ES2338654T3 - Amplificacion de acidos nucleicos mediante emulsion de perlas. - Google Patents
Amplificacion de acidos nucleicos mediante emulsion de perlas. Download PDFInfo
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Abstract
Método para la amplificación de uno o más ácidos nucleicos sobre una perla, que comprende las etapas siguientes: (a) formar una emulsión de agua en aceite para crear una pluralidad de microrreactores acuosos, en la que por lo menos uno de los microrreactores comprende un ácido nucleico molde monocatenario, una única perla con una primera población que comprende una pluralidad de moléculas de una primera especie de cebador dispuesta sobre la misma, y una solución de reacción de amplificación que comprende una segunda población que comprende una pluralidad de moléculas de la primera especie de cebador, una pluralidad de moléculas de una segunda especie de cebador, y reactivos necesarios para llevar a cabo la amplificación de ácidos nucleicos, en donde la primera especie de cebador es capaz de unirse al ácido nucleico molde monocatenario, la segunda especie de cebador es capaz de unirse a una cadena complementaria del ácido nucleico molde monocatenario, y la concentración de la segunda especie de cebador es mayor que la de la segunda población de la primera especie de cebador en la solución de reacción de amplifica- ción, (b) amplificar asimétricamente el molde de ácido nucleico monocatenario y la cadena complementaria a la cadena molde en la solución de reacción de amplificación, para formar una población de copias amplificadas del ácido nucleico molde monocatenario, y (c) unir una pluralidad de las copias amplificadas asimétricamente de ácido nucleico molde monocatenario a la primera población de la primera especie de cebador sobre la perla en el microrreactor, en el que una cadena complementaria unida a perla se extiende a partir de la primera especie de cebador.
Description
Amplificación de ácidos nucleicos mediante
emulsión de perlas.
La presente invención se refiere a métodos para
amplificar ácidos nucleicos de molde a partir de un número de copia
reducido hasta cantidades que permitan la secuenciación en un
soporte sólido, tal como en una perla. Asimismo, la presente
invención se refiere a la eliminación de perlas vacías, un método de
enriquecimiento de soporte sólidos que contienen ácidos nucleicos
amplificados.
La capacidad de amplificar una pluralidad de
secuencias de ácidos nucleicos, tal como una biblioteca genómica o
una biblioteca de ADNc, resulta crítica dada la ineficiencia de los
métodos actuales de secuenciación. Las tecnologías de secuenciación
actuales requieren millones de copias de ácido nucleico por cada
reacción de secuenciación. Además, la secuenciación de un genoma
humano requeriría aproximadamente diez millones de reacciones de
secuenciación diferentes. En el caso de que el material de partida
fuese limitado, resultaría necesaria la amplificación del ADN
inicial antes de la secuenciación genómica. El material de partida
puede ser limitado, por ejemplo si el genoma que debe secuenciarse
procede de una cantidad traza de patógeno o de un paciente
prenatal. Las técnicas actuales para la amplificación genómica in
vitro implican protocolos laboriosos de clonación y cultivo que
han limitado la utilidad de la secuenciación genómica. Otras
técnicas, tales como la PCR, aunque rápidas y fiables, no son
capaces de amplificar un genoma de una manera representativa.
Aunque la PCR con cebadores aleatorios puede
manipularse fácilmente para amplificar una pluralidad de ácidos
nucleicos en una reacción, este método no resulta preferente debido
a que la biblioteca amplificada no es representativa de la
biblioteca de partida. Es decir, en el contexto de una PCR aleatoria
algunas secuencias de ADN se amplifican preferentemente a expensas
de otras secuencias, de manera que el producto amplificado no
representa el material de partida. Este problema de la PCR puede
superarse si cada miembro individual de una biblioteca se amplifica
en una reacción separada. Sin embargo, este enfoque puede no
resultar práctico en el caso de que se requieran muchos miles de
tubos de reacción para el procedimiento de amplificación, ya que
una biblioteca genómica o una biblioteca de ADNc puede incluir más
de 100.000 fragmentos. La amplificación individual de cada
fragmento de estas bibliotecas en una reacción separada no resulta
práctica.
El documento WO 00/40712 da a conocer un método
de separación óptica utilizado para aislar uno o más elementos
genéticos codificantes de un producto génico que presente una
actividad deseada.
La presente invención proporciona un método para
amplificar una pluralidad de ácidos nucleicos (por ejemplo cada
secuencia de una biblioteca de ADN, transcriptoma o genoma) de una
manera rápida y económico en un único tubo de reacción. Un uso del
método de la invención es llevar a cabo la amplificación clonal
simultánea (por ejemplo mediante PCR) de una pluralidad de muestras
(hasta varios cientos de miles) en un recipiente de reacción. La
presente invención proporciona además un medio para encapsular una
pluralidad de muestras de ADN individualmente en una microcápsula
de una emulsión (es decir, un microrreactor), llevando a cabo la
amplificación de la pluralidad de muestras encapsuladas de ácidos
nucleicos simultáneamente, y liberando dicha pluralidad amplificada
de ADN de las microcápsulas para reacciones posteriores.
En una realización, se hibridan copias
individuales de la especie de ácido nucleico molde a perlas de
captura que comprenden, por ejemplo, oligonucleótidos de captura o
grupos químicos que se unen al molde de ácidos nucleicos. Las
perlas se suspenden en solución de amplificación completa (ver el
Ejemplo 2 para un ejemplo de una solución de amplificación) y se
emulsionan para producir microrreactores (típicamente de 100 a 200
micrómetros de diámetro). A continuación, se utiliza la
amplificación asimétrica (por ejemplo la PCR) para incrementar
clonalmente el número de copia de la especie molde inicial en los
microrreactores, y estas copias se unen a las perlas de captura en
los microrreactores.
En una realización alternativa, se añaden perlas
de captura a una mezcla de reacción de amplificación (por ejemplo
una solución de amplificación del Ejemplo 2) que comprende ácido
nucleico molde y esta mezcla se emulsiona para producir
microrreactores. Se utiliza la amplificación asimétrica (por ejemplo
una PCR) para incrementar clonalmente el número de copia de la
especie molde inicial en los microrreactores, y estas copias se
unen a las perlas de captura en los microrreactores.
Una ventaja de la presente invención es que los
microrreactores permiten la amplificación clonal y discreta
simultánea de muchos moldes diferentes sin contaminación cruzada de
los productos amplificados o reactivos, o el dominio de un molde
particular o conjunto de moldes (por ejemplo el sesgo de PCR). La
reacción de amplificación, por ejemplo, puede llevarse a cabo
simultáneamente con por lo menos 3.000 microrreactores por
microlitro de mezcla de reacción. Preferentemente, cada
microrreactor comprende una o unas pocas especies de molde
amplificado.
En diversas realizaciones de la invención, los
microrreactores presentan un tamaño medio de entre aproximadamente
10 \mum y aproximadamente 250 \mum. En una realización
preferente, los microrreactores presentan un diámetro medio de
entre aproximadamente 60 y aproximadamente 200 \mum. En una
realización más preferente, los microrreactores presentan un
diámetro medio de aproximadamente 60 \mum, tal como una media de
entre 40 \mum y 80 \mum de diámetro. En una realización, los
microrreactores presentan un diámetro medio de aproximadamente 60
\mum. En otra realización preferente, los microrreactores
presentan un volumen medio de aproximadamente 113 pl. En una
realización todavía más preferente, aproximadamente 3.000
microrreactores se encuentran contenidos en un microlitro de una
emulsión 1:2 de agua en aceite.
La presente invención proporciona además un
método para producir una pluralidad de perlas portadoras de ácidos
nucleicos molde, en la que cada perla comprende hasta 1.000.000
copias o más de una única secuencia de ácidos nucleicos. En una
realización preferente, cada perla puede comprender más de 20
millones de copias de un único ácido nucleico.
La presente invención proporciona además un
método para enriquecer aquellas perlas que contengan el producto de
la amplificación exitosa de ADN (es decir, mediante la eliminación
de perlas que no presentan ADN unido a las mismas).
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 1 Esquema de la estructura de una perla
de captura de ADN.
Figuras 2A-2B Esquema de una
realización de un procedimiento de amplificación en emulsión de
perlas.
Figura 3 Esquema de un procedimiento de
enriquecimiento para eliminar perlas que no presentan ningún ADN
unido a las mismas.
Figura 4 Ilustración de dispositivo utilizado
para sostener tubos en la placa de agitación situada bajo una bomba
vertical de jeringa. El dispositivo se modificó para sostener tres
conjuntos de mezclas de reacción de amplificación en emulsión de
perlas. La jeringa se cargó con la mezcla de reacción de PCR y
perlas.
Figura 5 Ilustración de la organización óptima
de jeringas en una bomba vertical de jeringa y orientación de los
tubos de emulsión bajo las salidas de las jeringas.
Figura 6 Ilustración de la organización óptima
del bloque impulsor de la bomba de jeringas contra los émbolos de
las jeringas, y orientación óptima del dispositivo sobre la placa de
agitación. Mediante la utilización de dicha disposición, se expulsa
el contenido de la jeringa en el aceite en emulsión bajo
agitación.
Figura 7 Ilustración de perlas (ver las flechas)
suspendidas en microrreactores individuales según los métodos de la
invención.
Figura 8A-8C Esquema que muestra
las etapas iniciales de amplificación en emulsión de perlas
utilizada conjuntamente con la secuenciación desde dos extremos. La
perla activada por NHS (figura 8A) se une a los cebadores de captura
(figura 8B) y se encapsula en un microrreactor que comprende la
perla de captura de ADN y molde (figura 8C).
Figura 9 Esquema que muestra las etapas de
amplificación y de captura de la amplificación en emulsión de perlas
utilizada conjuntamente con la secuenciación desde dos extremos. El
molde se amplifica mediante PCR en fase solución y los productos de
amplificación se unen a la perla de captura de ADN.
Figura 10 Esquema que muestra las últimas etapas
de amplificación en emulsión de perlas utilizada conjuntamente con
la secuenciación desde dos extremos. La emulsión se rompe (figuras
10A-10B), se elimina la segunda cadena del producto
de amplificación y se utiliza el enriquecimiento para maximizar el
número de perlas unidas a producto de amplificación (figura 10C),
se hibridan los cebadores de secuenciación (figura 10D) y se
secuencia la primera cadena (figura 10E), seguido de la segunda
cadena.
\vskip1.000000\baselineskip
Se comenta posteriormente una breve vista
general de una realización de la invención. A continuación, se
proporciona una descripción más detallada de cada etapa individual
de la presente realización. En la presente realización, la PCR es
la técnica de amplificación seleccionada.
En un aspecto de la invención, se lleva a cabo
la amplificación en emulsión de perlas mediante la unión de un
molde (por ejemplo un molde de ADN) que debe amplificarse a un
soporte sólido, preferentemente en la forma de un perla
generalmente esférica. La perla se una a un gran número de una única
especie de cebador (es decir, el cebador B en la figura 2) que es
complementario a una región del molde de ADN y la amplificación
copia a partir de este molde. Alternativamente, la perla se une a
grupos químicos (por ejemplo biotina) que pueden unirse a grupos
químicos (por ejemplo estreptavidina) incluidos en el ADN molde y la
amplificación copia a partir de este molde. Las perlas se suspenden
en una mezcla de reacción acuosa y después se encapsulan en una
emulsión de agua en aceite. En diferentes aspectos de la invención,
el ADN molde se une a la perla previamente a la emulsificación, o
el ADN molde se incluye en una solución en la mezcla de reacción de
amplificación. En una realización preferente, se lleva a cabo una
etapa de amplificación previamente a la distribución de los moldes
de ácidos nucleicos en una placa multipocillo (por ejemplo
PicoTiter).
En determinadas realizaciones, la emulsión está
compuesta de microgotas discretas en fase acuosa, por ejemplo de
diámetro medio comprendido entre aproximadamente 60 y 200 \mum,
incluidas en una fase aceite termoestable. Cada microgota contiene,
preferentemente, solución de reacción de amplificación (es decir,
los reactivos necesarios para la amplificación de los ácidos
nucleicos). Un ejemplo de una solución de reacción de amplificación
sería una mezcla de reacción de PCR (polimerasa, sales, dNTPs; ver
el Ejemplo 2 para un ejemplo de una realización) y una pareja de
cebadores de PCR (cebador A y cebador B) (ver la figura 2A). En
algunos casos, el ADN molde se incluye en la mezcla de reacción. Un
subconjunto de la población de microgotas incluye la perla de ADN y
el molde. Este subconjunto de microgotas es la base para la
amplificación. Las microcápsulas restantes no contienen ADN molde y
no participarán en la amplificación. En una realización, la técnica
de amplificación es la PCR y los cebadores de PCR se encuentran
presentes en una proporción de 8:1 o de 16:1 (es decir, 8 ó 16 de
un cebador a 1 del segundo cebador) para llevar a cabo una PCR
asimétrica. En otra realización, la proporción de cebadores de PCR
puede ser sustancialmente igual, para una PCR normal.
La reacción de amplificación asimétrica, tal
como la PCR, puede llevarse a cabo utilizando cualquier método
adecuado. En la vista general siguiente, se comenta a título
ilustrativo un mecanismo de PCR. En el ejemplo, se hibrida una
región de la molécula de ADN (región B') a un oligonucleótido
inmovilizado en una perla (cebador B). Durante el termociclado
(figura 2B), el enlace entre el molde monocatenario y el cebador B
inmovilizado en la perla se rompe, liberando el molde a la solución
microencapsulada circundante. La solución de amplificación, en este
caso la solución de PCR, contiene además cebador A y cebador B en
fase solución (por ejemplo en una proporción de 8:1 o de 16:1). Los
cebadores B en fase solución se unen fácilmente a la región B'
complementaria del molde debido a que la cinética de unión es más
rápida para los cebadores en fase solución que para los cebadores
inmovili-
zados.
zados.
En la PCR en etapa temprana, tanto la cadena A
como la B se amplifican igualmente bien (figura 2C). Al alcanzar la
etapa intermedia de la PCR (es decir, entre los ciclos 10 y 30), se
han agotado los cebadores B, deteniendo la amplificación
exponencial. A continuación, la reacción entra en amplificación
asimétrica y la población de amplicones resulta dominada por las
cadenas A (figura 2D). En la PCR en etapa tardía (figura 2E), tras
30 a 40 ciclos, la amplificación asimétrica incrementa la
concentración de cadenas A en solución. El exceso de cadenas A
inicia su hibridación a los cebadores B inmovilizados en perlas.
Seguidamente las polimerasas termoestables utilizan la cadena A
como molde para sintetizar una cadena B inmovilizada del amplicón
unida a perla.
