Electrofóresis de ácidos nucleicos

Moléculas. Electrodos. Agarosa. Hibridación. Electoelución. Campo pulsado. Fraccionamiento celular

  • Enviado por: Fco Javier Chichon
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 9 páginas
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Electroforesis de ácidos nucleicos

No sólo las proteínas presentan carga y son solubles, también los ácidos nucleicos tienen la capacidad de migrar en un campo eléctrico y, por tanto, son susceptibles de ser separados por electroforesis, aunque con algunas variaciones con respecto de las proteínas:

  • Son moléculas de mayor tamaño: Lo que implica que el tamaño de poro que nos da la acrilamida puede ser demasiado pequeño.

  • Presenta gran cantidad de conformaciones y de tamaños: Lo que supone una gran variabilidad a la hora de diseñar los experimentos, ya que no es lo mismo separar cromosomas que simples nucleótidos.

  • En principio, es análoga a la electroforesis de proteínas en condiciones desnaturalizantes, salvo que aquí no hace falta el SDS para conferir la misma relación carga/masa es todas las moléculas (aunque se utiliza en el tampón de carga), ya que en los ácidos nucleicos la parte que confiere la carga es el grupo fosfato, y está presente de forma regular en la estructura.

    En estas condiciones, y al contrario que las proteínas, si realizáramos una electroforesis libre, observaríamos como todas las moléculas migrarían hacia el polo positivo con la misma velocidad al tener  igual. Esta propiedad no nos sirve de mucho, pero hay que decir que en un soporte en gel, como los que vamos a utilizar, las moléculas de ácido nucleico se separan en función de su tamaño.

    Soportes

    Como ya he avanzado, la acrilamida se queda pequeña en la mayoría de las electroforesis de ácido nucleico, y es por lo que se utiliza otro tipo de soporte.

  • Agarosa: polímero que funde a 80 - 90 ºC (aunque hay agarosas de muy diverso tipo, entre las que se encuentran las de bajo punto de fusión), y forman gel a unos 30 ºC. El rango de concentración oscila entre el 0,3 %, que puede separar moléculas del orden de 5 a 60 Kb, y el 2% que puede separar ácidos nucleicos de 0,1 a 0,2 Kb.

  • Poliacrilamida: de la que ya hemos hablado y que para ácidos nucleicos ronda unas concentraciones del orden del 3,5%, con una capacidad separadora de 1.000 a 2.000 bases y del 20%, que puede diferenciar moléculas de 6 a 50 bases. Permite separar moléculas que sólo difieren en un solo nucleótido, que implica la utilización de geles de poliacrilamida en secuenciación.

  • La agarosa es, por tanto, el soporte más utilizado, y supone la aparición de nuevos aparatos, al ser más frágil que la acrilamida y no poder intercambiarse los moldes. Ésta fragilidad hace que, además de tener que ser geles más gruesos, se hagan y se utilicen de forma horizontal, ya que si no se resquebrajarían.

    Electrofóresis de ácidos nucleicos
    Para los geles de agarosa hay moldes rectangulares que están abiertos por los dos extremos, de modo que antes de echar la agarosa fundida en el molde hay que sellar esos dos extremos, función que realiza una cinta adhesiva que se coloca según la figura. Una vez sellado el molde por los cuatro costados se deposita la agarosa fundida con cuidado de no formar burbujas. Una vez lleno a una altura prudencial, y con la agarosa todavía líquida se procede a colocar el peine, normalmente a cualquiera de los extremos del molde, teniendo siempre cuidado de que el peine no toque el fondo del molde. Las formas de sujetar el peine una vez colocado son muy diversas y suelen depender de la “pasta” que tenga el laboratorio, desde peines dobles con tuercas reguladoras (como el que nos enseñó el profesor en clase), hasta sujetar el peine con dos pinzas para papel pasando por soportes de metacrilato al que se adhiere el peine. En general es conveniente que se haga el ajuste de altura antes de echar la agarosa en el molde.

