background image

 

 

 

Ćwiczenie 1: Biotechnologia żywności  

 

Temat: Izolacja, oczyszczanie oraz detekcja genomowego DNA w żywności.  

 

Cześć A 

 

Izolacja  i  oczyszczanie  kwasów  nukleinowych  jest  pierwszym  etapem  większości  procedur 

stosowanych w biologii molekularnej, jak też we wszystkich technikach inżynierii genetycznej. 

Podstawowym celem tego etapu prac jest uzyskanie czystego materiału, bez względu na źródło 

jego  pochodzenia,  z  przeznaczeniem  na  przeprowadzenie  specyficznych  analiz  metodą 

łańcuchowej  reakcji  polimerazy  (PCR),  w  celu  wykrycia  genetycznych  modyfikacji  (GM). 

Jakość i czystość kwasów nukleinowych jest czynnikiem silnie wpływającym na wynik reakcji 

PCR. Aby ograniczyć obecność inhibitorów reakcji PCR, należy użyć właściwą metodę izolacji 

kwasów nukleinowych.  

Istnieje  wiele  technik  izolacji  i  oczyszczania  kwasów  nukleinowych.  Wybór  najwłaściwszej  i 

najbardziej odpowiedniej metody dla konkretnych wymagań zależy od: 

•   Analizowanego kwasu nukleinowego 

•   Organizmu z jakiego przeprowadzamy izolację kwasu nukleinowego 

•  Rodzaju  materiału  z  jakiego  przeprowadzamy  izolację  (rodzaj  tkanki,  organ,  stopień 

przetworzenia, itd.) 

•  Oczekiwanych rezultatów (plon, czystość, czas przeznaczony  na oczyszczanie) 

•  Docelowego przeznaczenia materiału (PCR, klonowanie, znakowanie, blotowanie, Real Time-

PCR, synteza cDNA) 

Izolacja  kwasów  nukleinowych  z  materiału  biologicznego  wymaga,  przeprowadzenia  lizy 

komórek,  inaktywacji  komórkowych  nukleaz  oraz  oddzielenia  izolowanego  kwasu 

nukleinowego od pozostałości komórkowych. Typowe procedury lizy komórkowej składają się 

z etapów zawierających: 

•    Mechaniczne uszkodzenia (np. ucieranie, liza hipotoniczna) 

•    Traktowanie chemiczne (np. liza detergentem, sole chaotropowe, redukcja tiolowa) 

•    Trawienie enzymatyczne (np. proteinaza K) 

Procedura  wykorzystywana  na  ćwiczeniach  pozwala  na  szybką  izolacje  DNA  ze  świeżej  i 

przetworzonej żywności pochodzenia roślinnego, zwierzęcego i mieszanego. W trakcie izolacji 

DNA  próbka  zostaje  dokładnie  rozdrobniona,  a  następnie  pozostałości  struktur  tkankowych  i 

background image

 

 

komórkowych  są  solubilizowane  poprzez  lizę  w  specjalnym  buforze,  który  zapewnia 

integralność i ilościowy odzysk DNA. Proteinaza K degraduje białka komórkowe, w tym białka 

wiążące DNA i nukleazy. Dodanie specjalnego roztworu umożliwia precypitację organicznych i 

nieorganicznych  substancji,  m.in.:  białek,  pozostałości  komórkowych,  inhibitorów 

enzymatycznych. Następnie DNA zawarte w lizacie jest wiązane do minikolumny w obecności 

buforu  zawierającego  sole  chaotropowe  i  etanolu.  Zanieczyszczenia  związane  do  złoża  są 

skutecznie usuwane w trakcie dwóch etapów płukania. 

 

Oznaczanie ilości DNA metodą spektrofotometryczną 

Ilość  DNA,  RNA,  oligonukleotydów,  a  nawet  mononukleotydów  może  być  mierzona 

bezpośrednio w roztworze wodnym w formie rozcieńczonej lub nierozcieńczonej. Wykonuje się 

to  poprzez  pomiar  absorpcji  w  świetle  ultrafioletowym  Stężenie  kwasów  nukleinowych 

mierzone jest poprzez porównanie pomiaru dla próby ślepej i  adsorpcji przy długości fali 260 

nm. Interferencja wynikająca z zanieczyszczeń próbki może być określana poprzez wyznaczenie 

współczynnika  A260/A280-  Adsorpcja  przy  długości  fali  280  nm  jest  typowa  dla  białek,  tak 

więc stosunek A260/A280 mówi o czystości analizowanej próbki. W przypadku czystego DNA 

stosunek ten powinien wynosić około 1.8, podczas gdy dla czystego RNA wahać się powinien w 

okolicach 2.0. Absorpcja przy długości fali 230 nm odzwierciedla zanieczyszczenia pochodzące 

od  węglowodanów,  białek,  fenoli,  czy  komponentów  aromatycznych.  W  przypadku  czystych 

próbek stosunek A280/A230 powinien wynosić około 2,2. 