En la PCR en la etapa final (figura 2F), el
ciclado térmico continuo fuerza la hibridación adicional a cebadores
unidos a perlas. La amplificación en fase solución puede ser mínima
en esta etapa, aunque la concentración de cadenas B inmovilizadas
se incrementa. A continuación, se rompe la emulsión y el producto
inmovilizado se convierte en monocatenario mediante
desnaturalización (por calor, pH, etc.), que elimina la cadena A
complementaria. Los cebadores A se hibridan a la región A' de la
cadena inmovilizada, y la cadena inmovilizada se carga con enzimas
de secuenciación, y cualquier proteína accesoria necesaria. A
continuación, las perlas se secuencian utilizando técnicas de
pirofosfato conocidas (descritas, por ejemplo, en las patentes US
Nos. 6.274.320, 6.258.568 y 6.210.891).
\vskip1.000000\baselineskip
En una realización preferente, el molde de
ácidos nucleicos que debe amplificarse mediante amplificación en
emulsión de perlas es una población de ADN, tal como, por ejemplo,
una biblioteca de ADN genómico o una biblioteca de ADNc. Resulta
preferente que cada miembro de la población de ADN presente una
secuencia común de ácidos nucleicos en el primer extremo y una
secuencia común de ácidos nucleicos en un segundo extremo. Esto
puede conseguirse, por ejemplo, ligando una primera secuencia
adaptadora de ADN a un extremo y una segunda secuencia adaptadora
de ADN a un segundo extremo de cada miembro de la población de ADN.
Muchas bibliotecas de ADN y de ADNc, en virtud de la naturaleza del
vector de clonación (por ejemplo Bluescript, Stratagene, La Jolla,
CA) encajan en la descripción de que presentan una secuencia común
en un primer extremo y una segunda secuencia común en un segundo
extremo de cada ADN miembro. El molde de ácidos nucleicos puede
presentar cualquier tamaño que permite la amplificación in
vitro (incluyendo las técnicas de amplificación preferentes de
la PCR y la PCR asimétrica). En una realización preferente, el
molde presenta un tamaño de entre aproximadamente 150 y 750 pb, tal
como, por ejemplo aproximadamente 250 pb.
\vskip1.000000\baselineskip
En un aspecto de la invención, se une un molde
de ácidos nucleicos monocatenarios que debe amplificarse a una
perla de captura. El molde puede capturarse en una perla previamente
a la emulsificación o después de formarse la emulsión. En un
aspecto preferente, las copias de amplificación del molde de ácidos
nucleicos se unen a una perla de captura. A título de ejemplos no
limitantes, estas uniones pueden encontrarse mediadas por grupos
químicos u oligonucleótidos que se encuentran unidos a la superficie
de la perla. El ácido nucleico (por ejemplo el molde de ácidos
nucleicos, las copias de amplificación o los oligonucleótidos) puede
unirse al soporte sólido (por ejemplo una perla de captura) de
cualquier manera conocida de la técnica.
Según la presente invención, la unión química
covalente de un ácido nucleico a una perla puede conseguirse
mediante la utilización de agentes acoplantes estándares. Por
ejemplo, puede utilizarse carbodiimida soluble en agua para unir el
fosfato 5' de una secuencia de ADN a perlas de captura recubiertas
con amina mediante un enlace fosfoamidato. Alternativamente, pueden
acoplarse oligonucleótidos específicos a la perla utilizando
reacciones similares, y después puede utilizarse ADN ligasa para
ligar el molde de ADN al oligonucleótido en la perla. Entre otras
químicas de enlace para unir el oligonucleótido a las perlas se
incluyen la utilización de N-hidroxisuccinamida
(NHS) y derivados de la misma.
En un método ejemplar, un extremo de una
molécula conectora puede contener un grupo reactivo (tal como un
grupo amida) que forma un enlace covalente con el soporte sólido,
mientras que el otro extremo de la molécula conectora contiene un
segundo grupo reactivo que puede unirse con el oligonucleótido que
debe inmovilizarse. En una realización preferente, el
oligonucleótido se une a la perla de captura de ADN mediante enlace
covalente. Sin embargo, también pueden utilizarse enlaces no
covalentes, tales como la quelación o los complejos de
antígeno-anticuerpo, para unir el oligonucleótido a
la perla.
A título de ejemplos no limitativos, pueden
utilizarse oligonucleótidos que se hibriden específicamente a
secuencias únicas en el extremo del fragmento de ADN, tal como el
extremo solapante de un sitio de enzima de restricción o los
"extremos cohesivos" de vectores de clonación, aunque también
pueden utilizarse moléculas conectoras de extremos romos. Estos
métodos se describen en detalle en la patente US No. 5.674.743.
Resulta preferente que las perlas continúen ligando los
oligonucleótidos inmovilizados durante las etapas de los métodos de
la invención.
En una realización de la invención, cada perla
de captura se diseña para que presente una pluralidad de
oligonucleótidos que reconocen (es decir, que sean complementarios
a) una parte del molde de ácidos nucleicos, y las copias de
amplificación de dicho molde. En los métodos descritos en la
presente memoria, se desea la amplificación clonal de la especie
molde, de manera que resulta preferente que únicamente una única
especie de ácidos nucleicos se una a una perla de captura
cualquiera.
Las perlas utilizadas en la presente memoria
puede presentar cualquier tamaño conveniente y fabricarse a partir
de uno o más materiales conocidos cualesquiera. Entre los ejemplos
de dichos materiales se incluyen: compuestos inorgánicos, polímeros
naturales y polímeros sintéticos. Entre los ejemplos específicos de
dichos materiales se incluyen: celulosa, derivados de celulosa,
resinas acrílicas, vidrio, geles de sílice, poliestireno, gelatina,
polivinilpirrolidona, copolímeros de vinilo y acrilamida,
poliestireno entrecruzado con divinilbenceno o similar (tal como se
describe, por ejemplo en Merrifield, Biochemistry,
3:1385-1390, 1964), poliacrilamidas, geles de
látex, poliestireno, dextrano, caucho, silicio, plásticos,
nitrocelulosa, esponjas naturales, geles de sílice, vidrio de poro
controlado, metales, dextranos entrecruzados (por ejemplo
Sephadex^{TM}), gel de agarosa (Sepharose^{TM}) y otros
soportes de fase sólida conocidos por el experto en la materia. En
realizaciones preferentes, las perlas de captura son perlas de
diámetro aproximado entre 2 y 100 \mum o de entre 10 y 80 \mum
de diámetro, más preferentemente de entre 20 y 40 \mum de
diámetro. En una realización preferente, las perlas de captura son
perlas de sefarosa.
\vskip1.000000\baselineskip
Para la utilización con la presente invención,
se suspenden perlas de captura con o sin ácidos nucleicos de molde
en una emulsión de agua en aceite estable frente al calor. Se
contempla que una pluralidad de los microrreactores incluya
únicamente un molde y una perla. Pueden existir muchas gotas que no
contengan un molde o que no contengan una perla. De manera similar,
pueden existir gotas que contengan más de una copia de un molde. La
emulsión puede formarse según cualquier método conocido de la
técnica. Un método para crear una emulsión se describe
posteriormente, aunque puede utilizarse cualquier método para
preparar una emulsión. Estos métodos son conocidos de la técnica e
incluyen métodos adyuvantes, métodos de contraflujo, métodos de
contracorriente, métodos de tambor giratorio y métodos de membrana.
Además, el tamaño de las microcápsulas puede ajustarse modificando
el caudal y la velocidad de los componentes. Por ejemplo, en la
adición gota a gota, puede modificarse el tamaño de las gotas y el
tiempo total de adición. Preferentemente, la emulsión contiene una
densidad de aproximadamente 3.000 perlas encapsuladas por
microlitro.
Se hace referencia a diversas emulsiones que
resultan adecuadas para reacciones biológicas en Griffiths y
Tawfik, EMBO, 22:24-35, (2003); Ghadessy et
al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98:4552-4557,
(2001); patentes US No. 6.489.103 y WO 02/22869.
Se indica que Griffiths et al. (patentes
US No. 6.489.103 y WO 99/02671) se refiere a un método para la
separación in vitro de uno o más elementos genéticos
codificantes de un producto génico que presenta una actividad
deseada. Este método implica compartimentalizar un gen, expresar el
gen y separar el gen compartimentalizado basándose en el producto
expresado. En contraste con la presente invención, el método de
separación por microencapsulado no resulta adecuado para el
análisis paralelo de múltiples microcápsulas debido a que su
producto ácido nucleico no se encuentra anclado y no puede
anclarse. Debido a que los ácidos nucleicos de Griffiths no se
encuentran anclados, se mezclarían durante la demulsificación.
La emulsión preferentemente se genera mediante
la adición de perlas a una solución de amplificación. Tal como se
utiliza en la presente memoria, la expresión "solución de
amplificación" se refiere a una mezcla suficiente de reactivos
necesaria para llevar a cabo la amplificación del ADN molde. Un
ejemplo de una solución de amplificación, una solución de
amplificación por PCR, se proporciona en los Ejemplos,
posteriormente. Se apreciará que pueden realizarse diversas
modificaciones de la solución de amplificación basándose en el tipo
de amplificación que se lleva a cabo y en que el ADN molde se
encuentre unido a perlas o en solución. En una realización, la
mezcla de perlas y solución de amplificación se añade gota a gota a
una mezcla de aceite biocompatible (por ejemplo aceite mineral
ligero, Sigma) bajo centrifugación y se deja que se emulsione. En
otra realización, las perlas y la solución de amplificación se
añaden gota a gota en un flujo cruzado de aceite biocompatible. El
aceite utilizado puede suplementarse con uno o más estabilizantes de
emulsión biocompatibles. Entre estos estabilizantes de emulsión se
incluyen Atlox 4912, Span 80, y otros estabilizantes adecuados
comercialmente disponibles. En aspectos preferentes, la emulsión es
estable al calor para permitir el ciclado térmico, por ejemplo a
por lo menos 94ºC, a por lo menos 95ºC, o a por lo menos 96ºC.
Preferentemente, las gotas formadas presentan un tamaño comprendido
entre aproximadamente 5 micrómetros y aproximadamente 500
micrómetros, más preferentemente entre aproximadamente 10
micrómetros y aproximadamente 350 micrómetros, todavía más
preferentemente entre aproximadamente 50 y 250 micrómetros, y
todavía más preferentemente entre aproximadamente 100 micrómetros y
aproximadamente 200 micrómetros. Ventajosamente, la mezcla de fluido
en flujo cruzado permite el control de la formación de las gotas y
la uniformidad del tamaño de gota. Los presentes inventores señalan
que pueden encontrarse presentes en la emulsión gotas de agua de
menor tamaño que no contienen perlas.
Los microrreactores deben presentar un tamaño
suficientemente grande para poder incluir suficientes reactivos de
amplificación para el grado de amplificación requerido. Sin embargo,
los microrreactores deben ser suficientemente pequeños para que una
población de microrreactores, conteniendo cada uno un miembro de
una biblioteca de ADN, pueda amplificarse utilizando equipos de
laboratorio convencionales, por ejemplo un equipo de termociclado
de PCR, probetas, incubadores y similares. Notablemente, la
utilización de microrreactores permite la amplificación de mezclas
complejas de moldes (por ejemplo muestras de ADN genómico o ARN de
células completas) sin mezclar entre sí las secuencias o sin que
domine uno o más moldes (por ejemplo sesgo de selección de la PCR;
ver Wagner et al., 1994; Suzuki y Giovannoni, 1996; Chandler
et al., 1997; Polz y Cavanaugh, 1998).
Dentro de las limitaciones indicadas
anteriormente, el tamaño óptimo de un microrreactor puede ser de
entre 100 y 200 micrómetros de diámetro. Los microrreactores de este
tamaño permitirían la amplificación de una biblioteca de ADN que
comprende aproximadamente 600.000 miembros en una suspensión de
microrreactores de menos de 10 ml de volumen. Por ejemplo, en el
caso de que la PCR sea el método de amplificación seleccionado,
podrían incluirse 10 ml de microrreactores en 96 tubos de un
termociclador convencional con capacidad para 96 tubos. En una
realización preferente, la suspensión de 600.000 microrreactores
presentaría un volumen inferior a 1 ml. Una suspensión de menos de
1 ml puede amplificarse en aproximadamente 10 tubos de un
termociclador de PCR convencional. En una realización todavía más
preferente, la suspensión de 600.000 microrreactores presentaría un
volumen inferior a 0,5 ml.
Otra realización de la invención se refiere a un
método para llevar a cabo la amplificación de ácidos nucleicos con
un molde y una perla, aunque sin unir el molde a la perla. En un
aspecto, la perla puede comprender una molécula conectora que puede
unirse al ácido nucleico amplificado tras la amplificación. Por
ejemplo, el conector puede ser un conector activable. Este tipo de
conectores son bien conocidos e incluyen parejas de unión sensibles
a la temperatura o a las condiciones salinas, tales como
estreptavidina/biotina y anticuerpos/antígeno. El ácido nucleico
molde puede encapsularse con una perla y amplificarse. Tras la
amplificación, el ácido nucleico amplificado puede unirse a las
perlas, por ejemplo mediante ajustes de temperatura o de la
concentración salina.
Tras el encapsulado, el ácido nucleico molde
puede amplificarse, unido o no unido a las perlas, mediante
cualquier método adecuado de amplificación, incluyendo los sistemas
de amplificación basados en la transcripción (Kwoh D. et
al., Proc. Natl. Acad. Sci. (U.S.A.) 86:1173, (1989); Gingeras,
T.R. et al., patente WO 88/10315; Davey C et al.,
publicación EP No. 329.822; Miller H.I. et al., patente WO
89/06700), "RACE" (Frohman M.A., en: PCR Protocols: A Guide to
Methods and Applications, Academic Press, NY, 1990) y PCR unilateral
(Ohara O. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. (U.S.A.)
86:5673-5677, 1989). Pueden utilizarse todavía otros
métodos según la presente invención, tales como la amplificación
con dioligonucleótidos, la amplificación isotérmica (Walker G.T.
et al., Proc. Natl. Acad. Sci. (U.S.A.)
89:392-396, 1992), la amplificación basada en una
secuencia de ácidos nucleicos (NASBA; ver, por ejemplo, Deiman B.
et al., Mol. Biotechnol. 20(2):163-79,
2002), la amplificación de genoma completo (ver, por ejemplo,
Hawkins T.L. et al., Curr. Opin. Biotechnol.
13(1):65-7, 2002), la amplificación por
desplazamiento de cadena (ver, por ejemplo, Andras S.C., Mol.
Biotechnol. 19(1):29-44, 2001), la
amplificación de círculo rodante (revisada en la patente US No.
5.714.320) y otras técnicas bien conocidas.
