метод изотермической амплификации что это

#28 Петлевая изотермическая амплификация ДНК и РНК (LAMP и RT-LAMP): решения New England Biolabs

Долгое время основным методом амплификации нуклеиновых кислот оставалась полимеразная цепная реакция (ПЦР). Однако современные подходы к молекулярной диагностике (например, point-of-care) требуют более простых, быстрых и дешевых способов получения результатов, чем ПЦР.

Из этого обзора вы узнаете:

Принцип методов LAMP и RT-LAMP

Оригинальный протокол метода LAMP (Loop-Mediated Isothermal Amplification) был предложен японскими учеными 20 лет 1 назад. Он заключался в использовании для амплификации ДНК четырех олигонуклеотидных праймеров и большого фрагмента Bst ДНК-полимеразы, обладающего сильной вытесняющей активностью.

Четыре праймера должны быть специфичны к 6 участкам целевого фрагмента:
F3 – прямой наружный праймер, комплементарный участку F3c, B3 – обратный наружный праймер, комплементарный участку B3c, FIP – прямой внутренний праймер состоит из двух частей: F1c (5’) и F2 (3’), комплементарных участкам F1 и F2c, соответственно, BIP – обратный внутренний праймер состоит из двух частей: B1c (5’) и B2 (3’), комплементарных участкам B1 и B2c, соответственно.

Процесс амплификации методом LAMP можно разделить на три основных этапа: 1) образование базовой гантелеобразной структуры, 2) этап циклической амплификации, 3) этап элонгации и повторения циклов.

В результате такой реакции образуется множество конкатемеров инвертированных повторов целевого фрагмента, формирующих в пространстве структуры, похожие на цветную капусту (cauliflower-like structures). И если длина участка-мишени обычно составляет 80-250 н.п., то длина конкатемеров может достигать 20 т.п.н. и больше.

Чуть позже авторы метода предложили его усовершенствованную модификацию, предполагающую использование уже 6 праймеров, специфичных к 8 участкам целевого фрагмента. Еще два петлевых праймера LoopF и LoopB должны быть комплементарны последовательностям между участками F1 и F2, а также B1 и B2 фрагмента-мишени. Они вступают в игру на третьем этапе реакции, отжигаясь на одноцепочечных участках образовавшихся ранее петель ДНК и становясь дополнительными центрами инициации полимеризации.

Также разработчики LAMP показали, что в качестве матрицы можно использовать и РНК, если добавить в реакционную смесь обратную транскриптазу. Такой вариант метода называется RT-LAMP (reverse transcriptioncoupled LAMP). Позднее компания New England Biolabs разработала версию 3.0 Bst ДНК-полимеразы, обладающую ревертазной активностью и исключающую необходимость использования в реакции еще одного фермента (см. ниже).

Пожалуй, самой сложной частью дизайна LAMP-эксперимента является подбор праймеров. И даже встречаются рекомендации тестировать не один комплект из 4-6 олигонуклеотидов. К счастью, уже разработаны специальные программы для автоматического подбора праймеров для LAMP/RT-LAMP.

Одна из самых популярных программ подобного рода PrimerExplorer доступна онлайн по адресу http://primerexplorer.jp/e/. На этом же ресурсе можно скачать руководство с требованиями к LAMP-праймерам.

Разработка тест-систем на основе LAMP предполагает не только дизайн праймеров, но и определение их оптимальных концентраций. Кроме того, необходимо подобрать концентрацию ионов магния, температуру реакции, подходящий буфер.

Иногда эффективность и специфичность реакции могут повысить дополнительные компоненты, например, L-пролин или Tte UvrD ДНК-геликаза. А для борьбы с контаминацией вследствие переноса можно использовать систему дУТФ/УДГ (см. ниже).

Способы детекции продуктов LAMP/RT-LAMP

Конечно, можно воспользоваться классическим методом агарозного гель-электрофореза. Поскольку в ходе LAMP образуются ДНК-конкатемеры кратной длины, то при их разделении в геле формируется лестница бэндов. Дорожки с отрицательными результатами или отрицательными контролями остаются пустыми (Рис. 3, СЛЕВА). Однако этот способ относительно трудоемок и времязатратен.

