Simples massa de Leitura Digital de Ácido Nucleico Quantificação Assays
Summary
We describe an endpoint digital assay for quantifying nucleic acids with a simplified (analog) readout. We measure bulk fluorescence of droplet-based digital assays using a standard qPCR machine rather than specialized instrumentation and confirm our results by microscopy.
Abstract
Ensaios digitais são poderosos métodos que permitem a detecção de células raras e contagem de moléculas de ácido nucleico individuais. No entanto, ensaios digitais ainda não são rotineiramente aplicados, devido ao custo e equipamento específico associado com métodos comercialmente disponíveis. Aqui apresentamos um método simplificado de leitura dos ensaios de gotículas digitais usando um real-time PCR convencional instrumento para medir a fluorescência maior parte dos ensaios digitais baseadas em gotículas.
Nós caracterizar o desempenho do ensaio de leitura, utilizando misturas de grandes quantidades de gotículas de síntese e amplificação por deslocamento de um múltiplo (MDA) ensaio digitais gotícula. Quantitativa MDA particular beneficia de uma reação formato digital, mas o nosso novo método se aplica a qualquer ensaio digital. Para estabelecidos protocolos de ensaio digitais, tais como PCR digital, este método serve para acelerar e simplificar ensaio de leitura.
Nossa metodologia de grandes quantidades de leitura traz as vantagens de partitioned ensaios sem a necessidade de uma instrumentação especializada leitura. As principais limitações da metodologia de leitura em massa são reduzidos alcance dinâmico em comparação com plataformas de gotículas de contagem e a necessidade de uma amostra padrão, embora os requisitos para este padrão são menos exigentes do que para uma experiência em tempo real convencional. Quantitativa genoma inteiro de amplificação (WGA) é usado para testar contaminantes em reacções WGA e é a forma mais sensível para detectar a presença de fragmentos de ADN com sequências desconhecidas, dando ao método uma grande promessa em diversas áreas de aplicação farmacêutica incluindo o controlo de qualidade e astrobiology.
Introduction
Ensaios digitais para quantificação de ácidos nucleicos (PCR digital) 1-4 e com base em ordem (sequência) estão impactando fortemente as ciências da vida e medicina. Ensaios digitais fornecem quantificação de contagens moleculares numa escala absoluta (não relativamente a um controlo), fornecimento de alta sensibilidade, permitindo comparações entre experiências fáceis, e crucialmente, permitindo a construção de grandes bases de dados contendo dados comparáveis 5 (Tabela 1).
Ao longo dos últimos 15 anos, a amplificação do genoma inteiro (WGA) surgiram ao lado de PCR como uma ferramenta geral para a amplificação de ácido nucleico. Como PCR, o WGA é útil para aplicações analíticas e preparativas por amplificar elementos da amostra minuto até um nível que pode ser facilmente detectado ou utilizados para análises posteriores, como a sequenciação base. Ao contrário de PCR, WGA não é específico para um locus de ADN particular, em vez permitindo a amplificação de todas as sequências da amostra, incluindo seqüências desconhecidas.Esta diferença fundamental entre PCR e WGA torna os métodos complementares um ao outro e dá origem a diferentes desafios na sua aplicação.
O alto rendimento das reações WGA 6 permite amplificação rotina de DNA genômico a partir de moléculas individuais 7, 8 células individuais e outras amostras de baixa biomassa 9 para a quantificação ou análise posterior. Os principais desafios associados com a WGA química são a sua extrema sensibilidade à contaminantes e a amplificação desigual entre moléculas do molde 6 individuais. No entanto, WGA está ganhando popularidade como sequenciamento de uma única célula emergiu como o "aplicativo matador" da tecnologia WGA 10, e modelo de quantificação por WGA é importante em muitos campos de aplicação 7.