En una realización preferente, la amplificación
del ADN se lleva a cabo mediante PCR. La PCR según la presente
invención puede llevarse a cabo mediante encapsulado del ácido
nucleico diana con una solución de PCR que comprenda todos los
reactivos necesarios para la PCR. A continuación, la PCR puede
llevarse a cabo mediante exposición de la emulsión a cualquier
régimen adecuado de termociclado conocido de la técnica. En una
realización preferente, se llevan a cabo 30 a 50 ciclos,
preferentemente aproximadamente 40 ciclos de amplificación. Resulta
deseable, aunque no necesario, que tras el procedimiento de
amplificación se realice uno o más ciclos de hibridación y
extensión tras los ciclos de amplificación. En una realización
preferente, se llevan a cabo 10 a 30 ciclos, preferentemente
aproximadamente 25 ciclos de hibridación y extensión (por ejemplo
tal como se describe en los ejemplos). Rutinariamente, el ADN molde
se amplifica hasta inmovilizar en cada perla típicamente por lo
menos 10.000 a 50.000.000 copias. Se reconoce que, para las
aplicaciones de detección de ácidos nucleicos, resultan necesarias
menos copias de molde. Para las aplicaciones de secuenciación de
ácidos nucleicos los presentes inventores prefieren que se
inmovilicen en cada perla por lo menos dos millones a cincuenta
millones de copias, preferentemente entre aproximadamente diez
millones y treinta millones de copias del ADN molde. El experto en
la materia reconocerá que el tamaño de la perla (y del sitio de
captura en la misma) determina el número de cebadores capturados
que pueden unirse (y, de esta manera, el número de moldes
amplificados que puede capturarse en cada perla).
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La selección de ácidos nucleicos cebadores para
la amplificación, tal como la amplificación por PCR, se encuentra
perfectamente dentro de las capacidades del experto en la materia.
Pueden encontrarse estrategias para el diseño de cebadores en la
literatura científica, por ejemplo en Rubin E. y A.A. Levy, Nucleic
Acids Res. 24(18):3538-45, 1996; y Bucks
G.A. et al., Biotechniques
27(3):528-36, 1999. En una realización
preferente, los cebadores pueden limitarse a una longitud de 20
bases (5 tetrámeros) para la síntesis eficiente de cebadores
bipartitos de PCR/secuenciación. Cada cebador puede incluir una
abrazadera GC de dos bases en el extremo 5', una única abrazadera
GC en el extremo 3', y todos los cebadores pueden compartir una Tm
similar (+/-2ºC). En una realización preferente, las estructuras de
horquilla dentro de los cebadores (\DeltaG de tallos de
horquillas internas > -1,9 kcal/moles) resultan fuertemente
desfavorecidas en cualquiera de los cebadores diseñados. En otra
realización preferente, la dimerización de los cebadores también se
encuentra controlada, de manera que se acepta como máximo un dímero
de 3 bases. Sin embargo, se permite que esto ocurra únicamente en
las últimas seis bases 3' y la \DeltaG máxima permisible para un
dímero 3' es de -2,0 kcal/mol. Preferentemente, se aplica una
penalización a los cebadores en los que los extremos 3' son
excesivamente similares a otros en el grupo. Esto impide la
hibridación cruzada entre un cebador y el complemento inverso del
otro cebador.
En el caso de que los cebadores se diseñen según
los criterios indicados anteriormente, la posibilidad de que
existan regiones complementarias dentro del genoma de interés no
constituye un gran problema, a pesar de la tolerancia informada de
la PCR a apareamientos incorrectos en poblaciones de muestra
complejas (Rubin E y A.A. Levy, Nucleic Acids Res.
24(18):3538-45, 1996). Aunque la probabilidad
de encontrar un apareamiento perfecto con un cebador de 20 bases es
extremadamente baja (4^{20}) (ver la Tabla 1), la probabilidad de
encontrar apareamientos no consecutivos más cortos se incrementa
significativamente con el tamaño del genoma de interés. Como
consecuencia, la probabilidad de encontrar una correspondencia
perfecta para una secuencia de por lo menos 10 ó 20 bases es 99,35%
para un genoma de adenovirus. La probabilidad de encontrar una
correspondencia perfecta para una secuencia de 16 bases es de 97%
para las secuencias en la base de datos de NCBI (aproximadamente
100 veces más información de secuencia que el genoma de adenovirus).
La probabilidad de encontrar una correspondencia perfecta para una
secuencia de 17 a 20 bases es de 99% para el genoma humano
(aproximadamente 3.000 millones de bases).
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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Sin embargo, la hibridación cruzada de un
cebador a diversas regiones del genoma resulta menos problemática
de lo esperado a partir de la digestión aleatoria de ADN utilizada
para formar los ácidos nucleicos molde. Las regiones de hibridación
cruzada (CHRs) son bastante benignas. En primer lugar, es improbable
que una CHR pueda competir con éxito con el apareamiento perfecto
entre los cebadores de PCR en solución y el molde. Además,
cualquier cebador que incluya apareamientos incorrectos en el
extremo 3' presentará una desventaja competitiva significativa.
Incluso en el caso de que una CHR ganase en competición al cebador
de PCR deseado, produciría un producto de PCR truncado, sin sitio
cadena abajo para el cebador de secuenciación. En el caso de que el
producto truncado pudiese transportarse hasta la perla de captura e
inmovilizarse, podrían resultar dos situaciones. En el caso de que
la CHR ganase en competencia al cebador en fase solución, el
producto inmovilizado no presentaría un sitio de unión de cebador
de secuenciación y resultaría en un pocillo vacío en la placa
PicoTiter (PTP). En el caso de que la CHR ganase en competencia con
el cebador unido a perla, el cebador de secuenciación todavía se
encontraría presente y el único efecto sería una inserción más
corta. Ninguno de estos resultados comprometería indebidamente la
calidad de la secuenciación. Dada la gran cantidad de material
genómico utilizado en el procedimiento de preparación de muestras
(en la actualidad 25 \mug, que contiene 5,29x10^{16} copias del
genoma adenovírico de 35 Kb), puede utilizarse el sobremuestreo
para proporcionar fragmentos que no presentan la CHR completa,
permitiendo la amplificación por PCR estándar de la región en
cuestión.
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Tras la amplificación del ácido nucleico molde y
la unión de copias de amplificación a la perla, se "rompió" la
emulsión (también denominada "demulsificación" en la técnica).
Existen muchos métodos para romper una emulsión (ver, por ejemplo,
la patente US No. 5.989.892 y referencias citadas en la misma) y un
experto en la materia sería capaz de seleccionar un método
apropiado. En la presente invención, un método preferente para
romper la emulsión utiliza aceite adicional para provocar que la
emulsión se separe en dos fases. A continuación, se elimina la fase
aceite y se añade un solvente orgánico adecuado (por ejemplo
hexanos). Tras la mezcla, se elimina la fase de aceite/solvente
orgánico. Esta etapa puede repetirse varias veces. Finalmente, se
eliminan las capas acuosas en la parte superior de las perlas.
Seguidamente las perlas se lavan con una mezcla de un solvente
orgánico y tampón de hibridación (por ejemplo, se describe en los
ejemplos un tampón de hibridación adecuado) y después se lavan
nuevamente en tampón de hibridación. Entre los solventes orgánicos
adecuados se incluyen alcoholes tales como metanol, etanol y
similares.
Las perlas unidas a productos de amplificación
seguidamente pueden resuspenderse en solución acuosa para la
utilización, por ejemplo, en una reacción de secuenciación según
tecnologías conocidas (ver Sanger F. et al., Proc. Natl.
Acad. Sci. U.S.A. 75:5463-5467, (1977); Maxam A.M. y
Gilbert W., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74:560-564,
(1977); Ronaghi M. et al., Science
281:363-365, (1998); Lysov I. et al., Dok.
Akad. Nauk. SSSR 303:1508-1511, (1988); Bains W. y
Smith G.C., J. Theor. Biol. 135:303-307, (1988);
Drnanac R. et al., Genomics 4:114-128,
(1989); Khrapko K.R. et al., FEBS Lett.
256:118-122, (1989); Pevzner P.A., J. Biomol.
Struct. Dyn. 7:63-73, (1989); Southern E.M. et
al., Genomics 13:1008-1017, (1992)).
En el caso de que las perlas deban utilizarse en
una reacción de secuenciación (descrita, por ejemplo, en las
patentes US Nos. 6.274.30, 6.258.568 y 6.210.891, e incorporadas
in toto en la presente memoria como referencia), resulta
necesario eliminar la segunda cadena del producto de PCR e hibridar
un cebador de secuenciación al molde monocatenario que se encuentra
unido a la perla. La segunda cadena puede disociarse utilizando
cualquiera de entre varios métodos comúnmente conocidos, tales como
la adición de NaOH, la aplicación de una fuerza iónica reducida
(por ejemplo sal), la degradación enzimática o el desplazamiento de
la segunda cadena, o el procesamiento térmico. Tras esta etapa de
eliminación de la cadena, las perlas se peletizan y se descarta el
sobrenadante. Las perlas se resuspenden en un tampón de hibridación
y se añade un cebador de secuenciación u otro cebador no de
amplificación. El cebador se hibrida al producto de amplificación
monocatenario. Esto puede llevarse a cabo mediante la utilización
de un tampón de hibridación y condiciones de temperatura apropiados,
por ejemplo según procedimientos estándares de la técnica.
En este punto, el ácido nucleico amplificado en
la perla puede secuenciarse directamente en la perla o en un
recipiente de reacción diferente. En una realización de la presente
invención, el ácido nucleico se secuencia directamente en la perla
mediante la transferencia de la perla a un recipiente de reacción y
sometiendo el ácido nucleico a una reacción de secuenciación (por
ejemplo la secuenciación de pirofosfato o la secuenciación de
Sanger). Alternativamente, las perlas pueden aislarse y el ácido
nucleico puede separarse de cada perla y secuenciarse. En
cualquiera de los dos casos, las etapas de secuenciación pueden
llevarse a cabo en cada perla individual. Sin embargo, este método,
aunque comercialmente viable y técnicamente factible, podría no ser
el más efectivo debido a que muchas de las perlas serán perlas
"negativas" (es decir, perlas sin ácido nucleico amplificado
ligado a las mismas). En estos casos, pueden utilizarse el
procedimiento opcional indicado de manera general posteriormente,
con el fin de eliminar las perlas negativas antes de la distribución
en las placas multipocillo (por ejemplo en placas PicoTiter).
Un porcentaje elevado de las perlas puede ser
negativo en el caso de que el objeto sea minimizar el número de
perlas que se asocian a dos o más especies diferentes de ácidos
nucleicos de molde. Para una secuenciación de pirofosfato óptima,
cada perla debería contener múltiples copias de una única especie de
ácido nucleico. Esto puede llevarse a cabo mediante la maximización
del número total de perlas en combinación con un único fragmento de
ácido nucleico antes de la amplificación. Por ejemplo, puede
utilizarse el modelo matemático siguiente.
Para el caso general de un número N de ADNs
distribuido aleatoriamente con M número de perlas, la población
relativa de perlas asociada a cualquier número de ADNs depende de la
proporción N/M. La fracción de perlas asociada a N ADNs,
R(N), puede calcularse utilizando la distribución de
Poisson:
R(N) =
exp-(N/M) x
(N/M)^{N}/N!
en la que x es el símbolo de
multiplicación.
La Tabla 2, a continuación, muestra algunos
valores calculados para diversos N/M (la proporción media de
fragmento de ADN a perla) y N (el número de fragmentos asociados a
una perla).
En la Tabla 2, la fila superior muestra las
diversas proporciones de N/M. R(0) indica la fracción de
perlas sin ADN, R (1) indica la fracción de perlas con un ADN (antes
de la amplificación) y R(N>1) indica la fracción de ADN
con más de un ADN (antes de la amplificación).
La Tabla 2 indica que la fracción máxima de
perlas asociada a un único fragmento de ADN es 0,37 (37%) y esto
ocurre a una proporción de fragmento a perla de uno a uno. En esta
mezcla, aproximadamente 63% de las perlas no puede utilizarse para
la secuenciación debido a que no se encuentran asociadas a ADN o se
encuentran asociadas a más de una especie de ADN. Sin embargo, el
control de la proporción de fragmento a perla requiere cálculos
complejos, y la variabilidad produce lotes de perlas con una
fracción significativamente menor de perlas utilizables.
Esta ineficiencia puede mejorarse
significativamente separando las perlas que contienen amplicón
(originado de la asociación con por lo menos un fragmento) de
aquéllas sin amplicón (originadas de perlas sin fragmentos
asociados). Se define "amplicón" como cualquier molécula de
ácidos nucleicos producida mediante una técnica in vitro de
amplificación de ácidos nucleicos. Para incrementar la eficiencia,
puede llevarse a cabo la unión utilizando proporciones bajas de
fragmento a perla (N/M < 1). Esto minimiza el número de perlas
asociado a más de un ADN. Puede utilizarse una etapa de separación
para eliminar la mayor parte o la totalidad de las perlas sin ADN,
dejando una población enriquecida de perlas con una o más especies
de ADN amplificado. Esta población enriquecida puede analizarse
mediante cualquier método de secuenciación, tal como, por ejemplo,
la secuenciación de pirofosfato. Debido a que la fracción de perlas
con un amplicón (N = 1) se encuentra enriquecida, puede aplicarse
cualquier método de secuenciación más eficientemente.
A título de ejemplo, con una proporción media de
fragmento a perla de 0,1, el 90% de las perlas no portará amplicón,
el 9% de las perlas portará un amplicón y el 0,5% de las perlas
portará más de un amplicón. El enriquecimiento descrito
posteriormente en la presente memoria eliminará el 90% de las perlas
sin amplicón, dejando una población de perlas en la que la fracción
disponible para la secuenciación (N = 1) es igual a:
1 -
(0,005/0,09) =
94%
La dilución de la mezcla de fragmento a perla,
conjuntamente con la separación de las perlas que contienen
amplicón puede proporcionar un enriquecimiento de 2,5 veces sobre el
método no enriquecido óptimo. Por ejemplo, 94%/37% (ver la Tabla 2,
anteriormente, N/M = 1) = 2,5. Un beneficio adicional del
procedimiento de enriquecimiento descrito posteriormente en la
presente memoria es que la fracción última de perlas útil para la
secuenciación es relativamente insensible a la variabilidad de N/M.
De esta manera, los complejos cálculos para derivar la proporción
N/M óptima resultan innecesarios o pueden llevarse a cabo con
niveles más bajos de precisión. De acuerdo con lo anteriormente
expuesto, los métodos de la invención pueden adaptarse fácilmente
para la utilización por personal menos formado o para la
automatización. Un beneficio adicional de estos métodos es que las
perlas sin amplicón pueden reciclarse y reutilizarse. Aunque el
reciclado no resulta necesario, puede reducir el coste o el volumen
total de reactivos, de manera que el método de la invención resulte
más adecuado para algunos fines tales como, por ejemplo, el
muestreo portátil, el muestreo robótico a distancia y similar.