Гораздо проще по завершении LAMP окрасить реакционную смесь интеркалирующим красителем (SYBR Green, бромистый этидий, пропидиум йодид, PicoGreen и др.) и посмотреть на нее в УФ свете (Рис. 3, ПО ЦЕНТРУ). Более того, следить за изменением флуоресценции окрашенной реакционной смеси можно прямо в ходе процесса с помощью реал-тайм амплификатора или специального реал-тайм флуориметра для LAMP (Рис. 3, СПРАВА).

Некоторые исследователи используют для реал-тайм LAMP/RT-LAMP не красители, а различные варианты FIP или BIP флуоресцентных зондов. В частности, для мультиплексной реал-тайм LAMP/RT-LAMP были предложены FIP/BIP DARQ-зонды 3 (Рис. 4).

Также о результатах LAMP/RT-LAMP можно судить по косвенным признакам. Например, в ходе полимеризации ДНК активно образуется побочный продукт реакции – пирофосфат. При его взаимодействии с ионами магния в реакционной смеси образуется нерастворимая соль, замутняющая раствор. Если реакция идет достаточно долго, то это помутнение можно увидеть даже невооруженным глазом. Но для быстрой детекции продуктов по мутности рекомендуется использовать реал-тайм турбидиметр (Рис. 5).

Другими побочными продуктами, которые накапливаются в большом количестве, являются протоны. И если используемый буфер обладает не очень большой емкостью, pH раствора может заметно сдвинуться в кислую сторону.

Этот эффект лег в основу колориметрического метода детекции продуктов LAMP с помощью pH-чувствительных красителей (например, фенолового, крезолового или нейтрального красного). Будучи добавленными в реакционную смесь, они меняют свой цвет в ходе реакции (см. ниже).

О других методах детекции продуктов LAMP вы можете узнать из статьи Becherer et al. 4

Преимущества LAMP/RT-LAMP перед ПЦР для молекулярной диагностики

В таблице ниже мы сравнили методы LAMP и ПЦР по основным характеристикам, имеющим значение для современной молекулярной диагностики.

*При использовании Bst 3.0 ДНК-полимеразы от NEB

Для эффективной LAMP-амплификации достаточно меньше 10 копий целевого участка в исходной реакционной смеси. И иногда из-за меньшей чувствительности к примесям и ингибиторам в качестве образца можно использовать даже грубые лизаты и биологические жидкости.

Продукция New England Biolabs для LAMP/RT-LAMP

В качестве продуктов для LAMP/RT-LAMP New England Biolabs предлагает различные версии Bst ДНК-полимеразы с буферами, готовые наборы, а также вспомогательные компоненты для увеличения специфичности и борьбы с контаминацией.

Bst ДНК-полимераза, большой фрагмент (арт. M0275 L/S/M)

Bst 2.0 ДНК-полимераза (арт. M0537 L/S/M)

Эта разработанная in silico, усовершенствованная версия Bst ДНК-полимеразы характеризуется повышенной скоростью амплификации и увеличенным выходом реакции. Также фермент отличается большей термостабильностью и толерантностью к концентрации соли, что обеспечивает гибкость условий реакции.

Bst 2.0 WarmStart® ДНК-полимераза (арт. M0538 L/S/M)

Представляет собой вариант Bst 2.0 ДНК-полимеразы, который при температуре ниже 45°C нековалентно связан с аптамером, ингибирующем его активность. Это позволяет готовить реакционную смесь при комнатной температуре, не опасаясь преждевременного начала полимеризации.

Bst 3.0 ДНК-полимераза (арт. M0374 L/S/M)

Представляет собой еще более усовершенствованную версию Bst ДНК-полимеразы. Помимо всех преимуществ Bst 2.0 ДНК-полимеразы фермент обладает сильной ревертазной активностью вплоть до температуры 72°C. Это позволяет ставить реакцию RT-LAMP без добавления обратной транскриптазы.