    Como se observa también en la figura, una vez polimerizado el gel (proceso que requiere enfriamiento de la agarosa, no reacciones químicas como en la acrilamida), se le retiran las cintas adhesivas, de modo, que la agarosa queda libre en los dos extremos del gel, lo que se aprovecha para colocarlo en una cubeta en forma de “puente” con los pocillos en la cubeta con el electrodo negativo. El gel se encuentra sumergido en un electrolito tamponado con Tris-Borato (no glicina), para garantizar que los ácido nucleico estén cargados negativamente; por esto a la técnica se le denomina electroforesis de inmersión. Las moléculas migrarán hacia el polo positivo, de modo que viajarán en esa dirección por el gel, separándose por tamaño (nº de nuleótidos).

    Al igual que con las proteínas, en estas condiciones se debe añadir un compuesto que aumente la densidad de la muestra y no difunda, o pase a otros pocillos a la hora de cargar la muestra, y unos marcadores de frente que nos permitan detener la electroforesis en el momento que lo creamos oportuno.

    Para visualizar las bandas, hay que teñir el gel o marcar radiactivamente las moléculas. El método más utilizado en geles de agarosa es el del BrEt (bromuro de etidio), del que ya hemos hablado. Se comporta como un agente intercalante, de modo que, además de disminuir la densidad de la molécula, tiene la capacidad de emitir luz cuando se le excita con luz ultravioleta. Hay que tener cuidado con este compuesto ya que es altamente cancerígeno. En un principio, una vez corrido el gel se retiraba y se ponía a incubar durante un tiempo (30 minutos), a continuación se miraba la posición de las bandas con la lámpara de U.V. Ahora, y para evitar la difusión que se producía durante la incubación, se añade el BrEt tanto en la agarosa como en el electrolito, de modo que, puedes parar la electroforesis y visualizar las bandas en la lámpara, y si es necesario continuar corriendo el gel sin ningún problema.

    Electrofóresis de ácidos nucleicos
    Hay varios tipos de visores para este tipo de geles, uno que proyecta la luz U.V por arriba, que implica que tienes que ponerte unas gafas o una careta, además de los guantes para protegerte del BrEt, y que lleva incorporado una cámara, que saca las fotos en negativo. La foto es muy importante ya que permite trabajar con algo imperecedero, no como el gel, que poco a poco va difundiendo y perdiendo el BrEt. El otro tipo, sin embargo, presenta la fuente de luz abajo, y con una pantalla enzima del gel que nos protege de la radiación.

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    Siguiendo con el soporte de agarosa, nos interesa saber como varía  con respecto del tamaño del poro, o lo que es lo mismo de la concentración de agarosa. Si digerimos una muestra de DNA con una enzima de restricción y representamos los valores de  de cada fragmento en diferentes concentraciones de agarosa, obtendríamos una gráfica como la de la figura, donde se observa como aparecen líneas de la misma pendiente, que indican cómo varía la movilidad con respecto de la concentración, haciendo que aumente  al aumentar la concentración.

    Fenómenos que alteran 

    Uno de los fenómenos que más se producen es el denominado de inversión de banda, debido a la tendencia de los fragmentos de tamaño medio de DNA a formar horquillas, lo que hace que queden retenidos en los poros el gel más tiempo del necesario, siendo por tanto, “adelantados” por fragmentos de mayor tamaño. Los de mayor y menor tamaño no presentan esta tendencia, con lo que migran sin problemas.

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    Esta variación de  del DNA debida a la estructura nos permite separar fragmentos de igual tamaño y con diferente conformación, como en el caso del superenrollamiento. Un fragmento circular de DNA se puede encontrar en formas relajadas o superenrolladas (supercoiled). Si introducimos moléculas de igual tamaño y con estructura más o menos enrolladas veremos como se nos separan, quedando las más enrolladas con una movilidad mayor que las relajadas. De este modo, también podemos diferenciar formas O.C. de C.C; de DNAs s.s. y d.s.; de formas enrolladas y relajadas. Todas, aunque de igual tamaño presentan diferentes movilidades electroforéticas. Esta propiedad es muy útil a la hora de identificar elementos extracromosomales (plásmidos).

    Visualización de los ácidos nucleicos

    A parte del método instantáneo del BrEt, hay otras formas de visualizar los ácidos nucleicos en un gel, entre los que destacas la autorradiografía y la transferencia.

  • Autorradiografía: exactamente igual que en proteínas, exceptuando el núcleo radiactivo más utilizado, que ahora es el 32P.