Instrumentação para a quantificação de ácido nucleico digital foi anteriormente descrito em uma variedade de valvulado e valveless forma de microfluidosTS 11-14, incluindo ensaios baseados em gotículas 15,16 (Tabela 2). No entanto, os sistemas microfluídicos comerciais para análise digital exige equipamento especializado para a configuração de reação e detecção do produto 17. Microfluídica costume valvulados são flexíveis, mas requerem microfabricação de precisão e sistemas de controle pneumático 18. Embora seja relativamente simples de fazer micro-gotas monodispersas para sistemas baseados em emulsão ensaios digitais 19,20, leitura digital é tecnicamente onerosa, exigindo tanto em larga escala em todo o campo de imagem (similar às tecnologias de sequenciamento de próxima geração populares) ou 21,22 alta velocidade de fluxo baseado em detecção de gotículas 23-25. Idealmente, um ensaio digitais seria simples de ajustar-se a leitura, reduzindo a necessidade de instrumentação complexa e permite que um grande número de amostras a ser lida rapidamente. Aqui nós descrevemos um método simplificado para a leitura de ensaios de gotículas digitais que usa um real-time PCR convencional iINSTRUMENTO para medir a fluorescência de grandes quantidades de ensaios digitais baseados em gotículas.
Enquanto a nova abordagem pode ser aplicada para ensaios de PCR digitais, é particularmente vantajoso para os ensaios de WGA digitais para analógico que os ensaios de amplificação em tempo real (que dão excelentes resultados para PCR) são problemáticos. WGA é comumente aplicado a amostras com moléculas do molde que são heterogêneos em sequência, comprimento e conteúdo base. Estas moléculas do molde diferentes são amplificados em diferentes taxas de 6, necessitando da utilização de uma referência ("standard") de uma amostra com características correspondentes. Muitas vezes, há tal padrão é disponível, ou as características das amostras de entrada são desconhecidos. A heterogeneidade do material de entrada e da propriedade dependente do comprimento de químicas de WGA 26 também complicar a interpretação dos resultados, criando ambiguidade em que está a ser quantificado – a massa de entrada, o número de moléculas de entrada, de uma combinação dos dois, ou nenhum deles. Finalmente, a sequência não-especificidade torna amplificação por deslocamento de múltiplos quantitativa (MDA) mais sensíveis à contaminação de PCR quantitativa uma vez que as moléculas de contaminantes de qualquer sequência tem um potencial de interferir. Ensaios digitais microfluídicos abordar a contaminação por segregar moléculas do molde e reduzindo volumes de reacção tais que menos contaminantes são amostrados.
Aqui usamos um método WGA isotérmico popular, MDA 27. De nota, várias outras químicas WGA incluindo PicoPlex e MALBAC 28 dependem crucialmente passos iniciais de deslocamento isotérmico Strand. Etapas isotérmicas exacerbar o desafio de aplicar ensaios em tempo real analógicos para WGA quantitativa. WGA não pode nem ser totalmente impedida durante a instalação, levando a pré-amplificação variável indesejada, nem discretizado ("ciclo") de uma forma em que a replicação de moléculas heterogêneas pode ser conduzido até a conclusão e parou antes do próximo ciclo como PCR 11 </sup> (Figura 1). Um formato de ensaio digital para WGA acolhe procedimentos de configuração típica reação devido à segregação de cada molécula para enumeração no ponto final do ensaio (para pré-amplificação não afeta os resultados) leitura inicial significa precisão seria largamente independente da variação na eficiência de amplificação.
O ensaio depende de gotículas produzidas em óleo com volumes uniformes, como o nível do sinal por gota no ponto final do ensaio vai depender do volume de gotículas, e nós não queremos que a consistência dos resultados que depender de média através de uma distribuição de tamanhos de gotas. Fazendo gotas monodispersas agora é um procedimento padrão (cerca de 3.500 documentos de gotas monodispersas foram publicados desde 2013), mas requer instrumentação microfluídico 25. Na verdade, mais de seis empresas desenvolveram produtos comerciais independentes, que dependem da produção de tais gotas, e chips microfluídicos de tomada de gotículas sãocomercialmente disponível 23,29. Para este estudo, foram utilizados dispositivos microfluídicos personalizados produzidos internamente (veja Protocol). Bombas de Seringa para dirigir escoamento através dos dispositivos estão também disponíveis comercialmente, mas em alternativa, podem ser substituídos com uma única seringa descartável para o fluxo orientado a vácuo para reduzir os custos de 30.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ensaios digitais são poderosos métodos que permitem a detecção de células raras e de contagem individual das moléculas de ácido nucleico. No entanto, ensaios digitais são ainda não rotineiramente aplicados em laboratórios de análises, em parte devido ao custo de equipamento especializado associada com métodos comercialmente disponíveis. Descrevemos aqui um ensaio de ponto final para quantificar digital de ácidos nucleicos com uma leitura analógica simplificado utilizando uma máquina de PCR quantitativa e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge Liyi Xu for providing MDA reagents and protocols. We also thank David Feldman and Navpreet Ranu for discussions relating to this work. This work was supported in part by a Burroughs Wellcome Career Award at the Scientific Interface to PCB.
