RU2114175C1 - Method of nucleic acid cloning - Google Patents

Method of nucleic acid cloning Download PDF

Info

Publication number
RU2114175C1
RU2114175C1 RU93044929A RU93044929A RU2114175C1 RU 2114175 C1 RU2114175 C1 RU 2114175C1 RU 93044929 A RU93044929 A RU 93044929A RU 93044929 A RU93044929 A RU 93044929A RU 2114175 C1 RU2114175 C1 RU 2114175C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nucleic acids
medium
dna
nucleic acid
rna
Prior art date
Application number
RU93044929A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93044929A (en
Inventor
А.Б. Четверин
Е.В. Четверина
Original Assignee
Институт белка РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт белка РАН filed Critical Институт белка РАН
Priority to RU93044929A priority Critical patent/RU2114175C1/en
Publication of RU93044929A publication Critical patent/RU93044929A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2114175C1 publication Critical patent/RU2114175C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: biotechnology, molecular biology. SUBSTANCE: nucleic acids cloning is carried out by contacting nucleic acids with medium components in vitro containing cell-free enzyme system and substrates that are necessary for exponential multiplication of nucleic acids. Then liquid phase is immobilized by its placing in solid base having the developed surface at an average pore size from 100 mcm to 5 nm followed by incubation under conditions providing exponential multiplication of nucleic acids, detection and analysis of obtained nucleic acid colonies. EFFECT: improved method of nucleic acids cloning. 20 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области молекулярной биологии и биотехнологии, а именно к способам клонирования нуклеиновых кислот. Преимущественной областью использования является получение индивидуальных нуклеиновых кислот. The invention relates to the field of molecular biology and biotechnology, and in particular to methods for nucleic acid cloning. An advantageous field of use is the production of individual nucleic acids.

В настоящее время клонирование нуклеиновых кислот осуществляют in vivo, то есть в живых клетках. Процедура клонирования включает ряд стадий, таких как встраивание (легирование) фрагментов нуклеиновых кислот в клонирующие векторы (например, плазмиды или вирусные геномы), трансформация живых клеток полученными рекомбинантными молекулами, и получение колоний трансформированных клеток или вирусных "бляшек" на поверхности питательного агара [1]. Здесь используется способность живых клеток и вирусов к экспоненциальному размножению, благодаря чему можно быстро получить большое потомство каждой трансформированной клетки, несущей желательную нуклеиновую кислоту. Эту процедуру часто называют молекулярным клонированием, что не вполне верно, так как клонируют клетки или вирусы, а не молекулы. Кроме того, рекомбинантные нуклеиновые кислоты размножаются в клетках наряду с клеточными ДНК и РНК, что требует их последующей очистки. Currently, nucleic acid cloning is carried out in vivo, i.e. in living cells. The cloning procedure involves a number of steps, such as embedding (doping) nucleic acid fragments into cloning vectors (eg, plasmids or viral genomes), transforming living cells with recombinant molecules obtained, and obtaining transformed cell colonies or viral “plaques” on the surface of nutrient agar [1 ]. It uses the ability of living cells and viruses to exponentially multiply, so that you can quickly get large offspring of each transformed cell that carries the desired nucleic acid. This procedure is often called molecular cloning, which is not entirely true, since cells or viruses are cloned, not molecules. In addition, recombinant nucleic acids multiply in cells along with cellular DNA and RNA, which requires subsequent purification.

В настоящее время известен ряд способов экспоненциального размножения нуклеиновых кислот в бесклеточных системах, таких как размножение РНК вирусными РНК-зависимыми полимеразами (ВРП), размножение ДНК в полимеразной цепной реакции (ПЦР) и изотермическая трехферментная система самоподдерживающегося размножения (3СР). Реакции экспоненциального размножения нуклеиновых кислот in vitro проводят в жидких средах, содержащих компоненты бесклеточной ферментной системы, в том числе реакционный буфер, соответствующие ферменты, нуклеотидные субстраты и, когда необходимо, полимеризационные затравки. Благодаря экспоненциальной природе описанных реакций размножения каждая из них могла бы быть использована для быстрого получения многочисленного потомства одиночных молекул нуклеиновых кислот. Это дало бы возможность клонировать нуклеиновые кислоты in vitro, то есть, дало бы альтернативу традиционному клонированию генов в живых клетках. Currently, there are a number of known methods for the exponential propagation of nucleic acids in cell-free systems, such as RNA propagation by viral RNA-dependent polymerases (GRP), DNA multiplication in the polymerase chain reaction (PCR), and isothermal three-enzyme system of self-sustaining reproduction (3CP). In vitro exponential propagation reactions of nucleic acids are carried out in liquid media containing components of a cell-free enzyme system, including a reaction buffer, corresponding enzymes, nucleotide substrates and, when necessary, polymerization seeds. Due to the exponential nature of the described propagation reactions, each of them could be used to quickly obtain numerous offspring of single nucleic acid molecules. This would make it possible to clone nucleic acids in vitro, that is, would provide an alternative to traditional gene cloning in living cells.