 

Część praktyczna 

 

Materiał  badawczy:  kukurydza,  soja,  pomidor,  sos  sojowy,  płatki  kukurydziane,  ketchup, 

pasztet sojowy. 

Protokół 

1. Dodać 40 µl buforu aktywacyjnego do minikolumny (nie wirować). Pozostawić w 

temperaturze pokojowej do momentu naniesienia lizatu na minikolumnę. 

Uwaga  1:  Dodanie  buforu  aktywacyjnego  centralnie  na  powierzchnię  membran  zapewnia 

kompletne  nasączenie  membran  buforem  aktywacyjnym  i  uzyskanie  maksymalnej  wydajności 

wiązania DNA. 

Uwaga 2: Aktywację należy wykonać przed rozpoczęciem procedury izolacji DNA. 

2. Homogenizacja materiału. 

background image

 

 

Rozdrobnić  fragment  materiału  badawczego  ręcznie  przy  użyciu  moździerza.  Następnie 

przenieść  (maksymalnie  300  mg)  próbki  do  probówki  typu  Eppendorf  i  zawiesić  w  750  µl 

buforu do zawieszania próbki

Uwaga  1:  Procedura  homogenizacji  zależy  od  typu  materiału.  W  niektórych  przypadkach 

homogenizacja  nie  jest  potrzebna  i  wystarcza  dokładne  zawieszenie  próbki  w  buforze  do  lizy 

(np. mąka, pasztety, koncentraty, sosy, ketchup). 

Uwaga 2: Zestaw pozwala na oczyszczenie DNA z maksymalnie 300 mg próbki. W przypadku 

suchego,  higroskopijnego  materiału  (np.  mąka,  płatki  kukurydziane,  rośliny  suszone)  należy 

zmniejszyć  wielkość  próbki  poniżej  100  mg,  aby  umożliwić  kompletne  zawieszenie  próbki  w 

buforze do lizy. 

Uwaga  3:  W  przypadku  próbek  płynnych  (sos  sojowy,  mleko  sojowe,  itp.)  umieścić  300  μl 

próbki w probówce 2 ml typu Eppendorf. 

3. Dodać 60 μl buforu litycznego i 10 μl Proteinazy K

4.  Wymieszać  przez  kilkukrotne  odwrócenie  probówki  i  inkubować  30  min  w  65

o

C  (podczas 

inkubacji wymieszać dwukrotnie przez odwracanie). 

5. Wirować przez 5 min z prędkością 14 000 rpm. 

6. Przenieść 400 μl supernatantu do nowej probówki  

Uwaga 1: W pewnych przypadkach materiał silnie chłonie bufor, co powoduje, że niemożliwe 

jest  wybranie  znad  osadu  400  µl  supernatantu.  Należy  wówczas  zmniejszyć  wielkość 

początkową próbki lub przenieść jak najwięcej supernatantu i dopełnić buforem do zawieszania 

próbki do całkowitej objętości 400 μl. 

7. Dodać 400 μl buforu precypitacyjnego. Worteksować przez 5 sekund i inkubować przez 5 

min. w lodzie (0-4

o

C). 

Uwaga  1:  Bufor  umożliwia  precypitację  organicznych  i  nieorganicznych  substancji,  m.in.: 

białek, pozostałości komórkowych, inhibitorów enzymatycznych. 

8. Wirować przez 1 min z prędkością 14000 rpm. 

9. Przenieść 600 μl supernatantu do nowej probówki typu Eppendorf 2 ml  

10. Dodać 600 μl buforu do solubilizacji

11. Dodać 600 μl 96% etanolu i dokładnie wymieszać przez kilkukrotne odwrócenie probówki. 

12. Zwirować przez kilka sekund z prędkością 12000 rpm. 

13. Przenieść 600 μl supernatantu do minikolumny, znajdującej się w probówce odbierającej. 

14. Wirować przez 30 sekund z prędkością 12 000 rpm. 

15.  Wyjąć  minikolumnę,  wylać  przesącz  i  umieścić  minikolumnę  z  powrotem  w  probówce 

odbierającej. 