Таблица сравнения различных версий Bst ДНК-полимеразы New England Biolabs

Фермент Скорость амплификации Подготовка реакционной смеси при комнатной температуре Ревертазная активность Толерантность к ингибиторам
Bst ДНК-полимераза, большой фрагмент нет
Bst 2.0 ДНК-полимераза ★★ нет ★★
Bst 2.0 WarmStart® ДНК-полимераза ★★ ★★★ ★★ ★★
Bst 3.0 ДНК-полимераза ★★★ ★★ ★★★ ★★★

Набор для петлевой изотермической WarmStart® амплификации ДНК и РНК (арт. E1700 L/S)

Набор включает в себя готовую реакционную смесь для LAMP и RT-LAMP. Всё, что вам нужно будет в нее добавить, – матрицу, смесь праймеров и воду. Набор совместим с различными методами детекции. В комплект поставки входит флуоресцентый краситель для измерения флуоресценции продуктов в режиме реального времени.

Готовая смесь для колориметрической петлевой изотермической WarmStart® амплификации ДНК и РНК (арт. M1800 L/S)

Готовая смесь содержит Bst 2.0 WarmStart® ДНК-полимеразу, WarmStart® RTx обратную транскриптазу, буфер с низкой емкостью, дНТФ и pH-чувствительный краситель. Детекция продуктов осуществляется колоримерическим методом: смеси, в которых накапливается продукт, в ходе реакции меняют свой цвет с красного на желтый.

WarmStart® RTx обратная транскриптаза (арт. M0380 L/S)

Эта ревертаза была специально разработана для RT-LAMP, хотя ее можно использовать и для обычного синтеза кДНК. Одно из достоинств фермента – отсутствие активности при комнатной температуре.

Tte UvrD ДНК-геликаза (арт. M1202 S)

Эта термостабильная геликаза из бактерий Thermoanaerobacter tengcongensi способна расплетать широкий спектр дцДНК-субстраторв. При добавлении в реакционную LAMP/RT-LAMP-смесь она может существенно повышать специфичность амплификации.

Антарктическая термолабильная урацил-ДНК-гликозилаза (арт. M0372 L/S)

Поскольку LAMP/RT-LAMP – это очень чувствительный метод, то вероятность контаминации смеси продуктами предыдущих реакций для него еще больше, чем для ПЦР. И это нужно учитывать при организации рабочего пространства и дизайне эксперимента.

Помимо стандартных мер предосторожности, одним из способов борьбы с контаминацией вследствие переноса является добавление в реакционную смесь дУТФ и предварительная обработка реакционных смесей антарктической термолабильной урацил-ДНК-гликозилазой.

Она высвободит урацил из продуктов предыдущих LAMP, если те попали в новую реакционную смесь. Во время основной реакции этот термолабильный фермент уже будет неактивен, а фрагменты ДНК с абазическими сайтами претерпят гидролитическое расщепление.

Также для LAMP/RT-LAMP вам могут понадобиться

Артикул Наименование
N0459 S Раствор дУТФ (100 мМ, 25 мкмоль)
N0446 S Набор растворов дезоксинуклеотидов (дАТФ, дЦТФ, дГТФ и дТТФ) (100 мМ, по 25 мкмоль)
N0447 L/S Смесь дезоксинуклеотидов (дАТФ, дЦТФ, дГТФ и дТТФ) (10 мМ, 40 мкмоль)
Смесь дезоксинуклеотидов (дАТФ, дЦТФ, дГТФ и дТТФ) (10 мМ, 8 мкмоль)
B1500 L/S Вода без нуклеаз (4 x 25 мл)
Вода без нуклеаз (25 мл)

