Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Химия. Кристаллография. Минералогия \ Аналитическая химия

Воздействие полей разной природы на выход ДНК при выделении из модельных растворов на двуокиси кремния. Влияние ультразвука

Воздействие полей разной природы на выход ДНК при выделении из модельных растворов на двуокиси кремния. Влияние ультразвука

Автор: Петров Дмитрий Григорьевич, Макарова Е.Д., Антифеев И.Е., Бродская А.В., Константинова Н.Н., Малышин С.Н.

Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie

Рубрика: Системный анализ приборов и измерительных методик

Статья в выпуске: 4 т.27, 2017 года.

Бесплатный доступ

Изучено влияние 2.65 МГц фокусированного ультразвукового поля на выход ДНК M. tuberculosis при использовании модельных растворов и коммерческих наборов для сорбции на силикатных микроколонках и на магнитных частицах в диапазоне интенсивности ультразвука 1.2÷3.0 Вт/см2. Показано, что в обоих случаях (сорбция и в колонках, и на магнитных частицах) величина выхода сначала увеличивается пропорционально интенсивности ультразвукового поля, а после достижения максимума изменяется обратно пропорционально интенсивности. Максимальное значение выхода и при сорбции на микроколонках, и при сорбции на магнитных частицах составляет 82 % при интенсивности 2.0 Вт/см2. Таким образом, выделение ДНК в 2 раза эффективнее, чем в отсутствие ультразвука, и на 10 % выше, чем при оптимальной температуре 70 ºС. Визуальные наблюдения и фото-, видео-съемка позволили оценить структуру акустического поля и акустического течения при озвучивании суспензии магнитных частиц и ее изменение во времени при различных интенсивностях поля. Проведено краткое обсуждение влияния на сорбцию ДНК на микроколонке некоторых физических эффектов, возникающих при пропускании жидкости через пористые среды в ультразвуковом поле. На основе литературных данных и электрофореза оценена возможность фрагментации и деструкции молекул ДНК в изученных условиях. Разрушение плазмиды происходило при значениях интенсивности около 3.0 Вт/см2 и только при озвучивании в течение времени более 1 мин. Сделан вывод, что выбор одной из двух исследованных сорбционных систем определяется скорее удобством использования и наличия у пользователя, чем рабочими характеристиками.

Еще

Нуклеиновые кислоты, влияние ультразвука, выделение днк, очистка днк, концентрирование днк, диоксид кремния, двуокись кремния

Короткий адрес: https://sciup.org/142214832

IDR: 142214832   |   УДК: 543.054,   |   DOI: 10.18358/np-27-4-i4055

Influence of different kind external fields on DNA yield at isolation on silica from model solutions. Effect of ultrasound

The effect of 2.65 MHz focused ultrasound on M. tuberculosis DNA yield with the use of commercial silica microcolumns and magnetic particles from the model solutions was studied over an ultrasound intensity range from 1.2 to 3.0 W/cm2. The study revealed that in both cases DNA yields are linearly proportional to the ultrasound intensity but upon reaching maximum values, the yields are inversely related to the intensity. In either case the DNA yield peaks 82 % at intensity of 2.0 W/cm2. Hence isolation of DNA outperforms by a factor of 2 as compared with the absence of ultrasound; it is 10 % greater than the DNA yield at optimal temperature 70 oC. Visual observation and photo-, video-recording offer a clear view of acoustic field structure as well acoustic streaming patterns with time, at ultrasound processing of magnetic particles as the intensity increases. Consideration is being briefly given to some physic effects on DNA microcolumn adsorption in the course of the liquid passage through porous media during ultrasound processing. Using the literature data and electrophoresis the possibility of DNA fragmentation/destruction is assessed under the test conditions. It was not until about 3.0 W/cm2 that plasmid destruction has been going with the time period in excess of 1 minute. It is concluded that choosing between the adsorption systems involved is basically determined by convenience in operation and availability rather than the system performance.