16. Powtórzyć kroki 13-15 procedury izolacji DNA. 

background image

 

 

17.  Przenieść  pozostałość  supernatantu  do  minikolumny,  znajdującej  się  w  probówce 

odbierającej. 

Wirować przez 1 min z prędkością 12 000 rpm celem przefiltrowania pozostałości lizatu przez 

złoże. 

Uwaga  1:  W  przypadku  niecałkowitego  przefiltrowania  lizatu  przez  złoże  wirowanie  należy 

kontynuować. 

18.  Wyjąć  minikolumnę,  wylać  przesącz  i  umieścić  minikolumnę  z  powrotem  w  probówce 

odbierającej. 

19. Dodać 500 μl buforu płuczącego do minikolumny i wirować przez 1 min z prędkością 12 

000 rpm. 

20.  Wyjąć  minikolumnę,  wylać  przesącz  i  umieścić  minikolumnę  z  powrotem  w  probówce 

odbierającej. 

21. Dodać 500 μl buforu płuczącego do minikolumny i wirować przez 2 min z prędkością 12 

000 rpm. 

22.  Minikolumnę  umieścić  w  nowej  probówce  typu  Eppendorf  1.5-2  ml.  Dodać  50-100  μl 

buforu elucyjnego (10 mM Tris-HCl, pH 8.5) ogrzanego do temperatury 70

o

C. 

Uwaga  1:  Dodanie  buforu  eluującego  centralnie  na  powierzchnię  membrany  zapewnia 

uzyskanie  maksymalnej  wydajności  odzysku  DNA.  Należy  unikać  dotykania  ścianek 

minikolumn mikropipetą, aby nie przenosić śladów DNA pomiędzy kolejnymi minikolumnami. 

23. Minikolumnę pozostawić na 5 min w temperaturze pokojowej. 

24.  Wirować  minikolumnę  przez  30  sekund  z  prędkością  12  000  rpm.  Usunąć  minikolumnę, 

zamknąć  probówkę.  DNA  jest  gotowe  do  dalszych  analiz/manipulacji,  może  być 

przechowywane w 2÷8

o

C lub zamrożone w -20

o

C. 

Po  izolacji  zmierzyć  stężenie  uzyskanego  izolatu  DNA  na  aparacie  NanoDrop

® 

(postępowanie  przy  pomiarze  podobne  jak  w  pkt  B,  wybieramy  program  do  analizy  kwasów 

nukleinowych),  określić  jego  czystość  oraz  ilość  otrzymanego  preparatu.  Część  próbki 

wykorzystać  do  rozdziału  elektroforetycznego  DNA  w  celu  oceny  homogenności 

uzyskanego preparatu kwasu nukleinowego. 

 

Rozdział elektroforetyczny DNA 

 

Bufor TAE 1 x stężony (roztwór roboczy) 

Bufor o składzie: 40 mM Tris (pH 7,6), 20 mM kwas octowego, 1 mM EDTA  

 

Żel agarozowy 

background image

 

 

Żel agarozowy sporządzano w stężeniu 1% dla rozdziału próbek po izolacji DNA. Odważyć 1,0 

g agarozy do kolby stożkowej o pojemności 250 ml, zalać 100 ml buforu TAE 1x stężonego i 

gotować  w  łaźni  wodnej  przez  około  10  min  do  całkowitego  rozpuszczenia  agarozy.  Po 

ochłodzeniu wprowadzić 45 μl bromku etydyny.  

Elektroforezę przeprowadzić w aparacie do elektroforezy poziomej (Cleaver Scientific Ltd.). Po 

zmontowaniu  foremki,  wylać  na  nią  wystudzony  żel  tak,  aby  uniknąć  powstania  pęcherzy 

powietrza.  Zamontować  grzebień  i  pozostawić  do  zastygnięcia.  Następnie  grzebień  usunąć, 

foremkę  z  żelem  umieścić  w  aparacie  do  elektroforezy  i  zalać  buforem  TAE  1  x  stężonym. 

