DNA jest często określane jako „instrukcja obsługi” organizmu. To właśnie w nim zapisana jest informacja odpowiadająca za budowę i funkcjonowanie komórek, a także wiele cech dziedzicznych. Współczesna biologia i medycyna coraz częściej opierają się na analizie materiału genetycznego. Samo DNA jest niewidoczne gołym okiem, dlatego do jego analizy potrzebne są specjalistyczne metody laboratoryjne. Jedną z najważniejszych jest elektroforeza – technika umożliwiająca rozdzielenie fragmentów DNA według ich wielkości za pomocą pola elektrycznego. Dzięki temu naukowcy mogą „zobaczyć” materiał genetyczny w postaci charakterystycznego wzoru i wykorzystać uzyskane wyniki do dalszych badań.

Elektroforeza to technika laboratoryjna wykorzystująca zjawisko przemieszczania się naładowanych cząsteczek w polu elektrycznym. Ponieważ DNA posiada ładunek ujemny, pod wpływem przyłożonego napięcia przemieszcza się w kierunku elektrody dodatniej. Szybkość tego ruchu zależy przede wszystkim od wielkości fragmentów DNA – mniejsze fragmenty poruszają się szybciej, natomiast większe wolniej. Dzięki temu możliwe jest ich rozdzielenie i analiza. Współcześnie najczęściej stosowane są dwa rodzaje elektroforezy: elektroforeza żelowa oraz elektroforeza kapilarna.

Elektroforeza żelowa – klasyczna metoda analizy DNA

Elektroforeza żelowa jest jedną z podstawowych metod stosowanych w laboratoriach genetycznych. Wykorzystuje się w niej specjalny żel, najczęściej agarozowy, który stanowi środowisko umożliwiające rozdział fragmentów DNA. Próbki materiału genetycznego umieszcza się w niewielkich zagłębieniach znajdujących się na początku żelu, a następnie przykłada się napięcie elektryczne. Żel można porównać do bardzo gęstej sieci lub sita. Kiedy fragmenty DNA przemieszczają się przez jego strukturę, napotykają opór. Krótsze fragmenty łatwiej przeciskają się przez pory żelu i pokonują większą odległość w krótszym czasie. Dłuższe fragmenty poruszają się wolniej i pozostają bliżej miejsca startu.

Po zakończeniu procesu żel poddawany jest obserwacji przy użyciu odpowiednich barwników fluorescencyjnych. W efekcie widoczne stają się charakterystyczne prążki odpowiadające poszczególnym fragmentom DNA.

Metoda ta zdobyła ogromną popularność ze względu na swoją prostotę i stosunkowo niski koszt. Jest powszechnie wykorzystywana podczas zajęć laboratoryjnych na uczelniach oraz w wielu laboratoriach badawczych. Umożliwia szybką ocenę wyników reakcji PCR, czy identyfikację fragmentów o określonej długości.

Pomimo licznych zalet elektroforeza żelowa ma również pewne ograniczenia. Rozdzielczość metody nie zawsze pozwala na odróżnienie fragmentów DNA o bardzo podobnej długości. Ponadto wiele etapów analizy wykonuje się ręcznie, co może zwiększać ryzyko błędów.

Elektroforeza kapilarna – krok w stronę automatyzacji

Wraz z rozwojem biologii molekularnej pojawiła się potrzeba stosowania metod bardziej dokładnych i szybszych. Odpowiedzią na te wymagania stała się elektroforeza kapilarna. Technika ta opiera się na tej samej zasadzie fizycznej co elektroforeza żelowa, jednak zamiast płaskiego żelu wykorzystuje bardzo cienkie rurki zwane kapilarami.

Kapilary mają średnicę zaledwie kilkudziesięciu mikrometrów i są wypełnione specjalnym polimerem pełniącym funkcję podobną do żelu. Po wprowadzeniu próbki DNA i przyłożeniu napięcia fragmenty materiału genetycznego przemieszczają się przez kapilarę z różną prędkością. Na końcu układu znajduje się detektor, który rejestruje przechodzące cząsteczki i automatycznie przetwarza dane na postać wykresu komputerowego.

Największą zaletą elektroforezy kapilarnej jest bardzo wysoka dokładność pomiaru. Dodatkowo cały proces może być niemal całkowicie zautomatyzowany, co ogranicza udział człowieka i zmniejsza ryzyko popełnienia błędu. Analiza jest również szybsza niż w przypadku klasycznej elektroforezy żelowej. Wadą elektroforezy kapilarnej jest natomiast wysoki koszt aparatury i materiałów eksploatacyjnych. Obsługa specjalistycznych urządzeń wymaga również odpowiedniego przeszkolenia personelu. Z tego względu metoda ta nie zawsze jest dostępna w mniejszych laboratoriach.

Porównanie obu metod

Choć obie techniki wykorzystują tę samą zasadę działania, ich możliwości są różne. Elektroforeza żelowa jest rozwiązaniem prostym, tanim i wystarczającym do wielu podstawowych zastosowań laboratoryjnych. Pozwala szybko sprawdzić obecność określonych fragmentów DNA i ocenić jakość materiału genetycznego. 

Elektroforeza kapilarna oferuje natomiast znacznie większą precyzję. Umożliwia automatyczną analizę dużej liczby próbek oraz uzyskanie wyników o wysokiej dokładności. Dzięki temu jest szczególnie cenna tam, gdzie nawet niewielkie różnice między fragmentami DNA mają znaczenie diagnostyczne lub prawne. 

Można powiedzieć, że elektroforeza żelowa pełni obecnie rolę uniwersalnego narzędzia laboratoryjnego, podczas gdy elektroforeza kapilarna stała się standardem w zaawansowanych analizach genetycznych.

Porównanie metod elektroforezy

Podsumowanie

Elektroforeza żelowa i elektroforeza kapilarna są metodami służącymi do rozdzielania fragmentów DNA na podstawie ich wielkości. Pierwsza z nich jest prosta, tania i szeroko dostępna, natomiast druga zapewnia większą dokładność oraz możliwość automatyzacji procesu. Choć różnią się pod względem technologii i kosztów, obie odgrywają istotną rolę w badaniach genetycznych. 

Źródła:

1. Li Y, Miao S, Tan J, Zhang Q, Chen DDY. Capillary Electrophoresis: A Three-Year Literature Review. Anal Chem. 2024 May 21;96(20):7799-7816. doi: 10.1021/acs.analchem.4c00857. Epub 2024 Apr 10. PMID: 38598751.
2. Santdos A (2023) Gel Electrophoresis: An Essential Technique in Molecular Biology. J Anal Bioanal Tech 14: 546. Doi: 10.4172/2155-9872.1000546
3. Hassan M, Hussain D, Kanwal T, Xiao HM, Ghulam Musharraf S. Methods for detection and quantification of gelatin from different sources. Food Chem. 2024 Apr 16;438:137970. doi: 10.1016/j.foodchem.2023.137970. Epub 2023 Nov 17. PMID: 37988934.
4. https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/gene-expression-and-regulation/biotechnology/a/gel-electrophoresis
5. https://www.sigmaaldrich.com/PL/pl/applications/protein-biology/gel-electrophoresis?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=13896093114&utm_content=123561027814&gad_source=1&gad_campaignid=13896093114&gclid=EAIaIQobChMIw9Os9vKflQMVcGSRBR31wDjqEAAYAiAAEgJoVPD_BwE
6. https://www.manuallib.com/file/2525522/

Autor: mgr Sylwia Gniazdowska