Еще

Список литературы Воздействие полей разной природы на выход ДНК при выделении из модельных растворов на двуокиси кремния. Влияние ультразвука

  • Rudi K., Kroken M., Dahlberg O.J. et al. Rapid, universal method to isolate PCR-ready DNA using magnetic beads//Bio Techniques. 1997. Vol. 22, no. 3. P. 506-511.
  • Malic L., Herrmann M., Hoa X.D., Tabrizian M. Current state of intellectual property in microfluidic nucleic acid analysis//Recent Patents on Engineering. 2007. Vol. 1. P. 71-88.
  • Moroney V., Martinez H., Callahan H. et al. Magnetic bead based soil DNA isolation using the epMotion® and ClearMag™ technology//Eppendorf. Application Note. No. 278. May 2013 (4 pages).
  • Pai A., Khachaturian A., Chapman S. et al. A handheld magnetic sensing platform for antigen and nucleic acid detection//Analyst. 2014. Vol. 139. P. 1403-1411.
  • Gröschl M. Ultrasonic separation of suspended particles. Part I. Fundamentals//Acustica. 1998. Vol. 84, no. 3. P. 432-447.
  • Coakley W.T., Hawkes J.J., Sobanski M.A. et al. Analytical scale ultrasonic standing wave manipulation cells and microparticles//Ultrasonics. 2000. Vol. 38. P. 638-641.
  • Kuznetsova L.A., Coakley W.T. Applications of ultrasound streaming and radiation force in biosensors//Biosensors and Bioelectronics. 2007. Vol. 22, no. 8. P. 1567-1577.
  • Schram C.J. Process for controlling a reaction by ultrasonic standing wave. Патент США N 4879011, 07.11.1989.
  • Yasuda K., Kiyama M., Umemura S-I., Takeda K. Deoxyribonucleic acid concentration using acoustic radiation force//JASA. 1996. Vol. 99, no. 2. P. 1248-1251.
  • Wiklund M., Green R., Ohlin M. Acoustofluidics 14: Applications of acoustic streaming in microfluidic devices//Lab Chip. 2012. Vol. 12, no. 14. P. 2438-2451.
  • Kuznetsova L.A., Mullen W.H., Rudell C.J., Birch P. Extraction and purification of biological cells using ultrasound. Патент EP N 2209545, 28.07.2010.
  • James A., Laugharn Jr. Method and apparatus for material separation using acoustic energy. Патент США 2010/0197894, 5 Aug. 2010.
  • Durin G., Chabaud S., Delattre C., Jary D. Device and method for isolating biological or chemical targets. Патент US N 8703434B2, 22.04.2014.
  • Dzhenloda R.Kh., Petrov D.G., Shkinev V.M., Spivakov B.Ya. DNA recovery from environmental samples on suspension columns under a combined action of ultrasound and magnetic fields followed by polymerasechain reaction detection//Mendeleev Commun. 2017. Vol. 27. P. 302-303.
  • Birch P., Joseph D., Bond P., Stanley C.J. Ultrasound & magnetic method. Патент WO N 2011027146, 10.03.2011.
  • Патент WO N 2010102301, 10.09.2010.
  • Glynne-Jones P., Hill M. Acoustofluidics 23: Acoustic manipulation combined with other force fields//Lab. Chip. 2013. Vol. 13, no. 6. P. 1003-1010.
  • Michele R., Stone M.R. Method for releasing genetic material from solid phase. Патент US N 2008124777, 29.05.2008.
  • Preiss-Bloom O., Tomer G. Modification of enzymatic crosslinkers for controlling properties of crosslinked matrices. Патент US N 2011077388A1, 31.03.2011.
  • Joseph D.T., Perry M.P. Method for improved DNA release from binding substrates and/or decreasing PCR inhibition in pathogen detection. Патент WO N 2012125710A1, 20.09.2012.
  • Петров Д.Г., Макарова Е.Д., Корнева Н.А., Альдекеева А.С., Князьков Н.Н. Воздействие полей разной природы на выход ДНК при выделении из модельных растворов на двуокиси кремния. 1. Влияние температуры//Научное приборостроение. 2015. Т. 25, № 2. С. 91-101. URL: http://213.170.69.26/mag/2015/abst2.php#abst9.