Además, los beneficios colectivos de los métodos dados a conocer
(por ejemplo la adaptación para personal menos formado, la
automatización y el reciclado de reactivos) reducirán el coste de
los métodos. El procedimiento de enriquecimiento se describe en más
detalle posteriormente.
El procedimiento de enriquecimiento puede
utilizarse para tratar perlas que han sido amplificadas en el
método de emulsión de perlas descrito anteriormente. La
amplificación se diseña de manera que cada molécula de ácidos
nucleicos amplificada contenga la misma secuencia en su extremo 3'.
La secuencia de nucleótidos puede ser un 20-mero,
aunque puede ser cualquier secuencia de 15 bases o más, tal como 25
bases, 30 bases, 35 bases, 40 bases o más larga. Aunque los
extremos de oligonucleótidos más largos son funcionales, no resultan
necesarios. Un experto en la materia será capaz de introducir dicha
secuencia 3' en el extremo de un ácido nucleico amplificado. Por
ejemplo, en el caso de que se utilice PCR para la amplificación de
un ADN molde, la secuencia puede incluirse como parte de un miembro
de la pareja de cebadores de PCR.
En la figura 3 se ilustra un esquema del
procedimiento de enriquecimiento. En este procedimiento, se mezcló
la perla ligada a amplicón con cuatro perlas vacías para crear una
mezcla de perlas de amplificación diluida en fragmentos. En la
etapa 1, se hibridó con el amplicón un cebador biotinilado
complementario al extremo 3' del amplicón. En la etapa 2, se añadió
ADN polimerasa y los cuatro desoxinucleótidos trifosfato (dNTPs)
naturales a la mezcla de perlas y se extendió el cebador
biotinilado. Esta extensión sirve para fortalecer la unión entre el
cebador biotinilado y el ADN unido a perla. Esta etapa puede
omitirse en el caso de que el enlace cebador
biotinilado-ADN sea fuerte (por ejemplo en un
ambiente altamente iónico). En la etapa 3, se introducen perlas
recubiertas de estreptavidina susceptibles de atracción por un campo
magnético (denominadas en la presente memoria "perlas magnéticas
recubiertas de estreptavidina") en las mezclas de perlas. Las
perlas magnéticas se encuentran disponibles comercialmente, por
ejemplo de Dynal (M290). Los grupos de captura de estreptavidina se
unen a grupos biotina hibridados a los amplicones, uniendo de esta
manera las perlas unidas a amplicón a las perlas magnéticas
recubiertas de estreptavidina.
En la etapa 5, se aplicó un campo magnético
(representado por un imán) en un área próxima a la mezcla de
reacción, provocando que los complejos de perlas magnéticas
recubiertas de estreptavidina/perlas unidas a amplicón se
posicionasen a lo largo de la pared del tubo más próxima al campo
magnético. Las perlas magnéticas sin unión de perlas con amplicón
también se esperaba que se posicionasen a lo largo del mismo lado.
Las perlas sin amplicones permanecen en solución. Se lavó la mezcla
de perlas y las perlas no unidas al imán (es decir, las perlas
vacías) se separaron y se descartaron. En la etapa 6, la cadena
extendida por el cebador biotinilado se separó de la cadena de
amplicón mediante "disociación". Esta etapa puede llevarse a
cabo, por ejemplo con calor o mediante una modificación del pH. El
calor puede ser 60ºC bajo condiciones de baja salinidad (por
ejemplo en un ambiente poco iónico, tal como 0,1xSSC). La
modificación del pH puede llevarse a cabo mediante la adición de
NaOH. A continuación, la mezcla se lava y el sobrenadante que
contiene las perlas unidas a amplicón se recupera, mientras que las
perlas magnéticas resultan retenidas por un campo magnético. Las
perlas enriquecidas resultantes pueden utilizarse para la
secuenciación del ADN. Se indica que el cebador en la perla de
captura de ADN puede ser el mismo que el cebador de la etapa 2,
anteriormente. En este caso, la hibridación de las cadenas
complementarias de amplicón-cebador (con o sin
extensión) es el origen de la afinidad de captura de la diana.
La pareja de
biotina-estreptavidina podría sustituirse por una
diversidad de parejas de capturadiana. Por ejemplo, las parejas de
captura-diana pueden utilizar enlaces reversibles
(por ejemplo cortables) o irreversibles. Entre los ejemplos no
limitantes de enlaces reversibles se incluyen
tiol-tiol,
digoxigenina/anti-digoxigenina y enlaces utilizando
VECTREX® avidina DLA (Vector Laboratories, Burlingame, CA),
CaptAvidin^{TM}, NeutrAvidin^{TM} y
D-destiobiotina (Molecular Probes Inc., Eugene,
OR).
Tal como se ha descrito anteriormente, la etapa
2 del procedimiento de enriquecimiento es opcional. En el caso de
que se omita la etapa 2, podría no resultar necesario separar las
perlas magnéticas de las perlas con amplicón ligado. Las perlas con
amplicón ligado, con las perlas magnéticas unidas, pueden utilizarse
directamente para la secuenciación. Por ejemplo, la separación
puede no resultar necesaria en el caso de que la secuenciación se
lleve a cabo en una placa de microtitulación o en una placa
PicoTiter y el complejo de perla con amplicón
ligado-perla magnética quepa en el interior del
pocillo de la placa.
Aunque la utilización de perlas de captura
magnéticas resulta conveniente, los grupos de captura pueden
comprender otras superficies ligantes. Pro ejemplo, puede unirse
químicamente estreptavidina a una superficie, tal como la
superficie interior de un tubo. En este caso, la mezcla de perlas
amplificadas puede hacerse fluir a través del tubo. Las perlas con
amplicón ligado tenderán a resultar retenidas hasta la
"disociación" mientras que las perlas vacías fluirán a través
del tubo. Esta disposición puede resultar particularmente ventajosa
para la automatización del procedimiento de preparación de
perlas.
Aunque las realizaciones descritas anteriormente
resultan particularmente útiles, pueden contemplarse otros métodos
para separar perlas. Por ejemplo, las perlas de captura pueden
marcarse con un grupo fluorescente que provocaría que el complejo
de perla de captura de diana fuese fluorescente. El complejo de
perla de captura de diana puede separarse mediante citometría de
flujo o con un separador celular de fluorescencia. La utilización
de perlas de captura de gran tamaño permitiría la separación
mediante filtración u otras técnicas de separación basadas en el
tamaño de partícula. Debido a que las perlas tanto de captura como
con diana son capaces de formar complejos con varias perlas,
resulta posible aglutinar una masa de perlas de captura de diana
entrecruzadas. El gran tamaño de la masa aglutinada permitiría la
separación mediante el simple lavado de las perlas vacías no
aglutinadas. Los métodos descritos se describen en mayor detalle en,
por ejemplo, Bauer J., J. Chromatography B,
722:55-69, (1999), y en Brody et al., Applied
Physics Lett. 74:144-146, (1999).
En una realización, la invención comprende un
método para amplificar uno o más ácidos nucleicos, que comprende
las etapas siguientes: a) formar una emulsión de agua en aceite para
crear una pluralidad de microrreactores acuosos, en la que por lo
menos uno de los microrreactores comprende un único ácido nucleico
molde, una única perla capaz de unirse al ácido nucleico, y solución
de reacción de amplificación que contiene los reactivos necesarios
para llevar a cabo la amplificación de ácidos nucleicos, b)
amplificar los ácidos nucleicos en los microrreactores para formar
copias amplificadas de los ácidos nucleicos, y c) unir las copias
amplificadas a las perlas en los microrreactores, y tal como se
define adicionalmente en la reivindicación 1.
La solución de reacción de amplificación
utilizada con este método puede ser una solución de reacción en
cadena de polimerasa que comprende nucleótidos trifosfato, una
polimerasa termoestable, y ácidos nucleicos cebadores suspendidos
en un tampón compatible con condiciones de reacción en cadena de
polimerasa. La reacción en cadena de polimerasa puede ser una
reacción en cadena de polimerasa asimétrica o una reacción en cadena
de polimerasa simétrica. A título de ejemplo, la amplificación
puede llevarse a cabo mediante amplificación basada en la
transcripción, la amplificación rápida de extremos de ADNc, la
amplificación en flujo continuo o la amplificación de
círculo
rodante.
rodante.
Para la utilización con este método, una mayoría
de los microrreactores puede incluir un único ácido nucleico. El
método puede ponerse en práctica con por lo menos 10.000 ácidos
nucleicos, o con por lo menos 50.000 ácidos nucleicos. Cada perla
utilizada con el método puede utilizarse para capturar más de 10.000
copias de amplificación de un ácido nucleico molde. En diversas
realizaciones, la emulsión contiene además estabilizantes de
emulsión. Los estabilizantes de emulsión pueden ser Atlox 4912, Span
80 o combinaciones o mezclas de los mismos. La emulsión puede ser
estable frente al calor, por ejemplo a 95ºC, y puede formarse
mediante la adición gota a gota a un aceite de los ácidos nucleicos
molde, perlas y la solución de reacción de amplificación. Los
microrreactores pueden presentar un tamaño medio de entre 50 y 250
\mum de diámetro.
La invención también comprende un método para
amplificar un ácido nucleico, que comprende las etapas siguientes:
a) proporcionar un ácido nucleico molde que debe amplificarse, b)
proporcionar un material de soporte sólido que comprende una perla
generalmente esférica que presenta un diámetro de entre
aproximadamente 10 y aproximadamente 80 \mum, en donde la perla
es capaz de unirse al ácido nucleico molde, c) mezclar el ácido
nucleico molde y la perla en una solución de reacción de
amplificación que contiene los reactivos necesarios para llevar a
cabo una reacción de amplificación de ácidos nucleicos en una
emulsión de agua en aceite, d) amplificar el ácido nucleico molde
para formar copias amplificadas del ácido nucleico molde, y e) unir
las copias amplificadas a la perla, y tal como se define
adicionalmente en la reivindicación 14.
Opcionalmente, el método puede incluir una etapa
de enriquecimiento para aislar perlas que se unan a copias
amplificadas del ácido nucleico separándolas de perlas a las que no
se ha unido ácido nucleico. Esta etapa de enriquecimiento puede
llevarse a cabo mediante electroforesis, separación celular o
purificación de afinidad (por ejemplo con perlas magnéticas que se
ligan ácido nucleico). Preferentemente, por lo menos 100.000 copias
de cada molécula de ácido nucleico diana se unen a cada perla, por
lo menos 1.000.000 copias de cada molécula de ácido nucleico diana
se unen a cada perla, o por lo menos 1 a 20.000.000 copias de cada
molécula de ácido nucleico diana se unen a cada perla. En diversos
aspectos, las perlas son perlas de sefarosa y las copias
amplificadas se unen a las perlas mediante una pareja de unión, tal
como antígeno/anticuerpo, ligando/receptor, polihistidina/níquel o
avidina/biotina. El método también puede incluir las etapas
siguientes: f) separar las perlas que portan molde y perla
magnética, y g) eliminar las perlas magnéticas utilizando un campo
magnético. Esta separación puede conseguirse mediante incubación a
una temperatura superior a 45ºC o mediante incubación de las perlas
portadoras de molde y las perlas magnéticas en una solución con un
pH básico.
La invención comprende además un kit para llevar
a cabo la amplificación de ácidos nucleicos de un ácido nucleico
molde que comprende: a) una perla de captura de ácidos nucleicos, b)
un aceite de emulsión, c) uno o más estabilizantes de emulsión, y
d) instrucciones para utilizar el kit según los métodos
proporcionados en las reivindicaciones 1 a 14 adjuntas.
Además, la invención comprende un método para
producir una población clonal de ácidos nucleicos, que comprende:
a) proporcionar una pluralidad de ácidos nucleicos molde de longitud
comprendida entre 50 y 800 pb y perlas capaces de unirse a los
ácidos nucleicos molde, b) mezclar los ácidos nucleicos molde y las
perlas en una solución de reacción biológica que contiene reactivos
necesarios para amplificar los ácidos nucleicos molde, y c) formar
una emulsión para crear una pluralidad de microrreactores que
comprenden los ácidos nucleicos molde, perlas y solución de
reacción biológica, en donde por lo menos uno de los microrreactores
comprende un único ácido nucleico molde y una única perla
encapsulada en la solución de reacción biológica, en donde los
microrreactores se encuentran contenidos en el mismo recipiente, y
tal como se define adicionalmente en la reivindicación 24.
Según este método, los ácidos nucleicos pueden
transcribirse y traducirse para generar por lo menos 10.000 copias
de un producto de expresión. El producto de expresión puede unirse a
las perlas mediante una pareja de unión seleccionada de entre el
grupo que consiste de parejas de unión antígeno/anticuerpo,
ligando/receptor, 6Xhis/níquel-ácido nitrilotriacético y etiqueta
FLAG/anticuerpo FLAG. En determinados aspectos, el método produce
una población clonal de proteínas, tales como anticuerpos,
fragmentos de anticuerpo y anticuerpos manipulados. La emulsión
puede comprender una pluralidad de microrreactores termoestables, en
la que los microrreactores presentan un diámetro de entre 50 y 200
\mum y comprende una solución de reacción biológica. La solución
de reacción biológica puede comprende reactivos para llevar a cabo
reacciones de amplificación mediante reacción en cadena de
polimerasa o reacciones acopladas de transcripción y traducción.
Preferentemente, una pluralidad de microrreactores comprende un
ácido nucleico molde, por ejemplo uno o menos ácidos nucleicos
molde, y uno o menos perlas que se unen a los ácidos nucleicos
molde.
\vskip1.000000\baselineskip
Los procedimientos siguientes, incluyendo la
captura del ADN molde, la amplificación del ADN, y la recuperación
de las perlas unidas al molde amplificado, pueden llevarse a cabo en
un único tubo. El formato de emulsión garantiza la separación
física de las perlas en "microrreactores" de entre 100 y 200
\mum dentro de este único tubo, permitiendo de esta manera la
amplificación clonal de los diversos moldes. La inmovilización del
producto de amplificación se lleva a cabo mediante la extensión del
molde a lo largo de los oligonucleótidos unidos a las perlas de
captura de ADN. Típicamente, el numero de copia del molde
inmovilizado se encuentra comprendido entre 10 y 30 millones de
copias por perla. Las perlas de captura de ADN con fijación de
múltiples copias de una única especie de ácido nucleico molde se
encuentran listas para la distribución en PTPs.
Los 300.000 pocillos de 75 picolitros grabados
en la superficie de la PTP proporcionan una matriz única para la
secuenciación de ADNs molde cortos de una manera masivamente
paralela, eficiente y económica. Sin embargo, ello requiere
cantidades bastante grandes (millones de copias) de moldes clonales
en cada pocillo de reacción. Los métodos de la invención permiten
al usuario amplificar clonalmente especies de molde genómico
monocatenarias mediante reacciones de PCR llevadas a cabo en tubos
estándares o en placas de microtitulación. Pueden mezclar copias
únicas de las especies de molde con perlas de captura, resuspenderse
en solución de amplificación por PCR completa y emulsionarse en
microrreactores (de entre 100 y 200 \mum de diámetro), después de
lo cual la amplificación por PCR genera una amplificación de
10^{7} veces de la especie de molde inicial. Este procedimiento
resulto mucho más simple y más económico que los métodos
anteriores.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
El presente ejemplo describe la preparación de
una población de perlas que preferentemente presenta únicamente un
ácido nucleico molde unido a las mismas. La amplificación clonal con
éxito depende de la administración de un número controlado de
especies molde (0,5 a 1) en cada perla. La administración de un
exceso de especies puede resultar en la amplificación por PCR de
una población mixta de moldes, evitando la generación de datos de
secuencia con sentido, mientras que una deficiencia de especies
resultará en que menos pocillos contendrán molde para la
secuenciación. Esto puede reducir el grado de cobertura del genoma
proporcionado por la etapa de secuenciación. En consecuencia,
resulta preferente que se determine con exactitud la concentración
de molde mediante cuantificación replicada y que se siga el
protocolo de unión tal como se describe de manera general
posteriormente.
\vskip1.000000\baselineskip
El éxito de la reacción de PCR en emulsión se
relaciona con la calidad de las especies de molde. Con
independencia del cuidado y atención prestados a la etapa de
amplificación, los moldes de mala calidad impedirán la
amplificación exitosa y la generación de datos de secuencia con
sentido. Para evitar la pérdida innecesaria de tiempo y dinero,
resulta importante comprobar la calidad del material de molde antes
de iniciar la tapa de PCR en emulsión del procedimiento.
Preferentemente, la biblioteca debe pasar dos etapas de control de
calidad antes de que se utilice en la PCR en emulsión. Debería
determinarse su concentración y la distribución de los productos
que contiene. Idealmente, la biblioteca debería ser una población
heterogénea de fragmentos con pocos o ningún dímero (por ejemplo
\sim90 bases) adaptador visible. Además, la amplificación con
cebadores de PCR debería resultar en una extensión del producto
comprendida entre, por ejemplo, 300 y 500 pb. La ausencia de
producto de amplificación podría reflejar la incapacidad de ligar
correctamente los adaptadores al molde, mientras que la presencia
de una única banda de cualquier tamaño podría reflejar la
contaminación del molde.
\vskip1.000000\baselineskip
La consideración principal en esta etapa es
evitar la contaminación de la mezcla de reacción de PCR con
amplicones dispersos. La contaminación de las reacciones de PCR con
un amplicón residual es una de las cuestiones críticas que pueden
provocar el fracaso de una secuenciación. Para reducir la
posibilidad de contaminación, deberían seguirse prácticas adecuadas
en el laboratorio y la preparación de la mezcla de reacción debería
llevarse a cabo en una sala limpia en una campana de flujo laminar
tratada por UV.
\vskip1.000000\baselineskip
Para 200 \mul de mezcla de reacción de PCR
(suficiente para amplificar 600.000 perlas), se combinaron los
reactivos siguientes en un tubo de PCR de 0,2 ml:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El tubo se agitó con vórtex intensamente y se
almacenó en hielo hasta la hibridación de las perlas con molde.
- 1.
- Se transfirieron 600.000 perlas de captura de ADN desde el tubo de solución madre hasta un tubo de microcentrifugación de 1,5 ml. La cantidad exacta utilizada dependía de la concentración en perlas de reactivo formalizado.
- 2.
- Las perlas se peletizaron en una minicentrífuga de laboratorio y se separó el sobrenadante.
- 3.
- Se llevaron a cabo las etapas 4 a 11 en una sala limpia de PCR.
- 4.
- Las perlas se lavaron con 1 ml de tampón de hibridación 1X.
- 5.
- Las perlas de captura se peletizaron en la microcentrífuga. El tubo se giró 180º y se centrifugó nuevamente.
- 6.
- La totalidad excepto 10 \mul del sobrenadante se extrajeron del tubo que contenía las perlas. Las perlas no resultaron perturbadas.
- 7.
- Se añadió 1 ml de tampón de hibridación 1X y esta mezcla se incubó durante 1 minuto. A continuación, las perlas se peletizaron tal como en la etapa 5.
- 8.
- Se extrajo del tubo la totalidad del material excepto aproximadamente 100 \mul.
- 9.
- Las perlas restantes y la solución se transfirieron a un tubo de PCR.
- 10.
- El tubo de 1,5 ml se lavó con 150 \mul de tampón de hibridación 1X mediante pipeteado varias veces. Se añadió lo anterior al tubo de PCR que contenía las perlas.
- 11.
- Las perlas se peletizaron tal como en la etapa 5 y se extrajo la totalidad excepto 10 \mul de sobrenadante, procurando no perturbar el pellet de perlas.
- 12.
- Se extrajo una alícuota de ADN molde monocatenario cuantificado (ADNsst). La concentración final era de 200.000 moléculas de ADNsst/\mul.
- 13.
- Se añadieron 3 \mul del ADNsst diluido al tubo de PCR que contenía las perlas. Esto era equivalente a 600.000 copias de ADNsst.
- 14.
- El tubo se agitó con vórtex suavemente para mezclar el contenido.
- 15.
- El ADNsst se hibridó a las perlas de captura en un termociclador de PCR con el programa 80Anneal almacenado en la carpeta EPCR del termociclador MJ, utilizando el protocolo siguiente:
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- En la mayoría de casos, las perlas se utilizaron para la amplificación inmediatamente después de la unión de molde. En el caso de que las perlas no se utilizaran inmediatamente, deberían almacenarse en la solución de molde a 4ºC hasta necesitarlas. Tras el almacenamiento, las perlas se trataron de la manera siguiente.
- 16.
- Tal como en la etapa 6, las perlas se extrajeron del termociclador, se centrifugaron y se extrajo el tampón de hibridación sin perturbar las perlas.
- 17.
- Las perlas se almacenaron en un cubo de hielo hasta la emulsificación (Ejemplo 2).
- 18.
- Las perlas de captura incluían, de media, 0,5 a 1 copias de ADNsst unido a cada perla, y se encontraban listas para la emulsificación.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
2
El presente ejemplo describe cómo crear una
emulsión de agua en aceite termoestable que contiene aproximadamente
3.000 microrreactores de PCR por microlitro. A continuación se
describe de manera general un protocolo para la preparación de la
emulsión.
- 1.
- Se añadieron 200 \mul de solución de PCR a las 600.000 perlas (ambos componentes del Ejemplo 1).
- 2.
- La solución se pipeteó varias veces para resuspender las perlas.
- 3.
- Se dejó incubar la mezcla de perlas para PCR a temperatura ambiente durante 2 minutos para equilibrar las perlas con la solución de PCR.
- 4.
- Se añadieron 400 \mul de aceite de emulsión a un tubo de microcentrífuga de 2 ml irradiado con UV.
- 5.
- Se añadió una barra de agitación magnética de 1/4'' "libre de amplicones" al tubo de aceite de emulsión.
- Se preparó una barra de agitación libre de amplicones de la manera siguiente. Se utilizó una barra de agitación grande para sostener una barra de agitación de 1/4''. A continuación, la barra de agitación se:
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- 6.
- Se extrajo la inserción magnética de un soporte de tubos Dynal MPC-S. El tubo de aceite de emulsión se acopló al soporte para tubos. El tubo se fijó en el centro de una placa de agitación con el dial a 600 rpm.
- 7.
- El tubo se agitó con vórtex intensamente para resuspender las perlas. Esto garantizó que se producía una agregación mínima de las perlas.
- 8.
- Utilizando una pipeta P-200, se añadió gota a gota la mezcla de perlas para PCR al aceite bajo agitación a una tasa de aproximadamente una gota cada 2 segundos, permitiendo que cada gota bajase hasta el nivel de la barra de agitación magnética y se emulsificase antes de añadir la gota siguiente. La solución se convirtió en un líquido blanco lechoso homogéneo con una viscosidad similar a la mayonesa.
- 9.
- Tras la adición de la mezcla de perlas para PCR entera, se dieron unos cuantos golpecitos al tubo de microcentrífuga para mezclar cualquier aceite en la superficie de la emulsión lechosa.
- 10.
- Se continuó con la agitación durante 5 minutos más.
- 11.
- Se repitieron las etapas 9 y 10.
- 12.
- Se extrajo la barra de agitación del material emulsificado extrayéndolo del tubo con una barra de agitación más grande.
- 13.
- Se extrajeron 10 \mul de la emulsión y se situaron sobre un portaobjetos de microscopía. Se cubrió la emulsión con un cubreobjetos y se inspeccionó la emulsión a una magnificación de 50X (ocular de 10X y lente objetivo de 5X). Se esperaba que una "buena" emulsión incluyese principalmente perlas individuales en gotas aisladas (microrreactores) de solución de PCR en aceite.
- 14.
- Se preparó una mezcla de aceite en emulsión adecuada con estabilizantes de emulsión, de la manera siguiente. Los componentes de la mezcla en emulsión se muestran en la Tabla 4.
\vskip1.000000\baselineskip
La mezcla de aceite en emulsión se preparó
mediante precalentamiento de Atlox 4912 a 60ºC en un baño de agua.
A continuación, se añadieron 4,5 gramos de Span 80 a 94,5 gramos de
aceite mineral para formar una mezcla. A continuación, se añadió a
la mezcla un gramo del Atlox 4912 precalentado. Las soluciones se
introdujeron en un recipiente cerrado y se mezclaron mediante
agitación e inversión. Cualquier indicio de que Atlox sedimentaba o
solidificaba se remedió mediante calentamiento de la mezcla a 60ºC,
seguido de agitación adicional.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
3
El presente ejemplo describe la amplificación
del ADN molde en la mezcla en emulsión de perlas. Según el presente
protocolo de la invención, la duración de la etapa de amplificación
del ADN del procedimiento es de entre 3 y 4 horas. Tras completar
la amplificación, la emulsión puede dejarse en el termociclador
durante 12 horas como máximo antes de iniciar el procedimiento de
aislamiento de las perlas. Se llevó a cabo el termociclado de PCR
introduciendo 50 a 100 \mul de la mezcla de reacción emulsificada
en cámaras de reacción PCR individuales (es decir, tubos para PCR).
Se llevó a cabo la PCR de la manera siguiente:
- 1.
- Se transfirió la emulsión en cantidades de entre 50 y 100 \mul a aproximadamente 10 tubos para PCR individuales o a una placa de 96 pocillos utilizando una única punta de pipeta. Para esta etapa, la emulsión de agua en aceite era altamente viscosa.
- 2.
- Se selló la placa, o se cerraron los tubos para PCR con los tapones, y los recipientes se introdujeron en un termociclador MJ con o sin adaptador de placa de 96 pocillos.
- 3.
- El termociclador de PCR se programó para que ejecutase el programa siguiente:
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- 4.
- Tras completar la reacción de PCR, el material amplificado se extrajo con el fin de llevar a cabo la rotura de la emulsión y la recuperación de las perlas.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
4
El presente ejemplo describe cómo romper la
emulsión y recuperar las perlas con molde amplificado sobre las
mismas. Preferentemente, la emulsión posterior a la PCR debe seguir
intacta. La fase inferior de la emulsión debería, según la
inspección visual, seguir siendo una suspensión blanca lechosa. En
el caso de que la solución se transparente, la emulsión podría
haberse resuelto parcialmente en sus fase acuosas y aceitosa, y
probablemente muchas de las perlas presentarán una mezcla de moldes.
En el caso de que la emulsión se haya roto en uno o dos de los
tubos, estas muestras no deberían agruparse con las demás. En el
caso de que la emulsión se haya roto en todos los tubos, no debería
continuarse el procedimiento.
- 1.
- Todas las reacciones de PCR a partir de la muestra original de 600 \mul se agruparon en un único tubo de microcentrifugación de 1,5 ml utilizando una única punta de pipeta. Tal como se ha indicado anteriormente, la emulsión era bastante viscosa. En algunos casos, se repitió el pipeteado varias veces para cada tubo. Se transfirió la máxima cantidad posible de material al tubo de 1,5 ml.
\newpage
- 2.
- El material emulsificado restante se recuperó de cada tubo para PCR mediante la adición de 50 \mul de aceite mineral Sigma en cada muestra. Utilizando una única punta de pipeta, se mezcló cada tubo mediante pipeteado varias veces para resuspender el material restante.
- 3.
- Este material se añadió al tubo de 1,5 ml que contenía la mayor parte del material emulsificado.
- 4.
- La muestra se agitó con vórtex durante 30 segundos.
- 5.
- La muestra se agitó durante 20 minutos en el tubo de microcentrífuga de laboratorio a 13,2 Krpm en la microcentrífuga Eppendorf.
- 6.
- La emulsión se separó en dos fases con una gran interfase blanca. Se extrajo la máxima cantidad posible de la fase superior de aceite transparente. El material turbio se dejó en el tubo. Con frecuencia, una capa blanca separaba las capas aceitosa y acuosa. Con frecuencia se observaron perlas peletizadas en el fondo del tubo.
- 7.
- Se eliminó la capa acuosa en la parte superior de las perlas y se guardó para su análisis (análisis en gel, Agilent 2100, y Taqman). En el caso de que persistiese una interfase de material blanco en la parte superior de la capa acuosa, se extraían 20 microlitros de la capa acuosa subyacente. Esto se llevó a cabo atravesando el material de la interfase con una punta de pipeta y succionando la solución de la parte inferior.
- 8.
- En la campana de humos de la sala de fabricación de PTP y de química superficial, se añadió 1 ml de hexanos al resto de la emulsión.
- 9.
- La muestra se agitó con vórtex durante 1 minuto y se centrifugó a velocidad máxima durante 1 minuto.
- 10.
- En la campana de humos de la sala de fabricación de PTP y química superficial, se extrajo la fase superior de aceite/hexano y se introdujo en el recipiente para residuos orgánicos.
- 11.
- Se añadió 1 ml de tampón de hibridación 1X en etanol al 80% a la fase acuosa restante, interfase y perlas.
- 12.
- La muestra se agitó con vórtex durante 1 minuto o hasta la disolución de la sustancia blanca.
- 13.
- La muestra se centrifugó durante 1 minuto a alta velocidad. El tubo se hizo girar 180 grados y se centrifugó nuevamente durante 1 minuto. Se extrajo el sobrenadante sin perturbar el pellet de perlas.
- 14.
- Las perlas se lavaron con 1 ml de tampón de hibridación 1X que contenía Tween-20 al 0,1% y se repitió esta etapa.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
5
En el caso de que las perlas deban utilizarse en
una reacción de secuenciación basada en pirofosfato, resulta
necesario eliminar la segunda cadena del producto de PCR e hibridar
un cebador de secuenciación al molde de una sola cadena que se
encuentra unido a la perla. El presente ejemplo describe un
protocolo para llevar a cabo lo anterior.
- 1.
- Las perlas se lavaron con 1 ml de agua y se centrifugaron dos veces durante 1 minuto. El tubo se hizo girar 180º entre centrifugaciones. Tras la centrifugación, se eliminó la fase acuosa.
- 2.
- Las perlas se lavaron con 1 ml de EDTA 1 mM. El tubo se centrifugó tal como en la etapa 1 y se eliminó la fase acuosa.
- 3.
- Se añadió 1 ml de NaOH 0,125 M y se incubó la muestra durante 8 minutos.
- 4.
- La muestra se agitó con vórtex brevemente y se introdujo en una microcentrífuga.
- 5.
- Tras 6 minutos, las perlas se peletizaron tal como en la etapa 1 y se eliminó la máxima cantidad posible de solución.
- 6.
- Al completarse la incubación de 8 minutos con NaOH, se añadió 1 ml de tampón de hibridación 1X.
- 7.
- La muestra se agitó con vórtex brevemente, y las perlas se peletizaron tal como en la etapa 1. Se eliminó la máxima cantidad posible de sobrenadante y se añadió 1 ml adicional de tampón de hibridación 1X.
- 8.
- La muestra se agitó con vórtex brevemente, las perlas se peletizaron tal como en la etapa 1, y se extrajeron 800 \mul de tampón de hibridación 1X.
- 9.
- Las perlas se transfirieron a un tubo para PCR de 0,2 ml.
- 10.
- Las perlas se transfirieron y se eliminó la máxima cantidad posible de tampón de hibridación, sin perturbar las perlas.
- 11.
- Se añadieron 100 \mul de tampón de hibridación 1X.
- 12.
- Se añadieron 4 \mul de cebador de secuenciación 100 \muM. La muestra se agitó con vórtex inmediatamente antes de la hibridación.
- 13.
- La hibridación se llevó a cabo en un termociclador MH utilizando el programa "80Anneal".
- 14.
- Las perlas se lavaron tres veces con 200 \mul de tampón de hibridación 1X y se resuspendieron con 100 \mul de tampón de hibridación 1X.
- 15.
- Las perlas se contaron en un hemocitómetro Hausser. Típicamente se recuperaron entre 300.000 y 500.000 perlas (3.000 a 5.000 perlas/\mul).
- 16.
- Las perlas se almacenaron a 4ºC y podrían utilizarse para la secuenciación durante 1 semana.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
6
Las perlas se enriquecieron para perlas que
contienen amplicón utilizando el procedimiento siguiente. El
enriquecimiento no resulta necesario, pero podría utilizarse para
hacer más eficientes técnicas posteriores de biología molecular,
tales como la secuenciación de ADN.
Se añadieron cincuenta microlitros de cebador de
secuenciación-biotina 10 \muM (total: 500 pmoles)
a las perlas de sefarosa que contenía amplicones del Ejemplo 5. Las
perlas se introdujeron en un termociclador. El cebador fue
hibridado con el ADN en la perla por el programa de hibridación del
termociclador del Ejemplo 2.
Tras la hibridación, las perlas de sefarosa se
lavaron tres veces con tampón de hibridación que contenía
Tween-20 al 0,1%. Las perlas, que ahora contienen
fragmentos de ADNss hibridados con cebadores de
secuenciación-biotina, se concentraron mediante
centrifugación y se resuspendieron en 200 \mul de tampón de unión
BST. Se añadieron 10 microlitros de 50.000 unidades/ml de
polimerasa Bst a las perlas resuspendidas y se introdujo el
recipiente que contenía las perlas en un agitador durante cinco
minutos. Se añadieron dos microlitros de mezcla de dNTP 10 mM (es
decir, 2,5 \mul de cada uno de dATP, dGTP, dCTP y dTTP 10 mM) y la
mezcla se incubó durante 10 minutos adicionales a temperatura
ambiente. Las perlas se lavaron tres veces con tampón de hibridación
que contenía Tween-20 al 0,1% y se resuspendieron
en el volumen original de tampón de hibridación.
Cincuenta microlitros de perlas Dynal
recubiertas de estreptavidina (Dynal Biotech INc., Lake Success,
NY; perlas M270 o MyOne^{TM} a una concentración de 10 mg/ml) se
lavaron tres veces con tampón de hibridación que contenía
Tween-20 al 0,1% y se resuspendieron en el volumen
original de tampón de hibridación que contenía
Tween-20 al 0,1%. A continuación, se añadió la
mezcla de perlas Dynal a las perlas de sefarosa resuspendidas. La
mezcla se agitó con vórtex y se introdujo en un agitador durante 10
minutos a temperatura ambiente.
Las perlas se recogieron en el fondo del tubo de
ensayo mediante centrifugación a 2.300 g (500 rpm para la
centrífuga Eppendorf 5415D). Las perlas se resuspendieron en el
volumen original de tampón de hibridación que contenía
Tween-20 al 0,1%. La mezcla, en un tubo de ensayo,
se introdujo en un separador magnético (Dynal). Las perlas se
lavaron tres veces con tampón de hibridación que contenía
Tween-20 al 0,1% y se resuspendieron en el volumen
original en el mismo tampón. Las perlas sin amplicones se eliminaron
mediante etapas de lavado, tal como se ha indicado anteriormente.
Únicamente se retuvieron las perlas de sefarosa que contenían los
fragmentos de ADN apropiados.
Las perlas magnéticas se separaron de las perlas
de sefarosa mediante la adición de 500 \mul de NaOH 0,125 M. La
mezcla se agitó con vórtex y se separaron las perlas magnéticas
mediante separación magnética. Las perlas de sefarosa que quedaban
en solución se transfirieron a otro tubo y se lavaron con 400 \mul
de Tris-acetato 50 mM hasta estabilizar el pH a
7,6.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
7
Se llevó a cabo el experimento siguiente para
someter a ensayo la eficacia de la PCR en emulsión de perlas. Para
el presente protocolo, se unieron covalentemente 600.000 perlas de
sefarosa, con un diámetro medio de entre 25 y 35 \mum (tal como
son suministradas por el fabricante) a cebadores de captura a una
proporción de 30 a 50 millones de copias por perla. Las perlas con
cebadores de captura covalentemente unidos se mezclaron con 1,2
millones de copias de ADN monocatenario de una biblioteca de
adenovirus. Los constructos de biblioteca incluían una secuencia
que era complementaria al cebador de captura en las perlas.
La biblioteca de adenovirus se hibridó a las
perlas utilizando el procedimiento descrito en el Ejemplo 1. A
continuación, las perlas se resuspendieron en solución de PCR
completa. La solución de PCR y las perlas se emulsionaron en 2
volúmenes de aceite de emulsificación bajo centrifugación utilizando
el mismo procedimiento descrito en el Ejemplo 2. Las perlas
emulsificadas (encapsuladas) se sometieron a amplificación mediante
PCR tal como se indica de manera general en el Ejemplo 3. La
emulsión se rompió tal como se indica de manera general en el
Ejemplo 4. El ADN en las perlas se separó en cadenas individuales, y
se hibridó cebador de secuenciación utilizando el procedimiento del
Ejemplo 5.
A continuación, se secuenciaron 70.000 perlas
simultáneamente mediante secuenciación basada en pirofosfato
utilizando un secuenciador pirofosfato de 454 Life Sciences (New
Haven, CT) (ver solicitud copendiente de Lohman et al.,
presentada simultáneamente con la presente, titulada "Methods of
Amplifying and Sequencing Nucleic Acids", USSN 60/476,
presentada el 6 de junio de 2003). Se secuenciaron múltiples lotes
de 70.000 perlas y los datos se proporcionan en la Tabla 5, a
continuación.
La Tabla 5 muestra los resultados obtenidos del
análisis BLAST de comparación de las secuencias obtenidas del
secuenciador pirofosfato con la secuencia de adenovirus. La primera
columna muestra la tolerancia de error utilizada en el programa
BLAST. La última columna muestra el error real determinado mediante
comparación directa con la secuencia conocida.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
8
Tal como se ha indicado anteriormente, se ha
encontrado que el éxito de la reacción de PCR en emulsión se
relaciona con la calidad de la especie molde monocatenaria. Por
consiguiente, la calidad del material de molde se evaluó mediante
dos controles de calidad independientes antes de iniciar el
protocolo de PCR en emulsión. En primer lugar, se corrió una
alícuota del molde monocatenario en el 2100 BioAnalyzer (Agilient).
Se utilizó un PicoChip de ARN para verificar que la muestra incluía
una población heterogénea de fragmentos, de tamaño comprendido
entre aproximadamente 200 y 500 bases. En segundo lugar, se
cuantificó la biblioteca utilizando el ensayo de fluorescencia
RiboGreen en un fluorímetro de placas Bio-Tek FL600.
Las muestras que se determinó que presentaban concentraciones de
ADN inferiores a 5 ng/\mul se consideraron excesivamente diluidas
para ser utilizadas.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
9
Se extrajeron de la columna perlas empaquetadas
de una columna de afinidad HP de sefarosa activada con 1 ml de
N-hidroxisuccinimida (NHS) (Amersham Biosciences,
Piscataway, NJ). Las perlas de tamaño comprendido entre 30 y 25
\mum se seleccionaron mediante pase seriado a través de secciones
de filtro de malla de 30 y 25 \mum de poro (Sefar America, Depew,
NY, USA). Las perlas que pasaron a través del primer filtro, pero
que resultaron retenidas por el segundo se recogieron y se activaron
tal como se describe en la literatura del producto (Amersham
Pharmacia nº de protocolo 71700600AP). Se obtuvieron dos cebadores
de captura largos diferentes marcados con amina HEG
(hexaetilenglicol), correspondientes al extremo 5' de las cadenas
sentido y antisentido del molde que debía amplificarse
(espaciadores
5'-amina-3-HEG
gcttacctgaccgacctctgcctatcccctgttgcgtgtc-3'; SEC ID
nº 1, y espaciadores
5'-amina-3-HEG
ccattccccagctcgtcttgccatctgttccctccctgtc-3'; SEC ID
nº 2) (IDT Technologies, Coralville, IA, USA). Se diseñaron los
cebadores para capturar ambas cadenas de los productos de
amplificación. Los cebadores de captura se disolvieron en tampón
fosfato 20 mM, pH 8,0, para obtener una concentración final de 1
mM. Se unieron tres microlitros de cada cebador a las perlas
tamizadas de entre 30 y 25 \mum. A continuación, las perlas se
almacenaron en un tampón de almacenamiento de perlas (Tris 50 mM,
Tween al 0,02% y azida sódica al 0,02%, pH 8). Las perlas se
cuantificaron con un hemocitómetro (Hausser Scientific, Horsham,
PA, USA) y se almacenaron a 4ºC hasta su utilización.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
10
Al igual que con cualquier técnica de
amplificación de moléculas individuales, la contaminación de las
reacciones con amplicones foráneos o residuales procedentes de otros
experimentos podría interferir con una secuenciación. Para reducir
la probabilidad de contaminación, se preparó la mezcla de reacción
de PCR en una campana de flujo laminar tratada con UV situada en
una sala limpia para PCR. Por cada reacción de PCR en una emulsión
de 600.000 perlas se mezclaron en un tubo de 1,5 ml los reactivos
siguientes: 225 \mul de mezcla de reacción (tampón HiFi Platinum
1X (Invitrogen), dNTPs 1 mM, MgSO_{4} 2,5 mM (Invitrogen), BSA al
0,1%, Tween al 0,01%, 0,003 U/\mul de PPi-asa
termoestable (NEB), 0,125 \muM de cebador directo
(5'-gcttacctgaccgacctctg-3'; SEC ID
nº 3) y 0,125 \muM de cebador inverso
(5'-ccattccccagctcgtcttg-3'; SEC ID
nº 4) (IDT Technologies, Coralville, IA, USA) y 0,2 U/\mul de
polimerasa Taq Hi-Fi Platinum 0,2 U/\mul
(Invitrogen). Se extrajeron veinticinco microlitros de la mezcla de
reacción y se almacenaron en un tubo individual para PCR de 200
\mul para la utilización como control negativo. Se almacenaron en
hielo tanto la mezcla de reacción como los controles negativos
hasta la utilización.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
11
La amplificación clonal con éxito del ADN para
la secuenciación se refiere al transporte de un número controlado
de especies de molde hasta cada perla. Para los experimentos
descritos posteriormente en la presente memoria, se determinó que
la concentración de molde diana típica era de 0,5 copias de molde
por perla de captura. A esta concentración, la distribución de
Poisson dicta que 61% de las perlas no presentan molde asociado,
que 30% presentan una especie de molde y 9% presenta dos o más
especies de molde. El transporte de un exceso de especies puede
resultar en la unión y posterior amplificación de una población
mixta (2 ó más especies) en una perla individual, evitando la
generación de datos de secuencia con sentido. Sin embargo, el
transporte de un número excesivamente bajo de especies resultará en
menos pocillos que contengan molde (una especie por perla),
reduciendo el grado de cobertura de la secuenciación. En
consecuencia, se consideró que era importante la concentración de
molde de la biblioteca monocatenaria.
Se hibridaron moléculas de ácidos nucleicos de
molde a cebadores complementarios en las perlas de captura de ADN
mediante el método siguiente, puesto en práctica en una campana de
flujo laminar tratada con UV. Se transfirieron a un tubo para PCR
de 200 \mul seis cientas mil perlas de captura de ADN suspendidas
en tampón de almacenamiento de perlas (ver el Ejemplo 9,
anteriormente). El tubo se centrifugó en una minicentrífuga de
laboratorio durante 10 segundos, se hicieron girar 180º y se
centrifugaron durante 10 segundos adicionales para garantizar una
formación uniforme del pellet. Se extrajo el sobrenadante y las
perlas se lavaron con 200 \mul de tampón de hibridación (Tris 20
mM, pH 7,5 y acetato de magnesio 5 mM). El tubo se agitó con vórtex
durante 5 segundos para resuspender las perlas, y las perlas se
peletizaron tal como se ha indicado anteriormente. Se extrajo la
totalidad menos 10 \mul del sobrenadante en la parte superior de
las perlas, y se añadieron 200 \mul adicionales de tampón de
hibridación. Las perlas se agitaron con vórtex nuevamente durante 5
segundos, se dejaron reposar durante 1 minuto y después se
peletizaron tal como se ha indicado anteriormente. Se descartó la
totalidad menos 10 \mul del sobrenadante.
A continuación, se añadieron a las perlas 1,5
\mul de 300.000 moléculas/\mul de biblioteca de moldes. El tubo
se agitó con vórtex durante 5 segundos para mezclar el contenido y
los moldes se hibridaron a las perlas en un programa de
desnaturalización/hibridación controlada en un termociclador MJ. El
programa permitió la incubación durante 5 minutos a 80ºC, seguido
de una reducción de 0,1ºC/s hasta 70ºC, la incubación durante 1
minuto a 70ºC, la reducción de 0,1ºC/s hasta 60ºC, el mantenimiento
a 60ºC durante 1 minuto, la reducción de 0,1ºC/s hasta 50ºC, el
mantenimiento a 50ºC durante 1 minuto, la reducción de 0,1ºC/s hasta
20ºC y el mantenimiento a 20ºC. Tras completar el procedimiento de
hibridación, se extrajeron las perlas del termociclador, se
centrifugaron tal como se ha indicado anteriormente y se decantó
cuidadosamente el tampón de hibridación. Las perlas de captura
incluían, de media, 0,5 copias de ADN molde monocatenario unido a
cada perla, y se almacenaron en hielo hasta que fueron
utilizadas.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
12
El procedimiento de emulsificación crea una
emulsión termoestable de agua en aceite que contiene 10.000
microrreactores de PCR discretos por microlitro. Ésta sirve como
matriz para la amplificación clonal de las moléculas individuales
de la biblioteca de dianas. La mezcla de reacción y las perlas de
captura de ADN para una única reacción se emulsificaron de la
manera siguiente. En una campana de flujo lamina tratada con UV, se
añadieron 200 \mul de solución para PCR (del Ejemplo 10) al tubo
que contenía 600.000 perlas de captura de ADN (del Ejemplo 11). Las
perlas se resuspendieron mediante pipeteado repetido. A
continuación, se incubó la mezcla de perlas para PCR a temperatura
ambiente durante por lo menos 2 minutos, permitiendo que las perlas
se equilibrase con la solución de PCR. Simultáneamente, 450 \mul
de aceite de emulsión (Span 80 al 4,5% (p/p), Atlox 4912 al 1%
(p/p) (Uniqema, Delaware) en aceite mineral ligero (Sigma)) se
dividió en alícuotas en un tubo de centrífuga de 2 ml de tapón
plano (Dot Scientific) que contenía una barra de agitación magnética
de ¼ pulgada estéril (Fischer). Este tubo seguidamente se
introdujo en un dispositivo de soporte de tubos de plásticos
diseñado al efecto, que después se centró en una placa caliente de
agitación digital Fisher Isotemp (Fisher Scientific) con el dial
fijo en 450 rpm.
La solución de perlas para PCR se agitó con
vórtex durante 15 segundos para resuspender las perlas. A
continuación, la solución se aspiró en un jeringa plástica
desechable de 1 ml (Benton, Dickinson) acoplada a una aguja de
jeringa de seguridad de plástico (Henry Schein). La jeringa se
introdujo en una bomba de jeringa (Cole-Parmer)
modificada con una unidad de base de aluminio que orientaba la bomba
verticalmente y no horizontalmente (por ejemplo figuras 4 a 6). El
tubo con el aceite en emulsión se alineó con la placa de agitación
de manera que se encontrase centrado bajo la aguja de la jeringa de
plástico y la barra de agitación magnética girase correctamente. Se
fijó la bomba de jeringa para que dispensase 0,6 ml a una tasa de
5,5 ml/hora. Se añadió la solución de perlas para PCR al aceite en
emulsión gota a gota. Se procuró garantizar que las gotas no
entrasen en contacto con las paredes del tubo a medida que caían en
el aceite en rotación.
Tras la formación de la emulsión, se procuró
minimizar la agitación de la emulsión tanto durante el
procedimiento de emulsificación como durante las etapas de división
en alícuotas posteriores a la emulsificación. Se encontró que la
agitación con vórtex, el pipeteado rápido o la mezcla excesiva
podían provocar la rotura de la emulsión, destruyendo los
microrreactores discretos. Durante la formación de la emulsión, las
dos soluciones se convirtieron en mezclas blancas lechosas
homogéneas con la viscosidad de la mayonesa. Se vació el contenido
de la jeringa en el aceite en rotación. A continuación, se retiró el
tubo de emulsión del dispositivo de soporte y se golpeó suavemente
con los dedos hasta desaparecer cualquier capa de aceite residual en
la parte superior de la emulsión. Se colocó nuevamente el tubo en
el dispositivo de soporte y se agitó utilizando la barra de
agitación magnética durante un minuto adicional. Se sacó la barra de
agitación de la emulsión pasando una herramienta de extracción
magnética por el exterior del tubo, y se descartó.
Se extrajeron veinte microlitros de la emulsión
procedentes de la parte intermedia del tubo mediante la utilización
de un pipeteador P100 y se pusieron sobre un portaobjetos de
microscopía. Se utilizaron las puntas de pipeta más grandes para
minimizar las fuerzas de cizalla. Se inspeccionó la emulsión a una
magnificación de 50X para comprobar que comprendía
predominantemente perlas individuales en microrreactores de solución
para PCR en aceite de 30 a 150 micrómetros de diámetro (figura 7).
Tras el examen visual, se amplificaron inmediatamente las
emulsiones.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
13
La emulsión se dividió en alícuotas en 7 a 8
tubos para PCR separados. Cada tubo incluía aproximadamente 75
\mul de la emulsión. Se sellaron los tubos y se introdujeron en un
termociclador MJ conjuntamente con los 25 \mul de control
negativo indicados anteriormente. Se utilizaron los tiempos de
ciclado siguientes: 1 ciclo de incubación durante 4 minutos a 94ºC
(inicio en caliente), 30 ciclos de incubación durante 30 segundos a
94ºC y 150 segundos a 68ºC (amplificación), y 40 ciclos de
incubación durante 30 segundos a 94ºC, y 360 segundos a 68ºC
(hibridación y extensión). Tras completar el programa de PCR, se
extrajeron los tubos y se rompieron inmediatamente las emulsiones o
se almacenaron las reacciones a 10ºC durante como máximo 16 horas
antes de iniciar el procedimiento de rotura.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
14
Tras la amplificación, se examinaron las
emulsiones para rotura (separación de las fases de aceite y de
agua). Las emulsiones no rotas se agruparon en un único tubo de
microcentrifugación de 1,5 ml, mientras que las emulsiones rotas,
encontradas ocasionalmente, se descartaron. Debido a que las
muestras de emulsión eran bastante viscosas, quedaron cantidades
significativas en cada tubo para PCR. La emulsión que quedaba en
los tubos se recuperó mediante la adición de 75 \mul de aceite
mineral en cada tubo para PCR y el pipeteado de esta mezcla. La
mezcla se añadió al tubo de 1,5 ml que contenía la mayor parte del
material emulsificado. A continuación, se agitó con vórtex el tubo
de 1,5 ml durante 30 segundos. Seguidamente, el tubo se centrifugó
durante 20 minutos en la microcentrífuga de laboratorio a 13,2 Krpm
(velocidad máxima).
Tras la centrifugación, la emulsión se separó en
dos fases con una gran interfase blanca. La fase aceitosa
transparente en la parte superior se descartó, mientras que el
material turbio de interfase se dejó en el tubo. En una campana de
humos química, se añadió 1 ml de hexanos a la fase inferior y a la
capa de interfase. La mezcla se agitó con vórtex durante 1 minuto y
se centrifugó a velocidad máxima durante 1 minuto en una
microcentrífuga de laboratorio. La fase superior de aceite/hexano se
extrajo y se descartó. A continuación, se añadió 1 ml de etanol al
80%/tampón de hibridación 1X a la fase acuosa, interfase y perlas
restantes. Esta mezcla se agitó con vórtex durante 1 minuto o hasta
que el material blanco de la interfase se hubiese disuelto.
Seguidamente la muestra se centrifugó en una microcentrífuga de
laboratorio durante 1 minuto a velocidad máxima. Se giró el tubo
180 grados y se centrifugó nuevamente durante un minuto adicional. A
continuación, se extrajo cuidadosamente el sobrenadante sin
perturbar el pellet de perlas.
El pellet blanco de perlas se lavó dos veces con
1 ml de tampón de hibridación que contenía Tween-20
al 0,1%. Se descartó la solución de lavado y las perlas se
peletizaron después de cada lavado tal como se ha indicado
anteriormente. El pellet se lavó con 1 ml de agua picopura. Las
perlas se peletizaron mediante el método de
centrifugación-giro-centrifugación
utilizado anteriormente. Se extrajo cuidadosamente la fase acuosa.
Seguidamente se lavaron las perlas con 1 ml de EDTA 1 mM tal como se
ha indicado anteriormente, excepto que las perlas se agitaron con
vórtex brevemente a una velocidad intermedia durante 2 segundos
antes de peletizar y retirar el sobrenadante.
El ADN amplificado, inmovilizado sobre las
perlas de captura, se sometió a tratamiento para obtener ADN
monocatenario. Se extrajo la segunda cadena mediante incubación en
una solución de disociación básica. Posteriormente se añadió a las
perlas un ml de solución de disociación (NaOH 0,125 M, NaCl 0,2 M).
El pellet se resuspendió mediante agitación con vórtex a velocidad
intermedia durante 2 segundos y el tubo se introdujo en un agitador
orbital para tubos Thermolyne LabQuake durante 3 minutos. A
continuación, las perlas se peletizaron tal se ha indicado como
anteriormente, y se extrajo cuidadosamente el sobrenadante y se
descartó. La solución residual de disociación se neutralizó
mediante la adición de 1 ml de tampón de hibridación. Seguidamente,
las perlas se agitaron con vórtex a velocidad intermedia durante 2
segundos. Las perlas se peletizaron y el sobrenadante se extrajo
tal como se ha indicado anteriormente. Se repitió el lavado con
tampón de hibridación, excepto en que únicamente se extrajeron 800
\mul del tampón de hibridación tras la centrifugación. Las perlas
y el tampón de hibridación remanente se transfirieron a un tubo para
PCR de 0,2 ml. Las perlas se utilizaron inmediatamente o se
almacenaron a 4ºC durante, como máximo, 48 horas antes de continuar
con el procedimiento de enriquecimiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
15
La masa de perlas incluía perlas sin cadenas de
ADN inmovilizadas amplificadas, y perlas vacías o nulas. Tal como
se ha indicado anteriormente, se calculó que 61% de las perlas no
presentaba ADN molde durante el procedimiento de amplificación. Se
realizó un enriquecimiento para aislar selectivamente las perlas que
presentaban ADN molde, maximizando de esta manera la eficiencia de
la secuenciación. A continuación, se describe el procedimiento de
enriquecimiento en detalle.
Las perlas con ADN monocatenario del Ejemplo 14
se peletizaron mediante el método de
centrifugación-giro-centrifugación
y se extrajo la máxima cantidad posible de sobrenadante sin
perturbar las perlas. Se añadieron quince microlitros de tampón de
hibridación a las perlas, seguido de 2 \mul de cebador de
enriquecimiento de 40 bases biotinilado 100 \muM (espaciadores
5'-biotina-tetraetilenglicol
ccattccccagctcgtcttgccatctgttccctccctgtctcag-3'; SEC
ID nº 5). El cebador era complementario a la combinación de sitios
de amplificación y secuenciación (cada uno de 20 bases de longitud)
en el extremo 3' del molde inmovilizado en una perla. La solución se
mezcló con vórtex a velocidad intermedia durante 2 segundos, y los
cebadores de enriquecimiento se hibridaron a las cadenas de ADN
inmovilizadas utilizando un programa de
desnaturalización/hibridación controladas en un termociclador MJ.
El programa consistía de los tiempos de ciclado y temperaturas
siguientes: incubación durante 30 segundos a 65ºC, reducción de
0,1ºC/s hasta 58ºC, incubación durante 90 segundos a 58ºC, y
mantenimiento a 10ºC.
Aunque los cebadores se hibridaban, se
resuspendieron las perlas recubiertas de estreptavidina Dynal
MyOne^{TM} haciendo girar suavemente los tubos. A continuación, se
añadieron 20 \mul de las perlas MyOne^{TM} a un tubo de
mcirocentrífuga de 1,5 ml que contenía 1 ml de líquido potenciador
(NaCl 2 M, Tris-HCl 10 mM, EDTA 1 mM, pH 7,5). La
mezcla de perlas MyOne se agitó con vórtex durante 5 segundos y el
tubo se introdujo en un imán MPC-S de Dynal. Las
perlas paramagnéticas se peletizaron contra las paredes del tubo de
microcentrífuga. Se extrajo cuidadosamente el sobrenadante y se
descartó sin perturbar las perlas MyOne^{TM}. Se retiró el tubo
del imán y se añadieron 100 \mul de líquido potenciador. El tubo
se agitó con vórtex durante 3 segundos para resuspender las perlas
y se almacenó en hielo hasta su utilización.
Tras completar el programa de hibridación, se
añadieron 100 \mul de tampón de hibridación al tubo para PCR que
contenía las perlas de captura de ADN y el cebador de
enriquecimiento. El tubo se agitó con vórtex durante 5 segundos y
el contenido se transfirió a un tubo fresco de microcentrífuga de
1,5 ml. El tubo para PCR en el que se hibridaba el cebador de
enriquecimiento con las perlas de captura se lavó una vez con 200
\mul de tampón de hibridación, y se añadió la solución de lavado
al tubo de 1,5 ml. Las perlas se lavaron tres veces con 1 ml de
tampón de hibridación, se agitaron con vórtex durante 2 segundos y
se peletizaron tal como se ha indicado anteriormente. Se extrajo
cuidadosamente el sobrenadante. Tras el tercer lavado, las perlas
se lavaron dos veces con 1 ml de líquido potenciador helado. Las
perlas se agitaron con vórtex, se peletizaron y se extrajo el
sobrenadante tal como se ha indicado anteriormente. Las perlas se
resuspendieron en 150 \mul de liquido potenciador helado. El
líquido potenciador y la solución de perlas se añadieron a las
perlas MyOne^{TM} lavadas.
La mezcla de perlas se agitó con vórtex durante
3 segundos y se incubó a temperatura ambiente durante 3 minutos en
un agitador orbital para tubos LabQuake. Las perlas MyOne^{TM}
recubiertas de estreptavidina se unieron a los cebadores de
enriquecimiento biotinilados que se encontraban hibridados a moldes
inmovilizados en las perlas de captura de ADN. A continuación, las
perlas se centrifugaron a 2.000 rpm durante 3 minutos, después de
lo cual se agitaron con vórtex aplicando pulsos de 2 segundos hasta
la resuspensión. Las perlas resuspendidas se dejaron sobre hielo
durante 5 minutos. Seguidamente, se añadieron 500 \mul de líquido
potenciador frío a las perlas y el tubo se insertó en un imán
MPC-S de Dynal. Las perlas se dejaron en reposo
durante 60 segundos, para permitir que se produjese la peletización
contra el imán. A continuación, se retiró cuidadosamente el
sobrenadante con exceso de MyOne^{TM} y perlas de captura de ADN
nulas y se descartó.
El tubo se sacó del imán MPC-S y
se añadió 1 ml de líquido potenciador frío a las perlas. Las perlas
se resuspendieron con golpecitos suaves de los dedos. Resultaba
importante no someter a agitación con vórtex a las perlas en este
punto, debido a que la mezcla vigorosa podría romper el enlace entre
las perlas MyOne^{TM} y las perlas de captura de ADN. Se
devolvieron las perlas al imán y se eliminó el sobrenadante. Este
lavado se repitió tres veces más para garantizar la eliminación de
todas las perlas de captura nulas. Para extraer los cebadores de
enriquecimiento hibridados y las perlas MyOne^{TM}, las perlas de
captura de ADN se resuspendieron en 400 \mul de solución de
disociación, se agitaron con vórtex durante 5 segundos y se
peletizaron con el imán. El sobrenadante con las perlas
enriquecidas se transfirió a un tubo de microcentrífuga de 1,5 ml
separado. Para la máxima recuperación de perlas enriquecidas, se
añadió al tubo que contenía las perlas MyOneTM una segunda alícuota
de 400 \mul de solución de disociación. Las perlas se agitaron con
vórtex y se peletizaron tal como se ha indicado anteriormente. Se
extrajo el sobrenadante del segundo lavado y se agrupó con el primer
bolo de perlas enriquecidas. El tubo de perlas MyOne^{TM} ya
utilizadas se descartó.
El tubo de microcentrífuga de perlas de captura
de ADN enriquecidas se introdujo en el imán MPC-S de
Dynal para peletizar cualquier perla MyOne^{TM} residual. Las
perlas enriquecidas en el sobrenadante se transfirieron a un
segundo tubo de microcentrífuga de 1,5 ml y se centrifugaron. Se
retiró el sobrenadante y las perlas se lavaron 3 veces con 1 ml de
tampón de hibridación para neutralizar la solución residual de
disociación. Tras el tercer lavado, se extrajeron 800 \mul del
sobrenadante, y las perlas y solución remanentes se transfirieron a
un tubo para PCR de 0,2 ml. Las perlas enriquecidas se centrifugaron
a 2.000 rpm durante 3 minutos y se decantó el sobrenadante. A
continuación, se añadieron 20 \mul de tampón de hibridación y 3
\mul de dos cebadores de secuenciación 100 \muM diferentes
(5'-ccatctgttccctccctgtc-3'; SEC ID
nº 6, y 5'-cctatccctgttgcgtgtc-3'
fosfato; SEC ID nº 7). El tubo se agitó con vórtex durante 5
segundos y se introdujo en un termociclador MJ para someterlo al
programa de hibridación en 4 etapas siguiente: incubación durante 5
minutos a 65ºC, reducción de 0,1ºC/s hasta 50ºC, incubación durante
1 minuto a 50ºC, reducción de 0,1ºC/s hasta 40ºC, mantenimiento a
40ºC durante 1 minuto, reducción de 0,1ºC/s hasta 15ºC y
mantenimiento a 15ºC.
Tras completar el programa de hibridación, se
extrajeron las perlas del termociclador y se peletizaron mediante
centrifugación durante 10 segundos. Se hizo girar el tubo 180º y se
centrifugó durante 10 segundos adicionales. Se decantó el
sobrenadante y se descartó, y se añadieron 200 \mul de tampón de
hibridación al tubo. Las perlas se resuspendieron con una segunda
agitación con vórtex de 5 segundos y se peletizaron tal como se ha
indicado anteriormente. Se extrajo el sobrenadante y las perlas se
resuspendieron en 100 \mul de tampón de hibridación. En este
punto se cuantificaron las perlas utilizando un contador Coulter
Multisizer 3 (Beckman Coulter). Las perlas se almacenaron a 4ºC y
fueron estables durante por lo menos 1 semana.
<110> Berka, Jan
\hskip1cmChen, Yi-Ju
\hskip1cmLeamon, John H.
\hskip1cmLefkowitz, Steve
\hskip1cmLohman, Kenton
\hskip1cmMakhijani, Vinod
\hskip1cmSarkis, Gary J.
\hskip1cmRothberg, Jonathan
\hskip1cmWeiner, Michael
\hskip1cmSrinivasan, Maithreyan
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<120> Amplificación de ácidos nucleicos en
emulsión de perlas
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<130> 21465-508 UTIL
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<150> documento US nº 60/443.471
\vskip0.400000\baselineskip
<151>
2003-01-29
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<150> documento US nº 60/465.071
\vskip0.400000\baselineskip
<151>
2003-04-23
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<150> documento US nº 60/476.592
\vskip0.400000\baselineskip
<151>
2003-06-06
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
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<151>
2003-06-06
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2003-06-06
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<150> documento US nº 60/476.602
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2003-06-06
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<151>
2003-08-25
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<160> 7
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<170> PatentIn versión 3.2
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<210> 1
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<211> 40
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<212> ADN
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<213> Artificial
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<220>
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<223> oligonucleótido
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<400> 1
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<210> 2
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<212> ADN
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<213> Artificial
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<220>
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<223> oligonucleótido
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<400> 2
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<210> 3
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<220>
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<223> Oligonucleótido
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Claims (29)
1. Método para la amplificación de uno o más
ácidos nucleicos sobre una perla, que comprende las etapas
siguientes:
- (a)
- formar una emulsión de agua en aceite para crear una pluralidad de microrreactores acuosos, en la que por lo menos uno de los microrreactores comprende un ácido nucleico molde monocatenario, una única perla con una primera población que comprende una pluralidad de moléculas de una primera especie de cebador dispuesta sobre la misma, y una solución de reacción de amplificación que comprende una segunda población que comprende una pluralidad de moléculas de la primera especie de cebador, una pluralidad de moléculas de una segunda especie de cebador, y reactivos necesarios para llevar a cabo la amplificación de ácidos nucleicos, en donde la primera especie de cebador es capaz de unirse al ácido nucleico molde monocatenario, la segunda especie de cebador es capaz de unirse a una cadena complementaria del ácido nucleico molde monocatenario, y la concentración de la segunda especie de cebador es mayor que la de la segunda población de la primera especie de cebador en la solución de reacción de amplifica- ción,
- (b)
- amplificar asimétricamente el molde de ácido nucleico monocatenario y la cadena complementaria a la cadena molde en la solución de reacción de amplificación, para formar una población de copias amplificadas del ácido nucleico molde monocatenario, y
- (c)
- unir una pluralidad de las copias amplificadas asimétricamente de ácido nucleico molde monocatenario a la primera población de la primera especie de cebador sobre la perla en el microrreactor, en el que una cadena complementaria unida a perla se extiende a partir de la primera especie de cebador.
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2. Método según la reivindicación 1, en el que
una mayoría de los microrreactores incluye un único ácido
nucleico.
3. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha solución de reacción de amplificación es una solución de
reacción en cadena de polimerasa que comprende además nucleótidos
trifosfato, una polimerasa termoestable, y tampón compatible con
las condiciones de reacción en cadena de polimerasa.
4. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha emulsión contiene además estabilizantes de emulsión.
5. Método según la reivindicación 4, en el que
dichos estabilizantes de emulsión se seleccionan de entre el grupo
que consiste de Atlox 4912, Span 80 y combinaciones y mezclas de los
mismos.
6. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha emulsión es termoestable.
7. Método según la reivindicación 6, en el que
dicha emulsión es termoestable hasta 95ºC.
8. Método según la reivindicación 1, en el que
la amplificación se lleva a cabo mediante un método seleccionado de
entre el grupo que consiste de amplificación basada en la
transcripción, amplificación rápida de extremos del ADNc,
amplificación en flujo continuo y amplificación de círculo
rodante.
9. Método según la reivindicación 1, en el que
la emulsión se forma mediante la adición gota a gota de los ácidos
nucleicos molde, perlas y solución de reacción de amplificación en
un aceite.
10. Método según la reivindicación 1, puesto en
práctica con por lo menos 10.000 ácidos nucleicos.
11. Método según la reivindicación 1, puesto en
práctica con por lo menos 50.000 ácidos nucleicos.
12. Método según la reivindicación 1, en el que
los microrreactores presentan un tamaño medio comprendido entre 50
y 250 \mum de diámetro.
13. Método según la reivindicación 1, en el que
cada perla se una a más de 10.000 copias amplificadas
asimétricamente del ácido nucleico molde monocatenario.
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14. Método para la amplificación de un ácido
nucleico, que comprende las etapas siguientes:
- (a)
- proporcionar un ácido nucleico molde monocatenario que debe amplificarse.
- (b)
- proporcionar un material de soporte sólido que comprende una perla generalmente esférica que presenta un diámetro de entre aproximadamente 10 y aproximadamente 80 \mum, en el que la perla comprende una pluralidad de moléculas de una primera población de una primera especie de cebador dispuesta sobre las mismas y que es capaz de unirse al ácido nucleico molde,
- (c)
- mezclar los ácidos nucleicos de molde y las perlas en una solución de reacción de amplificación que comprende una pluralidad de moléculas de una segunda población de la primera especie de cebador, una segunda especie de cebador y reactivos necesarios para llevar a cabo una reacción de amplificación de ácidos nucleicos en una emulsión de agua en aceite, en donde la primera especie de cebador es capaz de unirse al ácido nucleico molde monocatenario, la segunda especie de cebador es capaz de unirse a una cadena complementaria del ácido nucleico molde monocatenario, y la concentración de la segunda especie de cebador es mayor que la de la segunda población de la primera especie de cebador en la solución de reacción de amplificación,
- (d)
- amplificar asimétricamente el ácido nucleico molde monocatenario y la cadena complementaria del ácido nucleico molde monocatenario en la solución de reacción de amplificación presente en la fase acuosa de la emulsión de agua en aceite utilizando la segunda población de la primera especie de cebador y la segunda especie de cebador para formar una población de copias amplificadas del ácido nucleico molde monocatenario, y
- (e)
- unir una pluralidad de las copias asimétricamente amplificadas del ácido nucleico molde monocatenario a la primera población de la primera especie de cebador sobre la perla, en donde una cadena complementaria unida a una perla se extiende a partir de la primera especie de cebador.
15. Método según la reivindicación 1 ó 14, que
comprende además la etapa de enriquecer en perlas que se unen a
copias amplificadas del ácido nucleico respecto a perlas a las que
no se une ningún ácido nucleico, seleccionando la etapa de
enriquecimiento de entre el grupo que consiste de purificación por
afinidad, electroforesis y separación celular.
16. Método según la reivindicación 15, en el que
la etapa de enriquecimiento se lleva a cabo mediante purificación
por afinidad con perlas magnéticas que se unen a ácidos
nucleicos.
17. Método según la reivindicación 1 ó 14, en el
que se unen a cada perla por lo menos 100.000 copias de cada
molécula de ácido nucleico diana.
18. Método según la reivindicación 1 ó 14, en el
que se unen a cada perla por lo menos 1.000.000 copias de cada
molécula de ácido nucleico diana.
19. Método según la reivindicación 1 ó 14, en el
que se unen a cada perla por lo menos 1 a 20.000.000 copias de cada
molécula de ácido nucleico diana.
20. Método según la reivindicación 1 ó 14, en el
que las perlas son perlas de sefarosa.
21. Método según la reivindicación 16, que
comprende además las etapas siguientes:
- separar las perlas portadoras de molde y las perlas magnéticas, y
- extraer las perlas magnéticas con un campo magnético.
22. Método según la reivindicación 21, en el que
la separación se lleva a cabo mediante incubación a una temperatura
superior a 45ºC o mediante la incubación de las perlas portadoras de
molde y las perlas magnéticas en una solución con un pH básico.
23. Método para la producción de una población
clonal de ácidos nucleicos, que comprende:
- (a)
- proporcionar una pluralidad de ácidos nucleicos molde monocatenarios de longitud comprendida entre 50 y 800 pb, y perlas, comprendiendo, cada una, una primera población de una pluralidad de moléculas de una primera especie de cebador dispuesta sobre las mismas,
- (b)
- mezclar los ácidos nucleicos molde monocatenarios y las perlas en una solución de reacción de amplificación que comprende una segunda población de una pluralidad de moléculas de la primera especie de cebador, una pluralidad de moléculas de una segunda especie de cebador y reactivos necesarios para amplificar los ácidos nucleicos de molde, y una concentración de la segunda especie de cebador superior a la de la segunda población de la primera especie de cebador en la solución de reacción de amplificación, en donde la primera especie de cebador es capaz de unirse al ácido nucleico molde monocatenario y la segunda especie de cebador es capaz de unirse a una cadena complementaria del ácido nucleico molde monocatenario,
- (c)
- formar una emulsión para crear una pluralidad de microrreactores que comprende ácidos nucleicos molde, perlas y solución de reacción de amplificación, en donde por lo menos uno de los microrreactores comprende un ácido nucleico molde y una única perla encapsulada en la solución de reacción de amplificación, en donde los microrreactores se encuentran contenidos en el mismo recipiente,
- (d)
- amplificar asimétricamente el ácido nucleico molde monocatenario y la cadena complementaria del ácido nucleico molde monocatenario en la solución de reacción de amplificación utilizando la segunda población de la primera especie de cebador y la segunda especie de cebador para formar una población de copias amplificadas del ácido nucleico molde monocatenario, y
- (e)
- unir una pluralidad de las copias amplificadas asimétricamente del ácido nucleico molde monocatenario a la primera población de la primera especie de cebador sobre la perla, en donde se extiende una cadena complementaria unida a perla a partir de la primera especie de cebador.
24. Método según la reivindicación 23, que
comprende además transcribir y traducir los ácidos nucleicos para
generar por lo menos 10.000 copias de un producto de expresión.
25. Método según la reivindicación 24, en el que
dicho producto de expresión se encuentra unido a dichas perlas
mediante una pareja de unión seleccionada de entre el grupo que
consiste de las parejas de unión antígeno/anticuerpo,
ligando/receptor, 6Xhis/níquel-ácido nitriloacético y etiqueta
FLAG/anticuerpo de FLAG.
26. Método según la reivindicación 24, en el que
el método produce una población clonal de proteínas.
27. Método según la reivindicación 26, en el que
las proteínas se seleccionan de entre el grupo que consiste de
anticuerpos, fragmentos de anticuerpo y anticuerpos manipulados.
28. Método según la reivindicación 1 ó 14, en el
que el método comprende además las etapas siguientes:
- \bullet
- romper los microrreactores acuosos para liberar por lo menos una de las perlas unidas a ácido nucleico, comprendiendo la solución de reacción de amplificación productos de amplificación no unidos, y
- \bullet
- recuperar las perlas unidas a ácido nucleico.
29. Método según la reivindicación 1 ó 14, en el
que, en la etapa (b) o (d), respectivamente, la solución de
reacción se encuentra empobrecida en moléculas de la segunda
población de la primera especie de cebador.
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