Materials
| Evagreen Dye | Biotium | 31000 | |
| Bovine serum albumin | New England Biotechnologies | B9000S | |
| Phi29 DNA Polymerase Reaction Buffer | New England Biotechnologies | B0269S | Vortex periodically until aggregate dissolves |
| Lambda DNA | New England Biotechnologies | N3011S | Heated to 50C and quenched on ice prior to dilution |
| Randomized MDA oligos | Integrated DNA Technologies | 5'-NNNNN*N-3' | |
| PCR primers | Integrated DNA Technologies | 5’-CGGCAAACGGGAATGAAACGCC-3’ and 5’-TGCGGCAAAGACAGCAACGG-3’ | |
| UltraPure Nuclease-free water | Life Technologies | 10977-015 | UV-treated for 30m in Stratalinker 2400 before use (optional) |
| ROX reference dye | Life Technologies | 12223-012 | |
| PCR optical strip caps | Life Technologies | 4323032 | |
| PCR tubes | Agilent Technologies | 401428 | |
| dNTP (25uM each) | Agilent Technologies | 200415 | |
| Thermocycler – Mx3000P qPCR system | Agilent Technologies | 401403 | |
| Barrier pipette tips | VWR | 89003-046 | |
| Bio-rad oil for evagreen | Bio-rad | 186-4005 | |
| JumpStart Taq ReadyMix | Sigma-Aldrich | P2893-100RXN |
References
- Sykes, P. J., Neoh, S. H., Brisco, M. J., Hughes, E., Condon, J., Morley, A. A. Quantitation of targets for PCR by use of limiting dilution. Biotechniques. 13 (3), 444-449 (1992).
- Kalinina, O., Lebedeva, I., Brown, J., Silver, J. Nanoliter scale PCR with TaqMan detection. Nucleic Acids Res. 25 (10), 1999-2004 (1997).
- Vogelstein, B., Kinzler, K. W. Digital PCR. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 96 (16), 9236-9241 (1999).
- Day, E., Dear, P. H., McCaughan, F. Digital PCR strategies in the development and analysis of molecular biomarkers for personalized medicine. Methods. 59 (1), 101-107 (2013).
- Tatusova, T., Ciufo, S., Fedorov, B., O’Neill, K., Tolstoy, I. RefSeq microbial genomes database: new representation and annotation strategy. Nucleic Acids Res. 42 (Database issue), D553-D559 (2014).
- Blainey, P. C. The future is now: single-cell genomics of bacteria and archaea. FEMS Microbiol. Rev. 37 (3), 407-427 (2013).
- Blainey, P. C., Quake, S. R. Digital MDA for enumeration of total nucleic acid contamination. Nucleic Acids Res. 39 (4), e19 (2011).
- Blainey, P. C., Quake, S. R. Dissecting genomic diversity, one cell at a time. Nat. Methods. 11 (1), 19-21 (2014).
- Binga, E. K., Lasken, R. S., Neufeld, J. D. Something from (almost) nothing: the impact of multiple displacement amplification on microbial ecology. ISME J. 2 (3), 233-241 (2008).
- . Method of the Year 2013. Nature Methods. 11 (1), 1 (2014).
- Ottesen, E. A., Hong, J. W., Quake, S. R., Leadbetter, J. R. Microfluidic digital PCR enables multigene analysis of individual environmental bacteria. Science. 314 (5804), 1464-1467 (2006).
- Shen, F., Du, W., Kreutz, J. E., Fok, A., Ismagilov, R. F. Digital PCR on a SlipChip.. Lab Chip. 10 (20), 2666-2672 (2010).
- Heyries, K. A., et al. Megapixel digital PCR. Nat. Methods. 8 (8), 649-651 (2011).