  • Архангельский М.Е. Воздействие акустических колебаний на процесс диффузии//Успехи физических наук. 1967. Т. 92, № 2. С. 181-206.
  • Martin C.J., Law A.N.R. The use of thermistor probes to measure energy distribution in ultrasound fields//Ultrasonics. 1980. Vol. 18, no. 3. P. 127-133.
  • Пашовкин Т.Н., Шильников Г.В. Регистрация и анализ распределений интенсивностей в ультразвуковых пучках с использованием красителей//Научное приборостроение. 2000. Т. 10, № 3. С. 17-26. URL: http://213.170.69.26/mag/2000/abst3.php#abst2.
  • Boyle R.W. Ultrasonics//Science Progress. 1928. Vol. 23. P. 75-105.
  • Алексеев Я.И., Белов Ю.В., Варламов Д.А. и др. Приборы для диагностики биологических объектов на основе метода полимеразной цепной реакции в реальном времени (ПЦР-РВ)//Научное приборостроение. 2006. Т. 16, № 3. С. 132-136. URL: http://213.170.69.26/mag/2006/abst3.php#abst15.
  • Harvey E.N., Loomis A.L. High frequency sound waves of small intensity and their biological effects//Nature. 1928. Vol. 121. P. 622-624.
  • Haydock D., Yeomans J.M. Acoustic enhancement of diffusion in porous material//Ultrasonics. 2003. Vol. 41, no. 7. P. 531-538.
  • Poesio P., Ooms G., Barake S. An investigation of the influence of acoustic waves on the liquid flow through a porous material//J. Acoust. Soc. Am. 2002. Vol. 111, no. 5. P. 2019-2025.
  • Poesio P., Ooms G. Influence of high-frequency acoustic waves on the flow of a liquid through porous material: experimental and theoretical investigation//IUTAM Proc. on Physicochemical and Electromechanical Interactions in Porous Media/Huyghe J.M. et al. (eds.). Vol.125. Springer, 2005. P. 61-66.
  • Breitbach M., Bathen D. Influence of ultrasound on adsorption processes//Ultrason. Sonochem. 2001. Vol. 8, no 3. P. 277-283.
  • Fedchenia I.I. Acoustic Acceleration of Fluid Mixing in Porous Materials. Патент US N 2013/0201781, 08.08.2013.
  • Jacobson G. Use of acoustic waves in semiconductor manufacturing equipment optimization. Патент US 2013/0036969, 14.02.2013.
  • Breadmore M.C., Wolfe K.A., Arcibal I.G. et al. Microchip-based purification of DNA from biological samples//Anal. Chem. 2003. Vol. 75. P. 1880-1886.
  • Tozak K.Ö., Erzengin M., Sargin İ., Ünlü N. Sorption of DNA by Diatomite-Zn (II) embedded supermacroporous monolithic P (HEMA) cryogels//EXCLI Journal. 2013. Vol. 12. P. 670-678.
  • Ager K., Latulippe D.R., Zydney A.L. Plasmid DNA transmission through charged ultrafiltration membranes//J Membrane Science. 2009. Vol. 344, no. 1-2. P. 123-128.
  • Shui L., Sparreboom W., Bomer J.G. et al. Low pressure microfluidic-based DNA fragmentation//15th Int. Conf. on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences. 2-6 Oct. 2011, Seattle, Washington, USA. P. 1191-1193.
  • Levy M.S., Collins I.J., Yim S.S. et al. Effect of shear on plasmid DNA in solution//Bioprocess Engineering. 1999. Vol. 20, no. 1. P. 7-13 DOI: 10.1007/s004490050552
  • Joneja A., Huang X. A device for automated hydrodynamic shearing of genomic DNA//Biotechniques. 2009. Vol. 46, no. 7. P. 553-556.
  • Li L., Jin M., Sun C., Wang X. et al. High efficiency hydrodynamic DNA fragmentation in a bubbling system//Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 40745 (9 pages) DOI: 10.1038/srep40745
