Новые технологии электрофореза

Nov 10, 2023

Анджело ДеПальма — писатель-фрилансер, живущий в Ньютоне, штат Нью-Джерси. Вы можете связаться с ним по адресу [email protected].

Идея «лаборатории на чипе», зародившаяся в конце 1980-х годов, была направлена ​​на создание эквивалента целой аналитической лаборатории на пластинах кремния, стекла и пластика размером со спичечный коробок. Большинство этих устройств были основаны на капиллярном электрофорезе, аналитическом режиме, который остается доминирующим в микрофлюидных аналитических устройствах.

Мечта о создании чего-то похожего на целую лабораторию на подложке размером со спичечный коробок так и не была реализована, но появились коммерческие приборы, которые выполняют простой электрофорез на чипах. В основном они обслуживают науки о жизни, включая медицинскую диагностику. Отчет об исследовании рынка оценивает устойчивый годовой темп роста в семь процентов для таких систем.

PerkinElmer предлагает две платформы микрофлюидного электрофореза — анализатор нуклеиновых кислот LabChip® GX Touch™ для ДНК и РНК и систему определения характеристик белков LabChip® GXII Touch™ для белков и гликанов. Обе системы предоставляют высокопроизводительные платформы для разделения биомолекул, определения их размера и количественного анализа на основе электрофореза. Компания PerkinElmer разработала специальные методы микропроизводства, позволяющие встраивать каналы малого размера в тонкие стеклянные и кварцевые микрочипы. Микрочипы взаимодействуют с прибором через пластиковые контейнеры, что упрощает загрузку образцов и взаимодействие с прибором.

«Основными преимуществами анализа биомолекул на основе микрофлюидики по сравнению с анализом биомолекул на основе геля являются производительность, разрешение, простота использования, чувствительность и универсальность», — говорит доктор философии Джеймс Этвуд, генеральный менеджер по автоматизации и микрофлюидике в PerkinElmer. «Традиционный гель-электрофорез требует много времени, труда, подвержен вариативности и требует большого количества ценных образцов».

Для микрофлюидных анализов LabChip требуется всего 150 нанолитров образца на одно разделение, и они совместимы с образцами нуклеиновых кислот и белков в диапазонах низких концентраций пг/мкл и нг/мл соответственно. Пропускная способность LabChip, составляющая до 384 образцов за цикл, намного превышает пропускную способность систем на основе геля и биомолекул, таких как N-связанные гликаны, которые не поддаются разделению на основе геля электрофореза, но могут быть разделены и обнаружены в микрофлюидных системах. Еще одним важным преимуществом разделения биомолекул с помощью микрофлюидной системы является разделение и количественный анализ нативных белков, основанный только на заряде, для обнаружения вариантов заряда. Электрофорез на основе геля не может определить варианты заряда белка.

В типичных рабочих процессах масс-спектрометрии на основе гель-электрофореза соединения сначала разделяются в геле, затем вырезаются полосы, соответствующие интересующим биомолекулам. В протеомных рабочих процессах белки подвергаются ферментативному расщеплению, а пептидные фрагменты экстрагируются из геля перед проведением ЖХ-МС/МС. Хотя этот подход имеет ряд преимуществ, в том числе возможность ортогонального разделения, он чрезвычайно утомителен.

Было разработано несколько систем на основе микрофлюидности, которые обеспечивают прямое соединение микрофлюидного чипа с системой ВЭЖХ и масс-спектрометром. В этих микрохроматографических системах микрофлюидные каналы заполнены неподвижной фазой, специфичной для желаемого режима разделения. Это позволяет автоматически захватывать и/или разделять биомолекулы непосредственно на кристалле с элюированием, ионизацией и детектированием в масс-спектрометре. В отличие от гелевых подходов, системы микрохроматографии удобны для автоматизации и могут быть адаптированы для нацеливания на конкретные интересующие биомолекулы путем модификации упаковочного материала.

Чипы, используемые с системой биоанализатора Agilent 2100, состоят из пластикового контейнера с 16 лунками, используемыми для внесения реагентов и проб. На каждом чипе указаны идентификаторы типа анализа, номера партии и настройки чипа для конкретного анализа. Стеклянный чип имеет выгравированные микроканалы и приклеен к задней стороне корпуса. «Процесс производства стеклянной крошки и разделительного канала аналогичен процессу изготовления полупроводниковых устройств», — говорит Ева Граф, менеджер по продукции биоанализаторов в компании Agilent Technologies (Санта-Клара, Калифорния). Компания Agilent использует специальные защитные маски для чипов белков и нуклеиновых кислот, повторяющие структуру каналов. Когда стеклянная крошка подвергается воздействию травящего вещества, в стекле протравливаются только каналы. Оставшаяся поверхность чипа защищена маской.