized in that the pre-polished and activated wafers of high-resistance silicon or porous alumina silufol are used as a substrate. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для активации пластины вымачивают в растворе 0,1% GPS в толуоле в течение 30 мин при 40°С, промывают трижды в толуоле и высушивают при температуре 110°С. 3. The method according to claim 2, characterized in that for activation, the plates are soaked in a solution of 0.1% GPS in toluene for 30 min at 40 ° C, washed three times in toluene and dried at a temperature of 110 ° C.
RU2009125627/10A 2009-07-06 2009-07-06 Method for ablation of target dna from surface of dna biochips RU2410439C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009125627/10A RU2410439C1 (en) 2009-07-06 2009-07-06 Method for ablation of target dna from surface of dna biochips

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009125627/10A RU2410439C1 (en) 2009-07-06 2009-07-06 Method for ablation of target dna from surface of dna biochips

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2410439C1 true RU2410439C1 (en) 2011-01-27

Family

ID=46308418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009125627/10A RU2410439C1 (en) 2009-07-06 2009-07-06 Method for ablation of target dna from surface of dna biochips

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2410439C1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109856641A (en) * 2019-01-17 2019-06-07 北京农业信息技术研究中心 The terahertz detection method of poultry vivo biodistribution chip
US11156603B2 (en) 2010-04-05 2021-10-26 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11162132B2 (en) 2015-04-10 2021-11-02 Spatial Transcriptomics Ab Spatially distinguished, multiplex nucleic acid analysis of biological specimens
US11208684B2 (en) 2010-04-05 2021-12-28 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11286515B2 (en) 2013-06-25 2022-03-29 Prognosys Biosciences, Inc. Methods and systems for determining spatial patterns of biological targets in a sample
US11352659B2 (en) 2011-04-13 2022-06-07 Spatial Transcriptomics Ab Methods of detecting analytes
US11733238B2 (en) 2010-04-05 2023-08-22 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
USRE50065E1 (en) * 2012-10-17 2024-07-30 10X Genomics Sweden Ab Methods and product for optimising localised or spatial detection of gene expression in a tissue sample

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПЕТРОВ А.К. и др. Мягкая абляция биологических объектов под воздействием субмиллиметрового излучения лазера на свободных электронах. Доклады академии наук, 2005, т.404, №5, с.698-700. ПЕТРОВ А.К., ПЕЛЬТЕК С.Е. Лазер нацелен на ДНК. Наука в Сибири, №12 (2547), март 2006. *

Cited By (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11560587B2 (en) 2010-04-05 2023-01-24 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11401545B2 (en) 2010-04-05 2022-08-02 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US12391979B2 (en) 2010-04-05 2025-08-19 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11208684B2 (en) 2010-04-05 2021-12-28 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US12391980B2 (en) 2010-04-05 2025-08-19 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11293917B2 (en) 2010-04-05 2022-04-05 Prognosys Biosciences, Inc. Systems for analyzing target biological molecules via sample imaging and delivery of probes to substrate wells
US12297488B2 (en) 2010-04-05 2025-05-13 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11313856B2 (en) 2010-04-05 2022-04-26 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US12297487B2 (en) 2010-04-05 2025-05-13 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US12234505B2 (en) 2010-04-05 2025-02-25 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11365442B2 (en) 2010-04-05 2022-06-21 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11371086B2 (en) 2010-04-05 2022-06-28 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11384386B2 (en) 2010-04-05 2022-07-12 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11866770B2 (en) 2010-04-05 2024-01-09 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11549138B2 (en) 2010-04-05 2023-01-10 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11479810B1 (en) 2010-04-05 2022-10-25 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11767550B2 (en) 2010-04-05 2023-09-26 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11519022B2 (en) 2010-04-05 2022-12-06 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11156603B2 (en) 2010-04-05 2021-10-26 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11542543B2 (en) 2010-04-05 2023-01-03 Prognosys Biosciences, Inc. System for analyzing targets of a tissue section
US11732292B2 (en) 2010-04-05 2023-08-22 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays correlating target nucleic acid to tissue section location
US11761030B2 (en) 2010-04-05 2023-09-19 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11733238B2 (en) 2010-04-05 2023-08-22 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11634756B2 (en) 2010-04-05 2023-04-25 Prognosys Biosciences, Inc. Spatially encoded biological assays
US11479809B2 (en) 2011-04-13 2022-10-25 Spatial Transcriptomics Ab Methods of detecting analytes
US11352659B2 (en) 2011-04-13 2022-06-07 Spatial Transcriptomics Ab Methods of detecting analytes
US11795498B2 (en) 2011-04-13 2023-10-24 10X Genomics Sweden Ab Methods of detecting analytes
US11788122B2 (en) 2011-04-13 2023-10-17 10X Genomics Sweden Ab Methods of detecting analytes
USRE50065E1 (en) * 2012-10-17 2024-07-30 10X Genomics Sweden Ab Methods and product for optimising localised or spatial detection of gene expression in a tissue sample
US11821024B2 (en) 2013-06-25 2023-11-21 Prognosys Biosciences, Inc. Methods and systems for determining spatial patterns of biological targets in a sample
US11618918B2 (en) 2013-06-25 2023-04-04 Prognosys Biosciences, Inc. Methods and systems for determining spatial patterns of biological targets in a sample
US11753674B2 (en) 2013-06-25 2023-09-12 Prognosys Biosciences, Inc. Methods and systems for determining spatial patterns of biological targets in a sample
US11359228B2 (en) 2013-06-25 2022-06-14 Prognosys Biosciences, Inc. Methods and systems for determining spatial patterns of biological targets in a sample
US11286515B2 (en) 2013-06-25 2022-03-29 Prognosys Biosciences, Inc. Methods and systems for determining spatial patterns of biological targets in a sample
US11613773B2 (en) 2015-04-10 2023-03-28 Spatial Transcriptomics Ab Spatially distinguished, multiplex nucleic acid analysis of biological specimens
US11390912B2 (en) 2015-04-10 2022-07-19 Spatial Transcriptomics Ab Spatially distinguished, multiplex nucleic acid analysis of biological specimens
US11739372B2 (en) 2015-04-10 2023-08-29 Spatial Transcriptomics Ab Spatially distinguished, multiplex nucleic acid analysis of biological specimens
US11299774B2 (en) 2015-04-10 2022-04-12 Spatial Transcriptomics Ab Spatially distinguished, multiplex nucleic acid analysis of biological specimens
US11162132B2 (en) 2015-04-10 2021-11-02 Spatial Transcriptomics Ab Spatially distinguished, multiplex nucleic acid analysis of biological specimens
CN109856641A (en) * 2019-01-17 2019-06-07 北京农业信息技术研究中心 The terahertz detection method of poultry vivo biodistribution chip

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2410439C1 (en) Method for ablation of target dna from surface of dna biochips
Hwang et al. Ultra-fast and recyclable DNA biosensor for point-of-care detection of SARS-CoV-2 (COVID-19)
US11209383B2 (en) Integrated electrochemical detection and purification of nucleic acid biomarkers
US20100076185A1 (en) Selective Processing of Biological Material on a Microarray Substrate
US10724089B2 (en) Spatial molecular analysis of tissue
CN101506374B (en) Reaction chamber containing capture probes for real-time PCR that allows detection of PCR products by hybridization without opening PCR tubes
US8465926B2 (en) Method and system for real time quantification and monitoring of nucleic acid amplification using electroconductive or electrochemically active labels
US20120058547A1 (en) Method and system for nucleic acid detection using electroconductive or electrochemically active labels
CN105648070A (en) Method for detecting nucleic acid or cells based on enzymatic cycle amplification and nano-particle reinforced SPR (surface plasmon resonance)
CN110218818B (en) A kind of dengue virus gene fragment SERS detection kit and preparation method thereof
WO2003100413A2 (en) Surface acoustic wave sensors and methods for detecting target analytes
JP2008532003A (en) Method and device for separating molecular targets in complex mixtures
JP2008532003A5 (en)
KR20030072883A (en) Quality control method of DNA microarray spots
JP4122854B2 (en) Hybridization method and hybridization apparatus for selective binding substance and substrate for fixing selective binding substance
CA2510721C (en) Method and device for pcr amplification and detection of nucleotide sequences
CN102482717A (en) Carrier For Holding Nucleic Acids
US20030203384A1 (en) Multiplex detection of biological materials in a sample
JP2012501174A (en) DNA measurement using impedance spectroscopy
JP4207528B2 (en) Method for binding selective binding substances
US8975025B2 (en) Method and system for nucleic acid detection using electroconductive or electrochemically active labels
CN111534571B (en) CHA-SERS biosensor for lead ion detection and preparation method and application thereof
US20050009066A1 (en) Methods for localizing target molecules in a flowing fluid sample
WO2004067765A2 (en) Organism fingerprinting using nicking agents
CN101253275A (en) Method for fixing a supercoiled DNA and the use for analysing the dna repair

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200707