  • Okabe Y., Lee A.P. LCAT DNA shearing//Journal of Laboratory Automation. 2014. Vol. 19, no. 2. P. 163-170.
  • Patel M.V., Tovar A.R., Lee A.P. Lateral cavity acoustic transducer as an on-chip cell/particle microfluidic switch//Lab Chip. 2012. Vol. 12, no. 1. P. 139-145.
  • Obara H., Kudo N., Shimizu K. Vizualization of therapeutic ultrasound fields in small chamber using image subtraction schlieren technique//Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics. 13-15 November 2012. Vol. 33, no. 2P5-10. P. 249-250.
  • Kudo N. Effect of water surface conditions on standing wave fields generated inside a small chamber//J Therapeutic Ultrasound. 2014. Vol. 2 (Suppl. 1). Paper A23.
  • Wood R.W., Loomis A.L. The physical and biological effects of high-frequency sound waves of great intensity//Phil. Mag. (Series 7). 1927. No. 4. P. 417-436.
  • Mitome H. Study of the generation mechanism of an acoustic jet through visualization experiments//Japan. J. Appl. Phys. 1991. Vol. 30. Suppl.30-1. P. 60-62.
  • Spengler J.F., Coakley W.T., Christensen K.T. Microstreaming effects on particle concentration in an ultrasonic standing wave//AIChE J. 2003. Vol. 49. P. 2773-2782.
  • Kuznetsova L.A., Coakley W.T. Microparticle concentration in short path length ultrasonic resonators: Role of radiation pressure and acoustic streaming//J. Acoust. Soc. Am. 2004. Vol. 116, no. 4. P. 1956-1966.
  • Ультразвуковая технология/Под ред. проф. Б.А. Аграната. М.: Металлургия, 1974. 504 c.
  • Kentish S., Ashokkumar M. The enhancement of mass transport processes using ultrasound//19th Int. Congress on Acoustics. Madrid, 2-7 Sept. 2007. (5 pages).
  • Spengler J., Jekel M. Ultrasound conditioning of suspensions -studies of streaming influence on particle aggregation on a lab-and pilot-plant scale//Ultrasonics. 2000. Vol. 38, no. 1-8. P. 624-628.
  • Mitome H., Kozuka T., Tuziuti T. Measurement of the establishment process of acoustic streaming using laser Doppler velocimetry//Ultrasonics. 1996. Vol. 34, no. 2. P. 527-530.
  • Working with Microspheres. TechNote 201, Bangs Laboratories, Inc., 10 April 2008. 20 pages.
  • Hawley S.A., Macleod R.M., Dunn F. Degradation of DNA by intense, noncavitating ultrasound//J. Acoust. Soc. Am. 1963. Vol. 35, no. 8. P. 1285-1287.
  • Гроховский С.Л. Специфичность расщепления ДНК ультразвуком//Молекулярная биология. 2006. Т. 40, № 2. С. 317-325.
  • Eshoo M.W., Picuri J., Hang A.T., Smith H.L, Meijering B., Bruyninckx M., Dobbelaer I. Ultrasonics for microfluidic sample preparation. Патент WO N 2016/065299, 28.04.2016.
  • Bashkirov V.I., Ulmanella U., Eason R.G., Taft B. Methods and apparatuses for nucleic acid shearing by sonication. Патент US N 9127306, 8.09.2015.
  • Liu Q., Li J., Liu H. et al. Rapid cost-effective DNA quantification via a visually-detectable aggregation of superparamagnetic silica-magnetic nanoparticles//Nano Research. 2014. Vol. 7, no. 5. P. 755-784 DOI: 10.1007/s12274-014-0436-9
  • Wu M.L., Freitas S.S., Monteiro G.A. et al. Stabilization of naked and condensed plasmid DNA against degradation induced by ultrasounds and high-shear vortices//Biotechnol. Appl. Biochem. 2009. Vol. 53, no. 4. P. 237-246 DOI: 10.1042/BA20080215
  • Wasan E.K., Reimer D.L., Bally M.B. Plasmid DNA is protected against ultrasonic cavitation-induced damage when complexed to cationic liposomes//J Pharm. Sci. 1996. Vol. 85, no. 4. P. 427-433.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp