stringtranslate.com

Electroforesis en gel de campo pulsado

Un microbiólogo realiza una prueba de electroforesis en gel de campo pulsado utilizada en la tipificación bacteriana.

La electroforesis en gel de campo pulsado ( PFGE ) es una técnica utilizada para la separación de grandes moléculas de ADN aplicando a una matriz de gel un campo eléctrico que cambia periódicamente de dirección. [1] [2] La electroforesis en gel de campo pulsado es un método utilizado para separar grandes segmentos de ADN mediante un campo alterno y cruzado. En un campo magnético uniforme, los componentes de más de 50 kb se mueven a través del gel en forma de zigzag, lo que permite una separación más eficaz de las moléculas de ADN. Este método se utiliza comúnmente en microbiología para tipificar bacterias y es una herramienta valiosa para estudios epidemiológicos y mapeo genético en microbios y células de mamíferos. También jugó un papel en el desarrollo de sistemas de clonación de inserciones grandes, como cromosomas artificiales de bacterias y levaduras . [3]

El PFGE se puede utilizar para determinar la similitud genética entre bacterias, ya que las especies cercanas y similares tendrán perfiles similares, mientras que las diferentes tendrán perfiles diferentes. Esta característica es útil para identificar el agente prevalente de una enfermedad. Además, se puede utilizar para monitorear y evaluar microorganismos en muestras clínicas, suelo y agua. También se considera un método confiable y estándar en la preparación de vacunas. En los últimos años, el PFGE ha sido ampliamente utilizado como una poderosa herramienta para controlar, prevenir y monitorear enfermedades en diferentes poblaciones [3]

Invención y descubrimiento

El PFGE fue inventado y descrito por DC Schwartz y CR Cantor a principios de los años 1980.

Tipos

Existen numerosas implementaciones de instrumentación PFGE, como FIGE, TAFE, CHEF, OFAG, PHOGE y PACE, que se utilizan para aislar y tipificar moléculas de ADN grandes. La elección de qué método utilizar depende de los recursos financieros disponibles y de los objetivos específicos del estudio. [4] [5]

Electroforesis en gel por inversión de campo (FIGE)

Esta es una técnica que separa grandes segmentos de ADN volteando periódicamente dos campos en ángulo recto. El movimiento de las moléculas de ADN se ve facilitado por pulsos más cortos o menos fuerza en la dirección inversa. Este método, introducido por primera vez por Carle, Frank y Olson en 1986, es conocido por su facilidad de uso y popularidad para separar partes más pequeñas de ADN. Proporciona una resolución aceptable de más de 800 Kb. Sin embargo, el movimiento de moléculas de ADN de más de 2 MB puede no ser consistente y moléculas de diferentes tamaños y etiquetas pueden moverse y migrar juntas en la FIGE. [6]

Electroforesis en gel de campo pulsado (PFGE)

Este sistema es una técnica de laboratorio desarrollada por Schwartz y Cantor en 1984. [4] PFGE utiliza campos eléctricos no uniformes para separar grandes fragmentos de ADN. Esto puede provocar variaciones en la migración del ADN a lo largo del gel, lo que dificulta distinguir y mapear los diferentes componentes del genoma, particularmente en células de mamíferos. El ángulo entre los campos eléctricos puede variar, con un rango entre menos de 180 grados y más de 90 grados. A pesar de esta limitación, todavía se pueden separar moléculas de ADN de entre 1000 kb y 2000 kb mediante este método. [7]

Electroforesis en gel con inversión de campo asimétrico (AFIGE)

Este es un método para detectar roturas de doble cadena de ADN (DSB) mediante electroforesis en gel de campo asimétrico inverso. La técnica consiste en extraer ADN de las células, fijarlo en tapones de agarosa y transferirlos al sistema AFIGE. Luego se mide la tasa de rotura del ADN bajo un campo eléctrico invertido y asimétrico, lo que permite una medición cuantitativa. Este método implica exponer el ADN a endonucleasas de restricción, como Xhol, durante un período de tiempo más largo, lo que resulta en un aumento en el número de fracturas. Es específico para detectar ADN bicatenario. [8]

Campo eléctrico homogéneo fijado (CHEF)

Este sistema es un método ampliamente utilizado para la electroforesis en gel de campo pulsado. Fue desarrollado por Clark et al. y crea distorsión en el borde de la cámara y los electrodos pasivos mediante un método complejo. Esto permite el control automático de los electrodos y una disposición hexagonal de 24 electrodos. A diferencia de otros sistemas, CHEF no utiliza electrodos no pasivos y todos los electrodos están conectados a la fuente de alimentación a través de una serie de resistencias anulares idénticas. Estos anillos regulan el voltaje en todos los electrodos, creando un campo eléctrico unitario. El voltaje del sistema CHEF se establece en 24 puntos y utiliza una orientación de ángulo de 120 grados desde el electrodo positivo al electrodo negativo. Este sistema puede separar moléculas de más de 7000 kb de tamaño. La precisión en el control del tamaño, ubicación, coordinación, estabilidad y continuidad del campo eléctrico permite la separación de fragmentos de ADN de diferentes tamaños. [7]

Electrodos programables controlados de forma autónoma (PACE)

El sistema de electroforesis PACE es un método altamente eficiente y flexible para la separación de ADN. Utiliza 24 electrodos dispuestos en un contorno cerrado y permite un ajuste independiente del voltaje, brindando un control completo sobre todos los parámetros del campo eléctrico. El sistema puede producir un número ilimitado de campos eléctricos homogéneos controlados, gradientes de voltaje, dirección y duración del flujo, lo que lo hace superior a otros métodos como FIGE, OFAG y PHOGE. El sistema PACE puede separar fragmentos de ADN desde 100 pb hasta más de 6 Mb y su capacidad para cambiar el ángulo entre la reorientación de corrientes alternas aumenta la velocidad de separación de moléculas de ADN grandes. Es la mejor opción para una separación de ADN confiable y eficiente. [9]

Electroforesis en gel giratorio (RGE)

El método Southern, introducido en 1987, es una técnica utilizada para la separación del ADN. Se trata de girar un gel entre dos ángulos mientras la fuente de alimentación está apagada. El método, también conocido como electroforesis en gel giratorio (RGE), utiliza un campo eléctrico monótono y la separación directa se logra mediante el uso de un único conjunto de electrodos. La rotación del gel permite aplicar una mayor intensidad de voltaje, lo que resulta en un tiempo de aislamiento más corto. Además, el ángulo de rotación se puede ajustar fácilmente para adaptarse a las necesidades específicas de la separación. Este método se considera fácil de usar y es adecuado para ADN con un rango de tamaño de 50 a 6000 Kb. [9]

Electroforesis en gel de campo ortogonal pulsado homogéneo (PHOGE)

El método de orientación en ángulo de 90 grados, también conocido como electroforesis en gel de campo ortogonal pulsado homogéneo (PHOGE), se destaca de otros métodos de PFGE que utilizan campos homogéneos. Este sistema utiliza un ángulo de orientación de 90 grados, lo que da como resultado que las moléculas de ADN se muevan cuatro veces por ciclo en lugar de las dos estándar. El uso de múltiples campos eléctricos también hace que las líneas de ADN no sigan una línea recta, lo que hace que este método sea aún más efectivo. Este sistema está diseñado específicamente para separar fragmentos de ADN de más de 1 Mb, lo que lo convierte en una poderosa herramienta para análisis de ADN de mayor tamaño. [10]

Protocolo

Análisis de conglomerados en BioNumerics de las cepas enteroagregativas de Escherichia coli a partir de la toma de huellas dactilares por electroforesis en gel de campo pulsado

El protocolo normalmente implica los siguientes pasos:

  1. Preparación del gel de agarosa: Se prepara un gel de agarosa mezclando polvo de agarosa con tampón TBE y calentando la mezcla para disolver la agarosa. La agarosa es un polisacárido que forma un gel cuando se disuelve en un tampón y se solidifica. El tampón TBE (Tris-Borato-EDTA) se usa comúnmente en PFGE ya que ayuda a mantener la integridad del ADN durante la electroforesis. El gel se vierte en una bandeja de moldeo y se deja solidificar. Una vez solidificado, el gel se inserta en la cámara de electroforesis.
  2. Carga de la muestra de ADN: La muestra de ADN se digiere con una enzima de restricción para generar un conjunto de fragmentos de tamaño conocido. Las enzimas de restricción son enzimas que cortan el ADN en secuencias específicas. Luego, los fragmentos se cargan en el gel, generalmente en un pozo que se crea perforando un agujero en el gel. Este pocillo se utiliza para cargar la muestra y la muestra se separará por diferentes tamaños de fragmentos en el gel.
  3. Ejecución de la electroforesis: el gel se coloca en la cámara de electroforesis, que está llena con tampón TBE. Se aplica un campo eléctrico pulsado al gel, lo que hace que los fragmentos de ADN migren a través del gel. El tiempo de la electroforesis es generalmente de entre 18 y 48 horas. El principio de esta electroforesis es que los fragmentos de ADN se moverán en el gel bajo un campo eléctrico y migrarán hacia el ánodo. Los fragmentos de ADN más grandes se moverán más lentamente que los más pequeños, lo que permitirá separarlos por tamaño.
  4. Tinción del gel: una vez completada la electroforesis, el gel se retira de la cámara y se tiñe con un tinte específico de ADN, como bromuro de etidio. El bromuro de etidio es un tinte fluorescente que se intercala en el ADN y hace que el ADN emita fluorescencia cuando se expone a la luz ultravioleta. Luego, el gel teñido se visualiza bajo luz ultravioleta para identificar las bandas de ADN. El gel final mostrará diferentes bandas de diferentes tamaños; la banda más grande representa el tamaño de fragmento más grande. [11] [12]

Aplicaciones

El PFGE se puede utilizar para genotipado o toma de huellas genéticas . Durante varias décadas se ha considerado comúnmente un estándar de oro en los estudios epidemiológicos de organismos patógenos. Por ejemplo, la subtipificación de aislados bacterianos con este método ha hecho que sea más fácil discriminar entre cepas de Listeria monocytogenes , Lactococcus garvieae [13] y algunos aislados clínicos del grupo Bacillus cereus [14] aislados de enfermedades de organismos acuáticos y así vincular aislados ambientales o alimentarios. con infecciones clínicas. Ahora está en proceso de ser reemplazado por métodos de secuenciación de próxima generación. [15] De modo que la electroforesis en gel de campo pulsado (PFGE) es una técnica poderosa que se utiliza para analizar genomas bacterianos cuando los métodos genéticos tradicionales no son suficientes. Es particularmente útil para crear mapas estructurales de varios genomas bacterianos dividiéndolos en grandes trozos mediante enzimas de restricción. Luego, estos fragmentos se separan y segregan, lo que permite un análisis detallado del genoma. En otras palabras, PFGE es una técnica avanzada que permite a los científicos obtener una comprensión más profunda de los genomas bacterianos, incluso cuando se enfrentan a preguntas difíciles o complejas. Se ha convertido en un método popular para comprender la estructura de los genomas bacterianos y puede proporcionar información valiosa sobre su comportamiento y características. En resumen, PFGE es un método muy eficaz para analizar genomas bacterianos que permite una comprensión detallada y profunda de su estructura y comportamiento. [dieciséis]

En microbiología clínica

La electroforesis en gel de campo pulsado (PFGE) es una técnica poderosa que se usa ampliamente en microbiología clínica para la caracterización e identificación de patógenos bacterianos. Este método es particularmente útil para tipificar aislados bacterianos a partir de muestras clínicas, como sangre, orina e hisopos de heridas. [17] La ​​capacidad de PFGE para separar grandes fragmentos de ADN, a menudo superiores a 100 kb, permite un alto nivel de resolución y poder discriminatorio. [18]

Una de las aplicaciones más importantes de PFGE en microbiología clínica es la identificación y seguimiento de infecciones nosocomiales, en particular aquellas causadas por bacterias multirresistentes. Por ejemplo, el PFGE se ha utilizado para identificar brotes de Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA) en hospitales y centros de atención a largo plazo. [19] También se ha utilizado para rastrear la propagación de Enterococcus resistente a la vancomicina (VRE) y Acinetobacter baumannii resistente a múltiples fármacos [20].

Además, el PFGE se ha utilizado para controlar la aparición de resistencia a los antibióticos entre patógenos bacterianos. Por ejemplo, se ha utilizado para rastrear la propagación de la resistencia a los antibióticos mediada por plásmidos entre Escherichia coli y Klebsiella pneumoniae. [21]

Finalmente, el PFGE también se utiliza en la caracterización de patógenos bacterianos asociados con enfermedades transmitidas por alimentos. Por ejemplo, se ha utilizado para identificar brotes de Salmonella y Listeria monocytogenes asociados con productos alimenticios contaminados. [22]

En conclusión, la electroforesis en gel de campo pulsado (PFGE) es una técnica poderosa que se usa ampliamente en microbiología clínica para la caracterización e identificación de patógenos bacterianos, especialmente en infecciones nosocomiales, aparición de resistencia a antibióticos y enfermedades transmitidas por alimentos.

Ver también

Referencias

  1. ^ Kaufmann, María Isabel (1998). "Electroforesis en gel de campo pulsado". Bacteriología molecular . Métodos en Medicina Molecular. vol. 15. págs. 33–50. doi :10.1385/0-89603-498-4:33. ISBN 0-89603-498-4. PMID  21390741.
  2. ^ Herschleb, Jill; Ananiev, Gene; Schwartz, David C (marzo de 2007). "Electroforesis en gel de campo pulsado". Protocolos de la Naturaleza . 2 (3): 677–684. doi :10.1038/nprot.2007.94. PMID  17406630. S2CID  13265518.
  3. ^ ab Parizad, Elaheh Gholam (2016). "La aplicación de la electroforesis en gel de campo pulsado en estudios clínicos". Revista de investigación clínica y diagnóstica . 10 (1): DE01-4. doi :10.7860/JCDR/2016/15718.7043. PMC 4740595 . PMID  26894068. 
  4. ^ ab Schwartz, David C.; Cantor, Charles R. (1984). "Separación de ADN del tamaño de cromosomas de levadura mediante electroforesis en gel de gradiente de campo pulsado". Celúla . 37 (1): 67–75. doi :10.1016/0092-8674(84)90301-5. PMID  6373014. S2CID  30743288.
  5. ^ Schwartz, CC; Azafrán, W.; galés, J.; Haas, R.; Goldenberg, M.; Cantor, CR (1 de enero de 1983). "Nuevas técnicas para purificar ADN de gran tamaño y estudiar sus propiedades y empaquetado". Simposios de Cold Spring Harbor sobre biología cuantitativa . 47 : 189-195. doi :10.1101/SQB.1983.047.01.024. ISSN  0091-7451. PMID  6222863.
  6. ^ Carlé, Georges F.; Franco, Marcos; Olson, Maynard V. (4 de abril de 1986). "Separaciones electroforéticas de grandes moléculas de ADN mediante inversión periódica del campo eléctrico". Ciencia . 232 (4746): 65–68. Código Bib : 1986 Ciencia... 232... 65C. doi : 10.1126/ciencia.3952500. ISSN  0036-8075. PMID  3952500.
  7. ^ ab Chu, Gilbert; Vollrath, Douglas; Davis, Ronald W. (19 de diciembre de 1986). "Separación de grandes moléculas de ADN mediante campos eléctricos homogéneos sujetos a contornos". Ciencia . 234 (4783): 1582-1585. Código bibliográfico : 1986 Ciencia... 234.1582C. doi : 10.1126/ciencia.3538420. ISSN  0036-8075. PMID  3538420.
  8. ^ Ribot, Efraín M.; Fitzgerald, Collette; Kubota, Kristy; Swaminathan, Bala; Barrett, Timothy J. (2001). "Protocolo de electroforesis en gel de campo pulsado rápido para la subtipificación de Campylobacter jejuni". Revista de Microbiología Clínica . 39 (5): 1889–1894. doi :10.1128/JCM.39.5.1889-1894.2001. ISSN  0095-1137. PMC 88044 . PMID  11326009. 
  9. ^ ab Basim E, Basim E. Técnica de electroforesis en gel de campo pulsado y su uso en biología molecular. Biol turco. 2001;25:405–18.
  10. ^ Bancroft, Ian; Wolk, C. Peter (1988). "Electroforesis en gel de campo ortogonal homogéneo pulsado (PHOGE)". Investigación de ácidos nucleicos . 16 (15): 7405–7418. doi :10.1093/nar/16.15.7405. ISSN  0305-1048. PMC 338417 . PMID  3412891. 
  11. ^ Dong, Y. (2015). Capítulo 3: Electroforesis en gel de campo pulsado". En: Biotecnología: técnicas y aplicaciones . Springer. págs. 41–62.
  12. ^ Dubois, E (2016). "Electroforesis en gel de campo pulsado: principios, métodos y aplicaciones". Reseñas de Microbiología y Biología Molecular . 1 (80): 1–24.
  13. ^ Rao, S, Chen, MY, Sudpraseart, C, et al. El genotipado y fenotipado de aislados de Lactococcus garvieae de peces mediante electroforesis en gel de campo pulsado (PFGE) y microscopía electrónica indican variaciones geográficas y capsulares. J Pescado Dis. 2022; 45: 771–781. https://doi.org/10.1111/jfd.13601
  14. ^ Cheng, L.-W., Rao, S., Poudyal, S., Wang, P.-C. y Chen, S.-C. (2021). Análisis de genotipo y genes de virulencia de aislados clínicos del grupo Bacillus cereus de la tortuga de caparazón blando china (Pelodiscus sinensis) en Taiwán. Revista de enfermedades de los peces, 44, 1515–1529. https://doi.org/10.1111/jfd.13473
  15. ^ Ribot, Efraín M.; Hombre libre, Molly; Aquí, Kelley B.; Gerner-Smidt, Peter (julio de 2019). "PulseNet: Entrando en la era de la secuenciación de próxima generación". Patógenos y enfermedades transmitidos por los alimentos . 16 (7): 451–456. doi :10.1089/fpd.2019.2634. PMC 6653803 . PMID  31241352. 
  16. ^ Sadoc, Rut; van Leeuwen, Willem; Barkema, Herman; Sampimón, Otlis; Verbrugh, Henri; Schukken, Ynte Hein; van Belkum, Alex (2000). "Aplicación de electroforesis en gel de campo pulsado y tipificación binaria como herramientas en microbiología clínica veterinaria y análisis epidemiológico molecular de aislados de Staphylococcus aureus humano y bovino". Revista de Microbiología Clínica . 38 (5): 1931-1939. doi :10.1128/JCM.38.5.1931-1939.2000. ISSN  0095-1137. PMC 86626 . PMID  10790124. 
  17. ^ Tenover, FC; Arbeit, RD; Goering, RV; Mickelsen, Pensilvania; Murray, SER; Persing, DH; Swaminathan, B (1995). "Interpretación de patrones de restricción de ADN cromosómico producidos por electroforesis en gel de campo pulsado: criterios para la tipificación de cepas bacterianas". Revista de Microbiología Clínica . 33 (9): 2233–2239. doi :10.1128/jcm.33.9.2233-2239.1995. ISSN  0095-1137. PMC 228385 . PMID  7494007. 
  18. ^ McDougal LK, Steward CD, Killgore GE, Chaitram J, McAllister SK, Tenover FC. Tipificación por electroforesis en gel de campo pulsado de aislados de Staphylococcus aureus resistentes a la oxacilina de los Estados Unidos: establecimiento de una base de datos nacional. J Clin Microbiol. 2003;41(2):5113-5120.
  19. ^ Rupp ME, Schmitz FJ, Lonsway DR y otros. Staphylococcus aureus resistente a meticilina en infecciones cutáneas adquiridas en la comunidad. Enfermedad infecciosa emergente. 2008;14(1):9-17.
  20. ^ Kim JH, Kim JY, Lee JY y otros. Epidemiología molecular del enterococo resistente a la vancomicina en Corea del Sur: diseminación del complejo clonal 17. J Antimicrob Chemother. 2013;68(12):2838-2845.
  21. ^ Karch H, Bockemühl J. Resistencia a antibióticos mediada por plásmidos en Escherichia coli y Klebsiella pneumoniae. Clin Microbiol Rev. 2000;13(4):564-582.
  22. ^ Lauer P, Allerberger F, Pettenkofer C, et al. Uso de electroforesis en gel de campo pulsado para la investigación epidemiológica de un brote de Salmonella enterica serotipo Enteritidis en Austria. J Clin Microbiol. 2002;40(4

enlaces externos