DNA片段也會“游泳”！一起了解核酸檢測技術

還記得在初中的生物書上，有一位名叫孟德爾的科學家透過豌豆雜交，發現了遺傳規律。

在隨後的一個世紀裡，科學家們都在追蹤人體遺傳的奧秘——

遺傳物質究竟是什麼？

從第一次分離出核酸，到發現DNA的存在，並進一步證實DNA是遺傳物質，再到60年後克里克和沃森發現DNA雙螺旋結構，科學家們終於開啟了分子生物學的新時代。

那麼在如今的分子生物學研究中，當遇到不同的DNA片段時，我們可以透過什麼方法對這些DNA片段進行區分呢？

目前科學家們發明的檢測技術有很多，例如熒光溶解曲線分析、高效液相色譜分析等等，其中有一種非常基礎但高效便捷的方法，那就是讓DNA片段比賽“游泳”，也就是最經典的

電泳法

。

電泳法是怎麼讓DNA片段們“遊”起來呢？一起來了解一下吧~

什麼是DNA？

DNA這三個字母在日常生活中已經不再陌生，但很多人可能都未聽說過它的全名：Deoxyribonucleic acid （脫氧核糖核酸），英文的縮寫即為DNA。

它是一種長鏈聚合物，參與聚合的每個基本的小單位叫脫氧核糖核苷酸，每一個脫氧核糖核苷酸都由三個部分組成，即磷酸（藍色方塊）、脫氧核糖五碳糖（灰色五角形）、含氮鹼基（不同顏色六邊形）。

不同型別的脫氧核糖核苷酸形成的DNA鏈

不同的脫氧核糖核苷酸小單位透過脫氧核糖五碳糖與磷酸間形成的酯鍵相連，第一位脫氧核糖核苷酸的脫氧核糖五碳糖會結合第二位脫氧核糖核苷酸的磷酸，第二位脫氧核糖核苷酸的脫氧核糖五碳糖再結合第三位脫氧核糖核苷酸的磷酸。（怎麼有點暈……簡單來說就是1的灰色五角形與2的藍色方塊結合，2的灰色五角形再與3的藍色方塊結合）

這樣以此類推，脫氧核糖核苷酸們一個串一個，就組成DNA長鏈的骨架。

同時，每個脫氧核糖單位都會與某一種鹼基相連，組成生物界DNA的鹼基有四種，分別稱為A、T、C、G，這些鹼基沿著DNA長鏈排列。人類身體的所有的遺傳奧秘就蘊藏在這四個字母的排列組合中，排列後形成的序列就是我們常說的遺傳資訊。

但DNA中存在著大量的冗餘資訊，真正與遺傳相關的只是DNA上零零散散的一些片段，這些DNA片段被稱為基因。

通常不同基因所包含的脫氧核苷酸數量是不同的，這也就意味著不同基因的DNA片段長度不同。因此，

大多數情況下，如果區分出了DNA片段的長度，我們就能間接推測出它是哪種基因，也就瞭解了與遺傳相關的資訊。

DNA“游泳”的驅動力—電場

在用於給DNA片段“競賽”的“泳池”中，裝的並不是普通的蒸餾水，而是一種名為TAE（Tris base三羥基氨基甲烷+acetic acid乙酸+EDTA）的緩衝液。