Примеры использования продукции New England Biolabs для LAMP/RT-LAMP

Продукт NEB Цель использования Источник
Bst ДНК-полимераза, большой фрагмент Детекция Xanthomonas arboricola pv. pruni у груш 5
Детекция генов β-лактамазы GES-типа у Pseudomonas aeruginosa 6
Point-of-care диагностика язвы Бурули 7
Детекция сальмонеллы в образцах пищи 8
Детекция коронавируса ECoV у лошадей 9
Bst 2.0 ДНК-полимераза Детекция коронавируса MERS-CoV у людей 10
Point-of-care диагностика вируса Зика 11
Диагностика Mycobacterium tuberculosis в образцах мокроты 12
Bst 2.0 WarmStart® ДНК-полимераза Детекция Schistosoma mansoni в образцах мочи человека 13
Детекция бактерий Dehalobacter в грунтовых водах 14
Детекция лейшманий в клинических образцах (кровь, слюна, биоптаты) 15
Скрининг клещей и блох на инфицированность риккетсиями, вызывающими пятнистую лихорадку 16
Bst 3.0 ДНК-полимераза Детекция вируса Зика у комаров 17
Диагностика африканского трипаносомоза 18
Набор для петлевой изотермической WarmStart® амплификации ДНК и РНК Детекция четырех видов эболавирусов 19
Детекция микобактерий, ассоциированных с инфекционными заболеваниями легких 20
Готовая смесь для колориметрической петлевой изотермической WarmStart® амплификации ДНК и РНК Детекция коронавируса SARS-CoV-2 (COVID-19) 21
Детекция вирусов гриппа человека 22
WarmStart® RTx обратная транскриптаза Детекция вируса Чикунгунья 23
Диагностика малярии с использованием образцов цельной крови и сухих пятен крови 24

Список литературы

Акции

Источник

Техника

Определение в пробирке амплификации ДНК LAMP возможно с использованием нагруженного марганцем кальцеина, который начинает флуоресцировать при комплексообразовании марганца с пирофосфатом во время синтеза ДНК in vitro.

Другой метод визуального обнаружения LAMP-ампликонов невооруженным глазом был основан на их способности гибридизоваться с комплементарной ss-ДНК, связанной с золотом, и, таким образом, предотвращать нормальное изменение цвета с красного на пурпурно-синий, которое в противном случае могло бы произойти во время индуцированной соли агрегации золотые частицы. Таким образом, метод LAMP в сочетании с обнаружением ампликона с помощью AuNP может иметь преимущества по сравнению с другими методами с точки зрения сокращения времени анализа, подтверждения ампликона гибридизацией и использования более простого оборудования (например, отсутствие необходимости в термоциклере, оборудовании для электрофореза или УФ-трансиллюминаторе. ).

Использование и преимущества

LAMP также используется для идентификации жидкостей организма. Благодаря своей простоте исследователи могут протестировать один или несколько образцов, не прикладывая усилий, что помогает сократить время, необходимое для получения результатов. Исследователи также смогли добавить факторы, чтобы сделать идентификацию еще более простой, включая краситель-индикатор металла и феноловый красный, чтобы иметь возможность использовать смартфон и невооруженный глаз соответственно для анализа результатов.

Ограничения

LAMP менее универсален, чем ПЦР, наиболее хорошо зарекомендовавший себя метод амплификации нуклеиновых кислот. LAMP полезен в первую очередь как метод диагностики или обнаружения, но не подходит для клонирования или многих других приложений молекулярной биологии, поддерживаемых ПЦР. Поскольку LAMP использует 4 (или 6) праймеров, нацеленных на 6 (или 8) областей в пределах довольно небольшого сегмента генома, и поскольку дизайн праймеров подвержен многочисленным ограничениям, сложно разработать наборы праймеров для LAMP «на глаз». Бесплатные пакеты программного обеспечения с открытым исходным кодом или коммерческие пакеты обычно используются для помощи в разработке праймера LAMP, хотя ограничения дизайна праймера означают, что свобода выбора целевого сайта меньше, чем при использовании ПЦР.

В диагностическом приложении это должно быть сбалансировано с необходимостью выбора подходящей мишени (например, консервативного сайта в очень вариабельном вирусном геноме или мишени, специфичной для определенного штамма патогена). Для охвата различных вариантных штаммов одного и того же вида может потребоваться несколько вырожденных последовательностей. Следствием наличия такого набора праймеров может быть неспецифическая амплификация на поздней стадии амплификации.