  • Electrofóresis de ácidos nucleicos
    Transferencia: de nuevo la transferencia se realiza en papel de nitrocelulosa o membrana de nylon, pero ahora no es una electrotransferencia, sino que el principio utilizado es el de la capilaridad. Si lo que se transfiere es DNA, se llama Southern Blot, y si es RNA Northern Blot. En ambos se realiza un apilamiento de distintos papeles, empezando por el gel son:

    • Papel de nitrocelulosa.

    • De 6 a 8 hojas de papel W 3MM.

    • Papel de filtro (plegado o no) desnaturalizado con sosa.

    • Cristal para compactarlo todo y un peso sobre todo el complejo.

    Debajo del gel se coloca una hoja de papel W 3MM que esté en contacto con el tampón de transferencia, de modo, que nunca quede seco. El líquido ascenderá por la hoja hasta el gel arrastrando hacia arriba a las moléculas de ácido nucleico, que quedarán atrapadas en el papel de nitrocelulosa. El proceso puede durar unas horas, aunque suele ser menos.

    Una vez en papel, podemos efectuar un gran número de tratamientos y técnicas, entre las que destaca la de la hibridación. Teniendo una sonda para un fragmento de DNA, se digiere la molécula con enzimas de restricción y se realiza la electroforesis. Una vez terminada, el resultado puede observarse por medio del ya conocido BrEt, pero como tenemos una sonda podemos hacer que hibride con el fragmento correspondiente, y para eso tenemos dos caminos que parten de la transferencia a papel. El primero es el de las bolsas de hibridación, que no difieren mucho de las utilizadas para anticuerpos en proteínas. Hay que tener en cuenta que las condiciones de hibridación deben realizarse en condiciones de máxima especificidad, de modo, que la temperatura debe ser elevada. La segunda consiste en los hornos de hibridación, no muy diferentes de los asadores de pollos, sólo que consta de unos cilindros que, además, giran sobre su propio eje. En el interior de los mismos se introduce el papel y la sonda, cerrando el cilindro y dejando que hibride durante un tiempo.

    La base del proceso de hibridación reside en la forma en que se une el ácido nucleico al papel, a través de los grupos alcohol de la ribosa, y dejando las bases nitrogenadas libres. Hay que tener cuidado, ya que el RNA presenta una gran tendencia a formar estructuras secundarias y terciarias en forma de horquillas, lo que haría que la hibridación fuera totalmente deficiente. Lo que se hace es desnaturalizarlo con formaldehído o hidroximetil mercurio.

    Una vez realizada la hibridación, nos encontramos con que no podemos visualizar el lugar donde se encuentra la sonda, o lo que es lo mismo el fragmento deseado. Lo que se hace es marcar previamente la sonda radiactivamente, de nuevo con 32P (a través de ATP radiactivo) y luego realizar una autorradiografía.

  • Electroelución: equivalente a la de proteínas, y aún más fácil debido a al tamaño de poro de la agarosa.

  • Campo pulsado

    Si quisiéramos separar moléculas de ácido nucleico de gran tamaño, nos encontraríamos con que, si son capaces de entrar en el gel no avanzarían casi nada al quedar “enganchadas” en la trama del gel, por muy poco concentrado que se encuentre. Una forma de resolver el problema sería cambiando la dirección y/o el sentido del vector campo eléctrico en forma de pulsos. Con eso, haríamos que la molécula fuera cambiando de dirección y/o el sentido de la migración sacándola de los “atolladeros y, por tanto, haciendo que se mueva.

    Esta técnica se denominó campo pulsado, y consiste en lo explicado, en la variación de la migración a la que sometemos la muestra, sin más que cambiar de posición los electrodos. Existen varios tipos de juegos de electrodos, de los más simples con 4 que se van alternando; a tres y uno puntual; o seis; o incluso dos, que se turnan la polaridad (uno durante más tiempo que el otro), pero todos ellos se encuentran conectados a la fuente pulsadora.

    La cubeta de campo pulsado tiene dos niveles, el inferior donde el tampón se refrigera con unos tubos (ya que sufre un gran calentamiento durante el proceso) y, se regenera mediante una bomba. El superior es donde se deposita el gel de agarosa, que se sumerge en tampón. La habitación también debe encontrarse refrigerada debido al calor que desprende toda la maquinaria implicada en el proceso.

