💧 Vízgyűjtés
Cél: A vízi életközösség “pillanatfelvételének” készítése az élőlények által a vízbe bocsátott DNS összegyűjtésével.
Vízgyűjtés palackok vagy vödör segítségével.
- A szennyeződés elkerülése érdekében steril mintavételi palackokat és kesztyűt érdemes használni.
Opcionális: a környezeti változók (pl. sótartalom, hőmérséklet) rögzítése.
🧪 Szűrés
Cél: DNS koncentrációja egy membránra.
Víz szűrése perisztaltikus szivattyú vagy fecskendő segítségével.
- A szűrők (pl. Waterra™) a környezeti DNS-t és a sejtfragmentumokat a belső membránon fogják fel.
A szűrőket -20 °C-on vagy annál alacsonyabb hőmérsékleten kell tárolni a DNS integritásának megőrzése érdekében.
🧬 DNS extrakció
Cél: A DNS kinyerése a szűrőkből, valamint a nem kívánt anyagok eltávolítása.
A DNS újraszuszpendálása
Vegye ki a Waterra szűrőket a fagyasztóból, és az extrakció előtt hagyja őket kb. egy órán át felengedni hűtőszekrényben.
Fertőtlenítse a munkaterületet 25%-os fertőtlenítőszer-oldattal.
Készítsen elő minden Waterra szűrőhöz két 50 ml-es Falcon-csövet, és töltse meg őket TE szuszpenziós pufferrel. Ne felejtse el a minta azonosítókat feltüntetni a csöveken.
Távolítsa el a maradék vizet a szűrő bemeneti oldaláról.
Pipettázzon 50 ml TE puffert a szűrőbe a bordázott bemeneti oldalon keresztül, majd zárja le parafilmmel.
Rázza fel a kapszulát, hogy a TE puffer teljesen átjárja a szűrőt.
Öntse vissza az oldatot az első 50 ml-es Falcon-csőbe. Ezután ismételje meg az 5–6. lépést, és öntse a második mosást a második Falcon-csőbe.
Így végül két 50 ml-es csőbe kerül a szűrőről a TE pufferben szuszpendált DNS.
Az elhasznált Waterra szűrő ezután kidobható.
TE puffer (Tris-EDTA, pH 8,0) a DNS szuszpenziójára szolgál a szűrő belsejéből.
Tris vagy Tris(hidroxi-metil)aminometán: stabilizálja a pH-értéket.
A stabil, enyhén lúgos pH fenntartása kulcsfontosságú a DNS hidrolízis okozta lebomlásának megakadályozásához, amely felbontja a DNS építőkövei, a nukleotidok közötti kötéseket.
A DNS szerkezete (Forrás: NIH) Ha a pH csökken (savassá válik), a DNS hajlamosabb a hidrolitikus hasadásra - ez megszakítja a nukleotidok közötti kötéseket, és visszafordíthatatlanul károsíthatja a DNS-t, zavarva az olyan további lépéseket, mint a PCR és a szekvenálás.
EDTA (etiléndiamintetraecetsav): kétértékű kationokat (pl. Mg²⁺, Ca²⁺) köt meg a DNS integritásának védelme érdekében.
🧾 Összetevők (5 literhez)
250 ml 1 M Tris-HCl → Végleges koncentráció: 50 mM (millimoláris)
100 ml 0,5 M EDTA → Végleges koncentráció: 10 mM (millimoláris)
4,650 ml ultratiszta víz → A teljes térfogat 5,000 mL (5 L)-ra való növelése érdekében
🧂 Útmutató
Egy tiszta 5 literes üvegpalackban adjuk hozzá:
- 250 ml 1 M Tris-HCl-t.
- 100 mL 0,5 M EDTA-t
Adjunk hozzá ultra-tiszta vizet az 5 L-es jelig.
Keverje össze alaposan óvatos megfordítással vagy keveréssel.
Címkézze fel a következővel:
- Tartalom (pl. “TE puffer, pH 8,0”).
- Elkészítés dátuma
- Kezdőbetűk
Tárolja szobahőmérsékleten.
Centrifugálás
- Centrifugáljuk a két 50 ml-es Falcon-csövet 10 percig 4500 rpm-en (percenkénti fordulatszám, a centrifuga rotor forgási sebességét mérő egység), hogy a törmeléket/üledéket elválasszuk a folyékony DNS-tartalmú folyadéktól.
Szűrés tölcsérszűrőn keresztül
Egy Buchner-tölcsérhez és perisztaltikus szivattyúhoz csatlakoztatott analitikai tesztszűrő tölcsér segítségével a pufferkeveréket 0,45 mikronos korongszűrőn (Nalgene™) szűrjük át.
Egyesítsük a két Falcon-csövet mintánként úgy, hogy a most már tiszta oldatot mindkét csőből átöntjük a tölcséren, és igyekszünk az üledéket a csövekben tartani.
Állítsa be a perisztaltikus szivattyú sebességét, hogy a oldatot átszűrje a tölcséren, és további egy percig szűrje a tölcsér szűrőkorongjának szárításához.
- Azokat a mintákat, amelyeknél az üledék felhalmozódása miatt több szűrésre volt szükség, egyetlen analitikai szűrőtölcsérbe lehet összevonni.
Az egyik tölcsér szűrőkorongjának tartalmaznia kell a szűrt oldatot, a maradék üledéket pedig az eredeti két Falcon-csőben kell visszatartani.
Qiagen DNeasy PowerWater
Oldat: Távolítsa el az eldobható szűrőtölcsér felső részét, hogy a szűrőkorong fehér membránja láthatóvá váljon. Használjon steril csipeszt. Tekerje fel a szűrőmembránt úgy, hogy a felső oldala befelé nézzen, és helyezze be egy 5 ml-es PowerWater DNS-gyöngycsőbe. Adjon hozzá 1 ml PW1 oldatot.
Üledék: Adjon 1 mL PW1-oldatot az üledéket tartalmazó Falcon-csövek egyikébe. A PW1-oldattal öblítse ki a csövet a második Falcon-csőbe. Ezt az üledék-PW1 keveréket ezután öntse egy 5 mL PowerWater DNS-gyöngyös csőbe.
PW1 (lízispuffer): Feltöri a sejtfalakat és a membránokat.
- Lízis: a sejtnek a plazma (külső) membrán sérülése által okozott lebomlása.
Proteináz K: Lebontja a fehérjéket és a DNázokat, amelyek egyébként elpusztítanák a DNS-t.
- A lipidek és fehérjék PCR-inhibitorokként működhetnek.
Gömbök (a gyöngycsőben): A vortexelés során mechanikai bontást biztosítanak, különösen a kemény sejtfalak esetében.
QIAshredder oszlop (későbbi lépés): Eltávolítja a sejttörmeléket, így csak a tiszta lizátum jut át rajta.
- A lizátum a sejtek felbontásakor keletkező folyadék - olyan keverék, amely az éppen sejtek teljes belső tartalmát tartalmazza.
- A DNS extrakcióban:
- Kezdjük a sejtek felbontásával (pl. proteináz K-val és lízispufferrel).
- Ezáltal a DNS az oldatba - amelyet most már lizátumnak nevezünk - kerül.
- A cél ennek a lizátumnak a megtisztítása, hogy csak a DNS-t izoláljuk, eltávolítva az összes többi sejtes “szemetet”.
A következő anyagok szükségesek a reszuszpenzió, a szűrés és a DNS extrakció lépéseihez:
- TE puffer (50 mM Tris, 10 mM EDTA)
- 50 ml-es Falcon csövek
- Parafilm (a szűrővégek lezárásához)
- Buchner-tölcsér (perisztaltikus szivattyúhoz csatlakoztatva)
- 0,45 mikronos korongszűrő (pl. Nalgene™)
- Proteináz K (fehérjeemésztéshez)
- QIA-aprító (a lizátum tisztításához)
- DNeasy PowerWater Kit (Qiagen)
- Fertőtlenítőszer (a felületek fertőtlenítéséhez)
🔬 DNS mennyiségi meghatározása (Qubit)
Cél: Azt méri, hogy mennyi kettős szálú DNS van a kivonatban.
Készítse el a Qubit munkaoldatot:
- Keverje össze a festéket és a puffert 1:200 arányban (pl. 199 µl puffer + 1 µl festék mintánként).
Címkézze fel a vizsgálati csöveket minden standardhoz és mintához.
Adjunk 190 µl munkaoldatot minden egyes csőbe.
Adjon 10 µl DNS-mintát (vagy Qubit-standardot) mindegyik csőbe.
Óvatosan vortexeljen, és inkubálja szobahőmérsékleten 2 percig (fényérzékeny!).
Egyenként helyezze be a csöveket a Qubitba, és jegyezze fel a koncentrációkat (ng/µL).
- 1-10 ng/µL: Ideális koncentrációtartomány a downstream PCR-hez
- <1 ng/µl: Szükség lehet egy újabb extrakcióra** vagy megnövelt PCR-ciklusokra.
- Kontrollok:
- Pozitív kontroll → DNS jelenlétét kell kimutatni.
- Negatív kontroll → 0 ng/µl vagy “Nem kimutatható”.
- µL → mL: osszuk el 1000-rel (pl. 200 µL ÷ 1000 = 0,2 mL).
- mL → µL: szorozzuk meg 1000-rel (pl. 1,5 mL × 1 000 = 1 500 µL).
Az eDNS-metabarkódolással összefüggésben a DNS-vonalkód a DNS egy rövid, szabványosított - jellemzően 100-600 bázispár hosszúságú - régiója, amely nukleotidok (A, T, C és G) egyedi szekvenciájából áll.
Ez a régió egy fajon belül nagymértékben konzervált (az egyedek között közel azonos marad), de fajok között kellően változatos, így hatékony eszköz a pontos azonosításhoz.
Ahogyan a szupermarketek vonalkódja a termékeket fekete és fehér vonalak mintázata alapján különbözteti meg egymástól, a DNS-vonalkód a fajokat egy egyedi DNS-szekvencia alapján különbözteti meg.
A DNS-vonalkódokat PCR-amplifikáció során primerek (rövid szintetikus DNS-szekvenciák) segítségével célozzák meg.
A halak esetében az általánosan használt vonalkód a 12S rRNS mitokondriális gén, a hal-specifikus primerek pedig pl. MiFish-U.
Az amplifikáció után ezeket a szekvenciákat összehasonlítják referencia adatbázisokkal, mint például a GenBank vagy a BOLD, a fajazonosság megállapítása érdekében.
Ez a megközelítés lehetővé teszi a fajok kimutatását a környezeti DNS mintákban.
Jellemző | DNS-kódolás | DNS-metabarkódolás |
---|---|---|
Cél | Egyszerre csak egy faj | Egyszerre sok faj |
Mintatípus | Egyedi szövet (pl. uszony, pikkely) | Környezeti minta (pl. víz, talaj) |
Módszer | Vonalkód erősítése egy organizmusból | Vonalkód erősítése vegyes közösségi DNS-ből |
Szekvenálás | Egyszerű Sanger-szekvenálás | Nagy áteresztőképességű szekvenálás (pl. MiSeq) |
Felhasználási eset | Fajazonosítás, taxonómia | Közösségi struktúra, biodiverzitás felmérések |
📈 Amplifikálás
Cél: Egy DNS-vonalkód régió felerősítése a DNS kivonatokból polimeráz láncreakció (PCR) segítségével kimutatható szintre.
A PCR (polimeráz láncreakció) a fajok azonosítására használt vonalkódot célozza meg.
Primerek segítségével határozzuk meg a felerősítendő célrégió kezdő- és végpontját.
- Ezek szintetikusan keszülnek és kereskedelmi beszállítóktól (pl. IDT, Eurofins) rendelhetők, és elengedhetetlenek a vonalkód régiók szelektív amplifikálásához.
Két primerre van szükség:
Egy előre irányuló primer, amely a vonalkód régió elején lévő egyik szálhoz kötődik (5′→3′ irányban).
Egy fordított primer, amely a régió végén lévő ellentétes szálhoz kötődik (szintén 5′→3′ írással, de fordított irányban kötődik).
Ezek a primerek a vonalkódot szegélyezik, lehetővé téve a DNS-polimeráz számára, hogy a közöttük lévő specifikus régiót lemásolja.
A DNS kettős szálú spirál formájában tárolja a genetikai utasításokat.
Mindkét szál nukleotidokból, a DNS alapvető építőköveiből áll.
A nukleotidoknak négy típusa van, amelyek mindegyike egy-egy bázist tartalmaz, amelyet egy betű jelképez:
- A = adenin
- T = timin
- C = citozin
- G = Guanin
Ezek a bázisok meghatározott módon párosodnak:
- A = T
- C = G
Tehát, ha az egyik szál: “5′- A T G G C C C A T -3′
A komplementer szála: “3′- T A C G G G G T A -5′”.
A DNS-szintézis és a leolvasás mindig az 5′-3′ irányban történik. Ez azért kulcsfontosságú a molekuláris biológiában, mert:
- A PCR során a DNS-t másoló polimeráz enzimek csak 5′ → 3′ irányban képesek új DNS-szálakat hosszabbítani.
- A primerek tervezésekor figyelembe kell vennünk, hogy melyik szálra és milyen irányban történik a leolvasás.
A DNS egy adott régiójának felerősítéséhez két primert használunk:
- Az előre irányuló primer a előre irányuló szálhoz kötődik, közvetlenül a vonalkód régió előtt (5′ → 3′ irányban).
- A fordított primer a fordított (komplementer) szálhoz kötődik, közvetlenül a vonalkód régió után - de még mindig az 5′ → 3′ irányban.
Képzeljünk el egy 1000 bp-os DNS-darabot, és a vonalkód régió a 421. és 579. pozíció között van.
Régió | Pozíciótartomány | Példa szekvencia |
---|---|---|
Előre irányuló primer | 400-420 (5′ → 3′) | GTCGGTAAAAAACTCTCGTGCCAGC (MiFish-U-F) |
Vonalkód régió (templát) | 421-579 | AGCCTTGAGAACTGCTTAC... |
Fordított primer | 580-600 (5′ → 3′ a fordított szálon) | CATAGTGGGGGGTATCTAATCCCAGTTTG (MiFish-U-R) |
A DNS-polimeráz ezután lemásolja a kettő közötti - amplikonnak nevezett - szegmenst, amely tartalmazza a vonalkódot.
A PCR ismételt hőciklikus ciklizálással jár:
Denaturálás (~94-95 °C): A DNS-szálak egyszálúvá válnak.
Primer tapadás (~50-60 °C): Az előre- és a hátrafelé irányuló primerek a cél-vonalkódot kísérő komplementer szekvenciákhoz kötődnek.
Láncnövekedés (72 °C): A DNS-polimeráz (pl. Taq) új DNS-szálakat szintetizál a primerek között.
Ez a ciklus ~35-40 alkalommal ismétlődik. Minden egyes ciklus megduplázza a DNS mennyiségét.
Az eredmény csak a DNS-vonalkód régió több millió azonos másolata vagy amplikonja - készen áll a szekvenálásra.
A tipikus PCR keverék tartalmazza:
- DNS kivonat
- Kezdő és végpont primerek
- DNS-polimeráz (pl. Taq)
- dNTP-k (A, T, C, G)
- Puffer
Kontrollok:
- Pozitív kontroll: DNS-t tartalmaz az amplifikáció megerősítésére.
- Negatív kontroll: nem adunk hozzá DNS-t - a szennyeződés kimutatására szolgál.
A PCR után az amplikonok gélelektroforézissel ellenőrizhetők a szekvenálás előtt.
A Taq-polimeráz egy DNS-polimeráz, amelyet eredetileg a Thermus aquaticus hőtűrő baktériumból izoláltak.
Hőstabil, ami azt jelenti, hogy magas hőmérsékleti ciklusokban (pl. 94-95 °C) is aktív marad.
Ez a legszélesebb körben használt enzim a standard PCR-hez, mert:
- Tűri az ismételt melegítést és hűtést
- Hatékonyan szintetizálja a DNS-t ~72 °C-on a hosszabbítási lépés során.
A Taq-polimeráz új DNS-szálat épít fel nukleotid-építőblokkok (A, T, C, G) hozzáadásával a sablonszálhoz.
A primerrel kezdi, és minden bázist a komplementerével párosít:
- A párosul T-vel
- C párosul G-vel
Ezáltal egy új, komplementer szál jön létre - lényegében lemásolva az eredeti DNS-t.
🧫 Gélelektroforézis
Cél: A sikeres amplifikáció vizuális megerősítése és a szennyeződések kiszűrése.
- A PCR-termékeket agaróz gélbe töltik, amely egy tengeri moszatból származó poliszacharidból készült porózus mátrix.
Amikor elektromos áramot alkalmazunk:
- A negatív töltésű DNS a pozitív elektróda felé vándorol.
- A kisebb fragmentumok gyorsabban mozognak a gél pórusain keresztül.
- A nagyobb fragmentumok lassabban mozognak.
A gél lefuttatása után a DNS-t fluoreszcens festékkel (pl. GelRed vagy SYBR Safe) festjük meg és UV vagy kék fényben láthatóvá tesszük.
Hasonlítsa össze az egyes minták sávjait egy DNS létrával (méretjelző):
Elvárt méretű tiszta sáv (pl. 200-600 bp a 12S esetében): A PCR valószínűleg sikeres volt.
- bp (bázispár): a DNS-darabkák hosszának mérésére használt egység.
- 1 bp = 1 bázispár (A-T vagy C-G)
- 200-600 bp azt jelenti, hogy a DNS-fragmentum 200-600 bázispár hosszú.
Keveredés vagy többszörös sávok: Nem specifikus amplifikáció vagy lebomlott DNS
Nincs sáv: A PCR sikertelen volt vagy a DNS-templát nem volt elegendő
A kontrollsávoknak mutatniuk kell:
- Pozitív kontroll → Elvárt méretű, éles sáv (pl. 200–600 bp a 12S amplikon esetében)
- Negatív kontroll → Nincsenek sávok (megerősíti a szennyeződés hiányát)
- Minták → A célgéntől függő, konzisztens méretű sávok
Példa
Sáv | Tartalom |
---|---|
1 | DNS létra (méretjelző) |
2 | Pozitív kontroll DNS |
3 | 1. minta |
4 | 2. minta |
… | … |
N | Negatív kontroll |
- Agaróz gél
- TAE vagy TBE puffer
- pH fenntartása (~8,0)
- Vezessünk elektromos áramot
- EDTA-t tartalmaz a DNázok gátlására
- DNS festék (GelRed vagy SYBR Safe)
- DNS létra (DNS méretjelző)
- Gélöntő tálca és fésű
- Elektroforéziskamra és tápegység
- UV vagy kék fényű transzilluminátor
📦 Szekvenálás
Cél: A PCR során előállított felerősített vonalkód régiók DNS-szekvenciáinak leolvasásával meghatározni, hogy mely fajok vannak jelen a mintában.
Lépések:
A különböző mintákból származó PCR-termékeket (amplikonok) egyetlen szekvenáló könyvtárrá egyesítik.
Minden mintát egy egyedi rövid DNS-szekvenciával (vonalkód/index) jelölünk.
→ Ez lehetővé teszi annak azonosítását, hogy a szekvenálás után melyik szekvencia melyik mintából származik.
→ A folyamatot multiplexálásnak nevezik.
A végleges könyvtárat betölti egy nagy áteresztőképességű szekvenáló platformba, jellemzően egy Illumina MiSeq-be.
Az Illumina az úgynevezett szintetikus szekvenálás módszert alkalmazza:
A DNS-darabkákat egyszerre egy bázist másolnak le.
Minden egyes bázis hozzáadásakor fluoreszcens jelet bocsát ki:
- A = Adenin
- T = Thymin
- C = citozin
- G = Guanin
A kamera ezeket a jeleket bázisonként színes villanások sorozataként rögzíti.
Minden egyes szekvenálási futtatás FASTQ-fájlokat készít, amelyek a következőket tartalmazzák:
Millió rövid DNS-olvasat (jellemzően 150-300 bázispár).
Minőségi pontszámok minden egyes bázisra vonatkozóan
Minden leolvasás ideális esetben az amplifikált vonalkód régió (pl. halak esetében a mitokondriális 12S rRNS) egy másolatának felel meg.
- Példa: Az
AGCCTTGAGAACTGCTTAC...
típusú olvasatot egy referenciaadatbázissal való összehasonlítással európai tengeri sügérként lehet azonosítani.
- Példa: Az
💻 Bioinformatika
Cél: A DNS-szekvencia-adatok feldolgozása és értelmezése annak érdekében, hogy azonosítani lehessen, mely fajok voltak jelen az egyes mintákban.
A szekvenálás után minden egyes minta FASTQ-fájlokat eredményez, amelyek a következőket tartalmazzák:
Több millió rövid DNS-olvasat
Minden bázisra vonatkozó minőségi pontszám, amely jelzi a bázishívások megbízhatóságát.
Minőségi szűrés:
A alacsony minőségű olvasatok és a megbízhatatlan bázishívások eltávolítása.
Levágás:
- Maradék primerek
- Adapter szekvenciák
- Zajos bázisok a végeken
- Gyakori eszközök: cutadapt
,
fastp,
Trimmomatic`.
Zajmentesítés és dereplikáció:
- Itt központi szerepet játszik a DADA2.
A DADA2 (Divisive Amplicon Denoising Algorithm 2) egy R csomag, amely a nyers leolvasásokat pontos szekvenciákká alakítja, amelyeket amplikon szekvencia-változatoknak (Amplicon Sequence Variants (ASVs)) nevezünk.
Modellezi és korrigálja a szekvenálási hibákat, hogy visszanyerje a mintákban található igaz biológiai szekvenciákat.
Lépés | Mit csinál a DADA2 |
---|---|
Hibaarányok megtanulása | Felépíti a szekvenálási hibaminták modelljét |
Hibajavítás | Korrigálja a hibákat és feloldja a valódi szekvenciákat |
Dereplikálás | Az azonos olvasatokat egyedi szekvenciákká egyesíti + számol |
Olvasatok kombinálása | Párosított végű olvasatok kombinálása |
Kimerák eltávolítása | Eltávolítja a PCR mesterséges rekombinációs termékeit |
Taxonómia hozzárendelése | Az ASV-ket egy referencia adatbázis (pl. MiFish, GenBank) segítségével címkézi |
Taxonómiai hozzárendelés:
Az ASV-ket egy referencia adatbázis segítségével párosítják ismert fajokkal vagy nemzetségekkel.
Közös adatbázisok:
- GenBank - Széleskörű nukleotid adatbázis.
- MiFish - Hal-specifikus 12S rRNS-strichkódok.
- BOLD - Barcode of Life Data System (különösen a COI génre vonatkozóan)
Társítási eszközök:
- BLAST - Megkeresi a legközelebbi egyezést egy adatbázisban (pl. ASV
AGCCTTGAGAACTGCTTAC...
→ Dicentrarchus labrax (európai tengeri sügér), 99,3%-os azonosság). - QIIME2 - Végponttól-végpontig tartó csővezeték taxonómiai bővítményekkel (pl. BLAST, naiv Bayes).
- MEGAN - BLAST eredmények átalakítása taxonómiai fákká és összefoglalókká.
- BLAST - Megkeresi a legközelebbi egyezést egy adatbázisban (pl. ASV
Itt az anonim DNS-fragmentumok fajneveket kapnak - az adatokat ökológiai jelentéssé alakítja át.
BLAST a Basic Local Alignment Search Tool rövidítése.
- Az ismeretlen DNS-szekvenciát (pl. egy ASV-t) hasonlítja össze egy referenciaadatbázissal, például a GenBankkal, a BOLD-dal vagy a MiFish-sel, hogy megtalálja a leghasonlóbb ismert szekvenciákat.
A BASTA a BLAST-alapú rendszertani hozzárendelés rövidítése.
- A BASTA egy olyan eszköz, amely a BLAST-eredményekre építve automatizált és reprodukálható rendszertani hozzárendelést biztosít az utolsó közös ős (Last Common Ancestor, LCA) megközelítéssel.
A BLAST megtalálja az adatbázisban a legjobban illeszkedő szekvenciákat, a BASTA pedig a BLAST-találatok konszenzusának felhasználásával rendeli hozzá a rendszertani rendszert.
Táblázat generálása:
- A végső lépés egy fajonkénti mátrix létrehozása a biológiai sokféleség mintáinak vizualizálása érdekében.
Fajok | 1. minta | 2. minta | 3. minta |
---|---|---|---|
Európai tengeri sügér | 2134 | 98 | 712 |
Háromtüskés pikó | 435 | 0 | 220 |
Ez az eljárás több millió névtelen DNS-darabkát alakít át használható információkká:
- Milyen fajok voltak jelen?
- Melyik helyszínen volt nagyobb a biológiai sokféleség?
- Hogyan változtak a közösségek térben vagy időben?