Poziom  buforu  powinien  sięgać  nieco  powyżej  powierzchni  żelu,  około  1  cm.  Do  studzienek 

wprowadzić za pomocą pipety próbki wraz z buforem obciążającym w ilości 3 μl buforu i 7 μl 

próbki  DNA.  Na  aparat  nałożyć  pokrywę  i  podłączyć  elektrody.  Rozdział  prowadzić  przy 

napięciu  100  V,  przez  45  min.  Równolegle,  w  celu  określenia  wielkości  fragmentów  DNA, 

rozdzielić marker mas molekularnych firmy FERMENTAS  i/lub  INVITROGEN.  Po rozdziale 

prążki  są  obserwowane  przy  użyciu  transiluminatora.  Żel  może  być  sfotografowany  w  celu 

uzyskania wyniku eksperymentu w formie obrazu (system do dokumentacji żeli Cleaver Sct.). 

 

 

B.  Oznaczanie  zawartości  kwasów  nukleinowych  oraz  białka  rozpuszczonego  metodą 

pomiaru absorbancji w nadfiolecie. 

 

Zasada:  Większość  białek  dzięki  obecności  tyrozyny  i  tryptofanu  wykazuje  maksimum 

absorbancji przy 280 nm. Związkami wielkocząsteczkowymi, które mogą wpływać na wartość 

absorbancji przy 280 nm są kwasy nukleinowe, których maksimum pochłaniania występuje przy 

 = 260 nm. Stężenie białka w mg/ml oblicza się ze wzoru: 

 

białka

 = 1,55 

 A

280 nm

1 cm

 

 0,76 

 A

260 nm

1 cm 

 

Metoda  obarczona  jest  znacznym  błędem  wynikającym  z  tego,  że  zarówno  różne  białka,  jak  

i  kwasy  nukleinowe,  w  jednakowych  stężeniach  nie  dają  identycznych  wartości  absorbancji 

maksymalnej.  Poza  tym  wiele  związków  małocząsteczkowych  (puryny,  pirymidyny,  fenole) 

wykazuje dużą absorbancję przy 260 i 280 nm. Niemniej jednak metoda spektrofotometryczna  

z  uwagi  na  możliwość  szybkiego  oznaczenia  białka  w  małej  ilości  materiału  w  obecności 

dużych  stężeń  soli  -(NH

4

)

2

SO

4

,  NaCl  -jest  szeroko  stosowana.  Metoda  nie  nadaje  się  do 

oznaczeń białka w mieszaninie zawierającej więcej niż 20% kwasów nukleinowych. 

background image

 

 

 

Postępowanie 

Pomiary absorbancji w nadfiolecie zostaną wykonane przy użyciu spektrofotometru NanoDrop 

1000, który nie wymaga stosowania kuwet i wykorzystuje bardzo niewielkie objętości próbki: 1 

–  2  μl.  Na  postument  nałożyć  2  μl  wody  destylowanej  i  włączyć  program  ‘Protein  A280’.  W 

menu  programu  wybrać  typ  próbki  (‘sample  type’):  BSA  oraz  wcisnąć  przycisk  ‘Blank’  aby 

wyzerować przyrząd. Następnie zetrzeć bibułą wodę i umieścić 2 μl badanej próbki, wpisać jej 

nazwę w polu ‘Sample ID’ i wcisnąć przycisk ‘Measure’ aby dokonać odczytu absorbancji. 

 

Pomiar absorbancji próbki powtórzyć w programie ‘UV-Vis’ ustawiając dł. fali na 260 oraz 280 

nm.  Wiedząc,  że  ścieżka  optyczna  w  aparacie  NanoDrop  ma  długość  1  mm,  obliczyć  stężenie 

białka w próbce. 

 

Opracowanie wyników 

 

Porównać  wydajności  izolacji  DNA  w  badanych  próbkach,  skonfrontować  je  z  oznaczeniami 

białka na poszczególnych etapach oczyszczania kwasów nukleinowych. Przedyskutować wpływ 

stopnia przetworzenia materiału na ilościowy uzysk DNA z próbki żywności. 

 

Literatura:  

 

1.  Instrukcja do GeneMATRIX Food-Extract DNA Purification Kit (Blirt Gdańsk). 

2.  Nowak Z., Gruszyńska J., Wybrane Techniki i Metody Analizy DNA, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 

2007. 

3.  Polak J., Metody analizy żywności  modyfikowanej genetycznie. Metody pomiarowe i  kontroli jakości  w 

przemyśle  spożywczym  i  biotechnologii,  Wydawnictwo  Akademii  Rolniczej  w  Poznaniu,  Poznań  2003, 

413-431. 

4.  NanoDrop

®

 Technologies, Inc., V3.5 User’s Manual, 2007. 

5.  http://www.irmm.jrc.be.html.