    Geles de acrilamida

    Cuando queremos aislar moléculas pequeñas, nos encontramos con que la agarosa tiene un tamaño de poro muy grande, de modo que se utiliza la acrilamida. Hay varios tipos de electroforesis en geles de acrilamida para ácidos nucleicos.

  • Geles PAGE (electroforesis en gel de poliacrilamida): con un grosor de 0,1 mm un porcentaje alto de urea y una temperatura de unos 40 ºC. En estas condiciones el DNA permanece desnaturalizado y en forma de monohebra, de modo, que se pueden llegar a separar moléculas que difieran en un solo nucleótido. Esta base permite secuenciar el DNA por los dos métodos que conocemos el dideoxi y el de secuenciación química. En ambos el marcaje puede ser radiactivo, leyéndose la secuencia en la autorradiografía o con colorantes fluorescentes con emisión a diferente longitud de onda, con lo que el secuenciador automático te da ya la secuencia en forma de picos (espectro).

  • En estas mismas condiciones de corrida, se pueden separar moléculas de DNA con diferente cantidad de poli A, que confiere curvatura a la molécula, de modo, que moléculas con igual tamaño presentan diferente  debida a esa curvatura característica. El resultado es el que se observa en la figura, teniendo mayor  las moléculas sin poli A, seguidas de las que presentan colas y por último aquellas que presentan la región en el centro, formándose realmente un arco.

  • Geles de retardo: Para averiguar la posible interacción de proteínas con el DNA se pueden realizar este tipo de geles. Es sencillo únicamente hay que cargar las proteínas que sospechas que interaccionan con el DNA, el DNA molde, y en un pocillo todo junto. El resultado nos indicará cual es la proteína que interacciona con el DNA ya que en el pocillo “mezcla” presentará una banda con movilidad intermedia y bandas correspondientes a las proteínas que no se unen al DNA.

  • Geles de Footprints o Fingerprints: un paso más que el gel anterior, ya que lo que trata de averiguar es exactamente que bases interaccionan con la proteína. Para ello hacemos que la proteína este unida al DNA y añadimos DNAasa I (que corta 1 nucleótido por molécula), de modo, que al cargar la muestra en un pocillo observaremos bandas de secuenciación menos en el tramo de unión de la proteína, región del DNA protegida de la digestión. La relación molar entre los dos tipos de macromoléculas debe ser de 1:1, ya que se hay DNA sin unir se cortaría y aparecerían bandas que nos llevarían a equívoco.

  • Fraccionamiento celular

    Al principio del tema dijimos que en electroforesis utilizaríamos sobre todo macromoléculas, pero no descartamos separar en un campo eléctrico partes de una célula. Con esta intención se diseñó la técnica de fraccionamiento celular por electroforesis, que se basa en la electroforesis libre continua, y cuando funciona es simple y eficaz.

    Se trata de pasar una corriente o flujo de líquido (tampón de electroforesis), a través de dos cristales de tamaño considerable, colocando dos electrodos a los dos lados. Abajo colocamos unos 200 tubos para que recoja la muestra una vez separada. En el centro, y por arriba, añadimos un homogeneizado que se separará durante la caída, recogiéndose en los tubos.

    Al tratarse de una electroforesis libre hay mucha difusión, de modo, que las fracciones se recogen por zona, no individualmente. Como ventaja tenemos que tarda 2 o 3 minutos y que al ser continua podemos añadir gran cantidad de muestra, lo que nos da una gran purificación a bastante concentración.

    Kilobases. 1Kb = 1.000 bases nitrogenadas = 1.000 nucleótidos.

    En la figura el peine se encuentra en el medio del gel con la única intención de que la forma de colocación se vea bien.

    Técnicas de Separación

    60

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    Electroforesis de ácidos nucleicos

    Electrofóresis de ácidos nucleicos

    Electrofóresis de ácidos nucleicos

    eje

    sonda

    Papel de nitrocelulosa

    Electrofóresis de ácidos nucleicos

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    Electrofóresis de ácidos nucleicos

    Muestra

    +

    _

    Fragmentos y orgánulos celulares recogidos en fracciones según la carga

    electrolito

    electrolito