- Dressman, D., Yan, H., Traverso, G., Kinzler, K. W., Vogelstein, B. Transforming single DNA molecules into fluorescent magnetic particles for detection and enumeration of genetic variations. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100 (15), 8817-8822 (2003).
- Kiss, M. M., et al. High-throughput quantitative polymerase chain reaction in picoliter droplets. Anal. Chem. 80 (23), 8975-8981 (2008).
- Baker, M. Digital PCR hits its stride. Nat. Methods. 9 (6), 3 (2012).
- Marcus, J. S., Anderson, W. F., Quake, S. R. Parallel picoliter rt-PCR assays using microfluidics. Anal. Chem. 78 (3), 956-958 (2006).
- Lee, M., et al. Synchronized reinjection and coalescence of droplets in microfluidics. Lab Chip. 14 (3), 509-513 (2014).
- Rhee, M., et al. Pressure stabilizer for reproducible picoinjection in droplet microfluidic systems. Lab Chip. 14 (23), 4533-4539 (2014).
- Hatch, A. C., et al. 1-Million droplet array with wide-field fluorescence imaging for digital PCR. Lab Chip. 11 (22), 3838-3845 (2011).
- Hindson, B. J., et al. High-throughput droplet digital PCR system for absolute quantitation of DNA copy number. Anal. Chem. 83 (22), 8604-8610 (2011).
- Guo, M. T., Rotem, A., Heyman, J. A., Weitz, D. A. Droplet microfluidics for high-throughput biological assays. Lab Chip. 12 (12), 2146-2155 (2012).
- Lage, J. M., et al. Whole genome analysis of genetic alterations in small DNA samples using hyperbranched strand displacement amplification and array-CGH. Genome Res. 13 (2), 294-307 (2003).
- Dean, F. B., et al. Comprehensive human genome amplification using multiple displacement amplification. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (8), 5261-5266 (2002).
- Zong, C., Lu, S., Chapman, A. R., Xie, X. S. Genome-wide detection of single-nucleotide and copy-number variations of a single human cell. Science. 338 (6114), 1622-1626 (2012).
- Abate, A. R., Weitz, D. A. Syringe-vacuum microfluidics: A portable technique to create monodisperse emulsions. Biomicrofluidics. 5, 14107 (2011).
- Eyer, K., Kuhn, P., Stratz, S., Dittrich, P. S. A microfluidic chip for the versatile chemical analysis of single cells. J Vis Exp. (80), e50618 (2013).
- Fainman, Y. . Optofluidics : fundamentals, devices, and applications. , (2010).
- Xia, Y. W. G.M. Softlithographie. Angew Chem. 110 (5), 26 (1998).
- Woyke, T., et al. Decontamination of MDA reagents for single cell whole genome amplification. PLoS One. 6 (10), e26161 (2011).
- Hindson, B. J. System for hot-start amplification via a multiple emulsion. US patent. , (2014).
- Utada, A. S., et al. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
- Eastburn, D. J., Sciambi, A., Abate, A. R. Picoinjection enables digital detection of RNA with droplet rt-PCR. PLoS One. 8 (4), e62961 (2013).
- Dube, S., Qin, J., Ramakrishnan, R. Mathematical analysis of copy number variation in a DNA sample using digital PCR on a nanofluidic device. PLoS One. 3 (8), e2876 (2008).
- Shen, F., et al. Multiplexed quantification of nucleic acids with large dynamic range using multivolume digital RT-PCR on a rotational SlipChip tested with HIV and hepatitis C viral load. J Am. Chem. Soc. 133 (44), 17705-17712 (2011).
- Link, D. R., Anna, S. L., Weitz, D. A., Stone, H. A. Geometrically mediated breakup of drops in microfluidic devices. Phys. Rev. Lett. 92 (5), 054503 (2004).
- Nisisako, T., Torii, T. Microfluidic large-scale integration on a chip for mass production of monodisperse droplets and particles. Lab Chip. 8 (2), 287-293 (2008).
- Romanowsky, M. B., Abate, A. R., Rotem, A., Holtze, C., Weitz, D. A. High throughput production of single core double emulsions in a parallelized microfluidic device. Lab Chip. 12 (4), 802-807 (2012).