Подходы к мультиплексированию для LAMP менее развиты, чем для ПЦР. Большее количество праймеров на мишень в LAMP увеличивает вероятность взаимодействий праймер-праймер для мультиплексированных наборов мишеней. Продукт LAMP представляет собой серию конкатемеров целевой области, приводящую к появлению характерной «лестницы» или полосатого рисунка на геле, а не одной полосы, как в случае ПЦР. Хотя это не проблема при обнаружении одиночных мишеней с помощью LAMP, «традиционные» (конечные) приложения мультиплексной ПЦР, в которых идентичность цели подтверждается размером полосы на геле, невозможны с LAMP. Мультиплексирование в LAMP было достигнуто путем выбора целевой области с сайтом рестрикции и переваривания перед запуском в гель, так что каждый продукт дает определенный размер фрагмента, хотя этот подход усложняет экспериментальный план и протокол.

Зеленый краситель SYBR может быть добавлен для просмотра LAMP в режиме реального времени. Однако в поздней амплификации амплификация димера праймера может способствовать ложноположительному сигналу. Использование неорганической пирофосфатазы в реакционной смеси SYBR позволяет использовать анализ расплава для определения правильной амплификации.

Хотя были предложены различные стратегии смягчения ложноположительных результатов в анализах, основанных на этом методе, неспецифическая амплификация из-за различных факторов, включая отсутствие механизмов стробирования температуры, является одним из основных ограничений петлевой изотермической амплификации.

Источник

Изотермическая ПЦР — обзор метода диагностики инфекций растений

Текст: Ю. Ф. Дрыгин, д-р хим. наук, доц., зав. лабораторией, НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова; ФГУ «ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН»

Технологии массовой диагностики инфекций высших организмов развиваются стремительно. Методики и оборудование, ранее доступные только специалистам в прогрессивных научных лабораториях, сегодня уже имеются в распоряжении сельхозпроизводителей, у которых появилась возможность проведения анализа на молекулярном уровне в полевых условиях.

Известно, что сельскохозяйственные культуры повсеместно заражаются микроорганизмами: вироидами, вирусами, бактериями и грибами. Поскольку заболевания растений на практике не лечатся, главными средствами борьбы с ними являются создание устойчивых к тем или иным инфекциям сортов, своевременная профилактика и точная диагностика с целью выбраковки больного материала, причем последняя считается наиболее экономически выгодной. Сегодня эффективной технологией установления наличия заболеваний считается метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), из которого на основе сугубо лабораторных методов образовалась рутинная методика изотермической ПЦР.

НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

Специфика диагностики инфекций широкого круга фитопатогенов, значительно различающихся по морфологии, структуре и физико-химическим свойствам, как в посадочном материале, так и непосредственно в поле определяет методы, которые применимы для массового анализа, то есть для десятков или сотен образцов одновременно. Данные способы должны сочетать в себе избирательность установления целевого патогена, чувствительность детекции, достаточную для его выявления в полевом материале, производительность, удовлетворяющую экономический аспект производства, скорость, необходимую в экстренных случаях при массовых инфекциях, а также ценовую и эксплуатационную доступность.

Как известно, даже самые простые патогены растений представляют собой молекулу рибонуклеиновой кислоты. Более сложные структуры, например вирусы и бактерии, обязательно содержат определенные мишени — специфические белок или нуклеиновую кислоту (НК). Молекулярная диагностика (МД) инфекций является частным случаем выявления целевых нуклеотидной последовательности и/или антигена патогенов. Она базируется на двух принципах молекулярного узнавания: нуклеиново-нуклеинового по правилам комплементарного спаривания гетероциклических оснований НК, а также белок-белкового — по формуле «белковый антиген — антитело» с использованием методов иммуноферментного анализа (ИФА) или иммунохроматографических тест-систем. Сегодня чувствительность такой диагностики достигла предела — в анализируемой пробе достоверно может быть обнаружена даже одна молекула НК патогена. Таким образом, исследование на молекулярном уровне ставит окончательный диагноз зараженности растений тем или иным микроорганизмом. При этом природа хозяина и патогена не имеет значения, поскольку методы детекции одинаковы — меняется только способ подготовки образца к изучению. Для проведения анализа нужны микроколичества материала — до нанограммов.

ВЫБОР МЕТОДА

Диагностический анализ на молекулярном уровне как НК, так и белкового антигена патогенов состоит из нескольких стадий. Первый этап подразумевает сбор материала и его хранение. Если не удается провести исследование свежесобранной пробы, то она замораживается и содержится при –20ºС или –70ºС, поскольку в зависимости от стадии роста и срока хранения при комнатной температуре в растениях накапливаются различные вещества, в частности продукты автолиза, полифенолы и другие, осложняющие проведение исследования. Вторая стадия предполагает выбор метода анализа. Диагностика значительно упрощается, если известна протяженная последовательность нуклеотидов НК патогена или его специфический антиген, а также доступны антитела к нему. В противном случае необходимо получение очищенных препаратов микроорганизма, выделение его НК и определение последовательности нуклеотидов протяженного участка или отбор и очистка специфического антигена.

Следует отметить, что наибольший вред злаковым зерновым культурам приносят инфекции, вызванные грибами, причем они представляют угрозу как для живого растения, так и для находящегося на хранении сырья. Некоторые из этих микроорганизмов выделяют токсины, опасные для здоровья млекопитающих. В данном случае метод обнаружения грибной инфекции упрощается: определение ядовитого вещества иммунометодами значительно легче, чем выявление самого патогена.

ПОЛУЧИТЬ РЕЗУЛЬТАТ

Следующая стадия представляет собой подготовку образца к анализу. Клеточные экстракты содержат множество веществ, которые мешают постановке диагноза, поэтому необходим препарат предварительно очищенного патогена. Для этого требуются лабораторное оборудование и квалифицированный персонал, причем получение целевого материала занимает часы и иногда дни. Множество компаний предлагает свои наборы для подготовки проб с целью проведения анализа, однако разнообразие объектов исследования так велико, что универсального способа до сих пор не существует. Для диагностики инфекций растений удобным материалом является свежая листовая ткань, так как получение препарата из коры, семян или полежавших клубней значительно сложнее. Явная инфекция в подготовленном образце может быть идентифицирована в течение 15–30 минут. При начальной стадии заражения, когда требуется определить малое число молекул патогенного организма, время анализа может составлять несколько часов. В сложных случаях требуется некоторое количество положительных и отрицательных контролей и дополнительное подтверждение достоверности диагностики независимым способом.

Заключительная стадия — обработка результатов. Поскольку МД претендует на постановку окончательного диагноза, важно проведение повторного исследования с последующей обработкой полученных сведений с помощью математической статистики или подтверждение итогов первого анализа независимым методом.

ВЫСОКАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Наиболее быстро адаптируемой к сельскохозяйственной практической диагностике технологией определения НК патогенов является полимеразная цепная реакция. Она содержит более десяти методов амплификации, то есть размножения, в десятки и сотни миллионов раз фрагмента нуклеиновой кислоты микроорганизма. Как известно, ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух нитей полинуклеотидов. Они являются полярными, и у них различаются 5’- и 3’-концы, при этом синтез идет в направлении 5’g3’ навстречу друг другу. В классической ПЦР размножается фрагмент ДНК патогена длиной от ста до нескольких сот нуклеотидов, последовательность которых известна. В анализе к образцу, содержащему целевую ДНК, добавляются в молярном избытке по отношению к этой макромолекуле специфические праймеры — олигонуклеотиды, затравки синтеза, каждый из которых комплементарен определенным участкам одной из нитей ДНК патогена. Поскольку данные нити являются полярными и разнонаправленными, а копирование их происходит в противоположном направлении, выбранные праймеры определяют размер размножаемого между ними фрагмента ДНК. Комплементарное их спаривание с матричной ДНК определяет специфичность продукта ПЦР. Синтез дочерних макромолекул из 5’-дезоксинуклеозидтрифосфатов катализируется термоустойчивым ферментом — ДНК-полимеразой. Один цикл размножения состоит из нескольких стадий. Прежде всего, осуществляется плавление ДНК микроорганизма, а затем и дочерних ДНК, при температуре 90–95ºС, причем в этом случае комплементарные нити расходятся. После этого происходит отжиг при температуре, оптимальной для связывания праймеров, — 40–70ºС, а также синтез дочерней ДНК при 70ºС. В результате каждого цикла образуется копия фрагмента ДНК патогена, фланкированная праймерами.