這種緩衝液的pH值相對於DNA分子來說非常高，而核酸DNA片段在pH值如此高的溶液中就會帶上負電。因此，DNA分子一旦“入水”就會渾身帶上負電。

常見的電泳槽（紅色為陽極，黑色為陰極）

此時，如果我們在“泳池”的兩端施加一定大小的電壓，DNA就會在電場力的帶動下向正極方向移動，滿身負電的DNA長鏈片段就獲得了“游泳”的動力。

人們把溶液中帶電荷的微粒在電場中的取向運動形象地稱為電泳。

不過，緩衝液對不同長度DNA分子片段的阻礙作用幾乎是一樣的。這意味著，在這場“游泳比賽”中，幾乎所有DNA分子都是並列第一，無法進行分辨。

因此，科學家們又在“泳池上”下了文章，建造了更為特殊的泳池——

瓊脂糖凝膠。

不一般的“泳池”：瓊脂糖障礙賽

瓊脂糖是一種從海藻中提取出來的線狀高聚物，呈白色粉末狀。

製作瓊脂糖凝膠時，首先需取一些瓊脂糖加入緩衝液中，加熱使其溶解成一種清澈、透明的膠狀液體，趁熱倒入膠模中，並在其一端插進一把“梳子”。

經冷卻，膠體凝固成一種固體基質。此時，緩慢地拔出梳子，凝膠就會形成一排小孔，用於放入混有不同長度DNA分子片段的緩衝液，這裡就是DNA片段分子的“起跑處”了。

DNA樣品被緩緩地加入瓊脂糖凝膠中 （為方便觀察樣液被染成藍色）

這時的瓊脂糖凝膠看起來就像一塊大“果凍”一樣，但是這個“果凍”的內部可不一般，它會形成重重疊疊的線性凝膠網孔，就像訓練士兵的障礙跑道一樣，佈滿了天羅地網。

不同大小DNA分子在瓊脂糖電泳中逐漸分開的過程

這樣一來，長鏈的DNA片段分子想要鑽過這重重的網孔，勢必會比短鏈的DNA片段分子花費更長的時間。

人們利用這種“障礙賽”的形式，可以很輕鬆地區分不同長度的DNA片段。

如果某種DNA片段在一定時間內遊得更遠，說明凝膠對它的阻礙作用越小，該種DNA片段的長度就越短。反之，如果某種DNA片段在一定時間內遊得很近，則說明它的長度很長。

於是，透過長短的不同，人們就可以區分出不同種類的DNA片段了。

DNA片段電泳的原理示意圖

我們還可以

透過調整瓊脂糖的濃度給這場“障礙賽”設定不同的難度等級

，用於分離不同分子量的核酸DNA片段。

當我們調高瓊脂糖的濃度時，長鏈的DNA片段在更加細密的網格中將會“寸步難行”，而短鏈DNA片段之間的小小的“遊速”差異將會被放大，變得更加明顯。

這就彷彿一場高難度的比賽，大部分的普通人（長鏈DNA）都直接被攔在了入口，只剩下“高手”（短鏈DNA）間的較量。

同理，如果我們降低瓊脂糖的濃度，相當於降低了比賽的難度，“高手”們將個個都是滿分，短鏈DNA間的差距會縮小乃至變得無法區分，而長鏈DNA間的差距會更為明顯。

因此，在真正的研究中，一般都會先根據DNA片段的預估大小，選擇合適的瓊脂糖濃度，之後再製膠進行電泳

比賽的裁判—Marker

除了讓未知大小的DNA片段們加入這場電泳“比賽”，為了在電泳完成後更精確地判斷DNA分子的大小，“比賽”中還會隨行一位“裁判”，它被稱為Marker，也就是標記物。

它是由一連串已知大小的DNA片段序列混合在一起組成的，也就意味著，這個小孔里加入的DNA片段分子，有各種各樣的長度，它們會在電場的作用下，前進到不同的位置，這時橫向對比這些標記物，就可以大致推算出未知樣品中DNA鏈的大致長度。

不同染料會在紫外線下呈現出不同的顏色

（兩邊的泳道即為含有多種分子量的標記物Marker）

在電泳完成後，還需要最後一步，就是

如何才能觀察到這些無色又微小DNA片段分子呢？

奧秘也在於這個“泳池”中。

在製作瓊脂糖凝膠未凝固時，還需要在裡面加入一種熒光染料。這種染料會嵌合在DNA片段分子上，並在紫外光的照射下發出熒光。

在電泳完成後，需要將瓊脂糖整塊放入暗室中，開啟紫外燈觀察，此時在有DNA分子停留的位置上，就會顯示有淡淡的熒光。

經過這一場小小的“游泳”比賽後，不同大小的核酸DNA片段就會乖乖地分開，研究者們根據得到的資訊就可以進一步進行相關研究。

核酸電泳是進行核酸DNA片段研究的重要手段，它不僅可以分析脫氧核糖核酸DNA，同時它也能分析核糖核酸RNA（核糖核酸）。

核酸電泳也是核酸探針、核酸擴增和序列分析等新技術中不可或缺的一部分。

雖然現在出現了越來越多的科技含量更高的分析核酸DNA的方法，但是核酸電泳憑藉自身的便捷性與相對低廉的成本，它都將是短時間內不可取代的DNA分析手段呢！