ВАЖНЫЕ АСПЕКТЫ

В приборе для ПЦР циклы размножения повторяются 20–30 раз, в результате чего получается почти 220–230 образцов фрагмента макромолекулы в количествах, позволяющих использовать полную копию во многих приложениях лабораторной и практической диагностики. Данный продукт в варианте классической полимеразной цепной реакции определяется с помощью электрофореза в агарозном геле в присутствии флуоресцирующего красителя ДНК — бромистого этидия. В технологии ПЦР существует два аспекта, которые требуют особого внимания. Прежде всего, для проведения реакции необходимо предварительное получение препарата целевой нуклеиновой кислоты, очищенного от примесей, ингибирующих ДНК-полимеразы и обратные транскриптазы. Кроме того, классическая методика часто дает ложноположительные сигналы незараженного образца, поэтому для достоверности анализа необходима идентификация продукта ПЦР. Чаще ее проводят путем специфического комплементарного связывания материала с ДНК-зондом, меченным хромогенной или флуоресцентной меткой. Наиболее надежное доказательство так называемого родства продукта ПЦР с ДНК патогена дает метод определения последовательности нуклеотидов в целевой размноженной ДНК.

Известно, что большая часть вирусов высших организмов содержит РНК. В этом случае можно использовать технологию ОТ-ПЦР (RT-PCR) — полимеразную цепную реакцию, которой предшествует обратная транскрипция РНК патогена в комплементарную ДНК (кДНК). Данный процесс катализирует фермент под названием обратная транскриптаза. Сейчас реакции ОТ и ПЦР совмещают в одной пробирке. Продукты анализа определяются электрофорезом в геле агарозы или полиакриламида в присутствии флуоресцирующего красителя.

В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Широкое распространение получил метод ПЦР, в котором можно следить за динамикой накопления целевой кДНК в растворе в реальном времени. В продукты реакции включаются праймеры, которые помечены флуоресцентной меткой, либо ДНК-препараты окрашиваются красителем SYBR Green. Более высокая точность этого анализа в сравнении с классической ПЦР получается за счет использования флуоресцентных красителей с высоким квантовым выходом и чувствительного детектора флуоресценции в растворе. В рамках данного метода исследование продуктов синтеза электрофорезом в геле не требуется. Специ­фичность продуктов реакции определяется сравнением динамик трех результатов размножения: целевой ДНК и продукта кПЦР с праймером, гибридизующимся с внутренней частью фрагмента ДНК, с заданным количеством ДНК контрольного образца с его специфической парой праймеров. Сравнение кинетики реакции проводится в так называемой пороговой точке экспоненциального синтеза препаратов кПЦР, выбираемой в каждом анализе. Степень накопления продуктов амплификации связана с исходным количеством исследуемой ДНК, что дает возможность точно оценить ее количество. По этой причине данный метод называют количественной ПЦР (кПЦР, qPCR). Последующее изучение кривых плавлений продукта кПЦР позволяет оценить его гомогенность. Если он не оказывается таковым, необходимо оптимизировать условия ПЦР.

ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИЙ

Одновременная ПЦР множества образцов (PCR arrays) — вариант анализа в реальном времени, который проводится в 96, а иногда вплоть до 1536 луночных планшетах. Для количественного определения в положительный контроль добавляется известное количество ДНК и специфичные праймеры. Одновременно можно анализировать как множество образцов с одним фрагментом целевой ДНК, так и ряд частей разных макромолекул или генов, причем в последнем случае важен подбор оптимальных пар праймеров и условий проведения исследования. Продукты реакции определяются количественно по флуоресценции их с красителем SYBR green.

Изотермические ПЦР не требуют повторяющихся температурных циклов «плавление — отжиг — синтез цепи» и проходят при постоянной температуре, равной 37ºС или 60ºС. В этой реакции используются ДНК-полимеразы с высокой вытесняющей активностью, или дополнительно к ним добавляется фермент — ДНК-хеликаза, расплетающая двойную спираль макромолекулы. В связи с этим в изотермических ПЦР отпадает необходимость стадии термической денатурации ДНК. Такие ДНК-полимеразы, стартуя с праймера, связавшегося с матричной нитью, ведут синтез новой комплементарной нити, вытесняя старую. Различают несколько методов изотермической ПЦР: способ, в рамках которого подобранные праймеры образуют шпильки или петли, и технологию с вытеснением нити ДНК.

СОЗДАНИЕ ПЕТЕЛЬ

Ключевым ферментом петле-опосредованной изотермической ПЦР является термостабильная ДНК-полимераза Bst бациллы Bacillus stearothermophilus. Ее производное Bst 3.0, то есть улучшенный генетической инженерией вариант, обладает не только высокой эффективностью синтеза ДНК при 60ºС, но и хеликазной активностью, расплетающей двойные цепи ДНК — РНК и ДНК — ДНК и вытесняющей родительскую цепь дочерней. Более того, полимераза Bst 3.0 отличается действенностью обратной транскриптазы, что позволяет проводить две реакции ОТ и ПРР в одной пробирке. Этот фермент мало чувствителен к примесям, ингибирующим ДНК-полимеразы, и работает эффективно с грубо очищенными препаратами НК.

В петле-опосредованной ПЦР для образования петель на однонитевой ДНК используются две и более пар прямых и обратных праймеров, причем каждая из них специфически спаривается с несколькими комплементарными участками одной нити ДНК. В результате репликации продукт каждого цикла будет содержать петлю за счет внутримолекулярного взаимодействия в нити ДНК. Внутренние праймеры используются для изотермической ПЦР, а внешние подбираются таким образом, чтобы, спарившись с соседними участками с обоих концов этой же цепи макромолекулы, образовать петли. В этом случае их 3’-концы становятся затравками для комплементарной полимеризации навстречу друг другу дочерних ДНК. Полимераза эффективно вытесняет родительскую цепь, заменяя ее побочным фрагментом, при этом у дочерних цепочек также будут аналогичные петли.

ЭКОНОМИЯ И ДОСТОВЕРНОСТЬ

Изотермическая ПЦР обладает несколькими преимуществами в сравнении с классической полимерно-цепной реакцией. Прежде всего, отсутствует необходимость в амплификаторе, поскольку петле-опосредованная реакция проводится при постоянной температуре. Кроме того, при таком исследовании более высокую специ­фичность продукта реакции определяют несколько пар праймеров, при этом за счет внутримолекулярного праймирования возрастает специфичность и скорость синтеза дочерних ДНК на порядок. За 15–30 минут вырабатывается такое количество продукта, что за его образованием можно следить визуально как с помощью специального красителя, так и по появлению осадка пирофосфата магния — побочного явления полимеризации дезоксинуклеозидтрифосфатов. Для изотермических ПЦР доступны ДНК-полимеразы, более устойчивые к клеточным загрязнениям в препаратах макромолекулы.

Наиболее эффективным вариантом изотермической ПЦР при 37ºС, в котором используется ДНК-полимераза с высокой хеликазной активностью или хеликаза добавляется дополнительно, является тот, в котором реакции вытеснения родительской и синтезированных цепей ДНК совмещены с реакцией эндонуклеазы, вносящей одноцепочечные разрывы в ДНК с образованием 3’-концов – затравок для синтеза ДНК. Множество точек праймирования этого процесса приводит к быстрому экспоненциальному образованию фрагментов дочерних ДНК различной длины, комплементарных родительской цепочке. В результате время, необходимое для постановки диагноза о наличии инфекции этим вариантом ПЦР, может составлять 5–10 мин. Сегодня данное исследование как наиболее простой метод используется в практической молекулярной диагностике и может эффективно применяться в сельском хозяйстве.

Необходимость массового внедрения и использования доступных систем диагностики инфекций растений на молекулярном уровне в нашей стране сегодня вполне очевидна. Подобные технологии помогут не только повысить урожайность культур, возделываемых сельхозпроизводителями, но и сформировать отечественный рынок качественного и безвирусного семенного материала.

Источник

Читайте также:  бунинские луга аренда квартир
Обучающий онлайн портал