В ВРП реакции экспоненциальный синтез достигается благодаря тому, что как матричная РНК, так и синтезированная РНК остаются однонитевыми, и обе служат одинаково эффективными матрицами в последующих циклах репликации. Эта реакция не требует затравок. Вирусные РНК полимеразы, такие как Qβ репликаза, демонстрируют узкую матричную специфичность, основанную на узнавании ферментом особых структур, которые присутствуют в специфических матричных РНК, но отсутствуют в других РНК. РНК, содержащие такие структуры, называют реплицирующимися РНК. Другие РНК, не являющиеся реплицирующимися, могут быть размножены в ВРП реакции, если они встроены в цепочку реплицирующейся РНК [2] . Такие рекомбинантные реплицирующиеся РНК были использованы для внеклеточного размножения мРНК, кодирующих белки [3]. In the GRP reaction, exponential synthesis is achieved due to the fact that both messenger RNA and synthesized RNA remain single-stranded, and both serve as equally efficient matrices in subsequent replication cycles. This reaction does not require seeds. Viral RNA polymerases, such as Qβ replicase, exhibit a narrow matrix specificity based on the recognition by the enzyme of special structures that are present in specific matrix RNAs but are absent in other RNAs. RNAs containing such structures are called replicating RNAs. Other RNAs that are not replicating can be propagated in the GRP reaction if they are integrated into the chain of replicating RNA [2]. Such recombinant replicating RNAs were used for extracellular reproduction of mRNAs encoding proteins [3].

ПЦР используют для внеклеточного размножения ДНК. Для осуществления этой реакции необходимы две олигонуклеотидных затравки, которые комплементарны участкам цепочек двунитевой ДНК, ограничивающим размножаемый фрагмент (мишень). Эти затравки отжигаются с ДНК и наращиваются во взаимно встречных направлениях ДНК полимеразой. В отличие от ВРП реакции, матричная и синтезируемая цепочки ДНК оказываются в дуплексе, который необходимо расплавить при повышенной температуре, чтобы разрешить последующие циклы репликации, в которых каждая из цепочек служит матрицей. Процесс многократно повторяется путем циклической смены температур, при которых происходит отжиг затравки и плавление дуплекса ДНК, что приводит к экспоненциальному размножению ДНК-мишени [4] . В настоящее время ПЦР проводят с использованием термоустойчивых ДНК-полимераз, которые выдерживают многократную смену температур без потери активности [5] . Необходимость циклической смены температур требует наличия специального оборудования и делает ПЦР на порядок медленнее ВРП реакции. В то же время, любая ДНК-мишень может быть размножена в ПЦР при наличии пары специфических затравок, без надобности в изготовлении рекомбинантной молекулы. PCR is used for extracellular DNA reproduction. To carry out this reaction, two oligonucleotide seeds are necessary, which are complementary to sections of double-stranded DNA chains that limit the propagated fragment (target). These seeds are annealed with DNA and grow in mutually opposite directions by DNA polymerase. Unlike the GRP reaction, the matrix and synthesized DNA strands end up in a duplex, which must be melted at elevated temperature to allow subsequent replication cycles in which each of the strands serves as a matrix. The process is repeated many times by cyclically changing the temperatures at which annealing of the seed and melting of the DNA duplex occurs, which leads to the exponential propagation of the target DNA [4]. Currently, PCR is carried out using heat-resistant DNA polymerases that can withstand multiple temperature changes without loss of activity [5]. The need for cyclic temperature changes requires special equipment and makes PCR an order of magnitude slower than the GRP reaction. At the same time, any target DNA can be propagated by PCR in the presence of a pair of specific seeds, without the need for the manufacture of a recombinant molecule.

Способ размножения нуклеиновых кислот в трехферментной системе самоподдерживающегося размножения (3СР) соединяет преимущества ПЦР и ВРП реакции. 3СР основана на совместном действии трех ферментов: ДНК- зависимой РНК-полимеразы, обратной транскриптазы и РНКазы H [6]. В качестве стартовой матрицы может служить как фрагмент двунитевой ДНК, несущий на каждом конце промотор какой-либо РНК-полимеразы, так и однонитевая РНК. РНК-полимераза (например, РНК-полимераза фага Т7) использует двунитевую ДНК для синтеза многочисленных однонитевых РНК- транскриптов с последовательности ДНК, лежащей вслед за промотором на каждой цепочке ДНК. Обратная транскриптаза (например, обратная транскриптаза вируса миелобластоза птиц) синтезирует двунитевые кДНК-копии РНК-транскриптов, используя затравки, комплементарные 3'-концам транскриптов и содержащие последовательность промотора РНК-полимеразы для восстановления этой последовательности на каждом конце кДНК. РНКаза H разрушает РНК-матрицу, вовлеченную в РНК/ДНК гетеродуплекс после синтеза первой цепи кДНК, тем самым позволяя синтезироваться второй цепи кДНК. Действие РНК-полимеразы и РНКазы H приводит к образованию однонитевых матриц, что позволяет экспоненциально размножать нуклеиновые кислоты в отсутствие циклического изменения температуры. Скорость 3СР реакции сравнима со скоростью ВРП реакции, причем подобно ПЦР использование 3СР не требует создания рекомбинантых нуклеиновых кислот. Продуктом 3СР реакции является смесь молекул двунитевых ДНК и однонитевых РНК. The method of propagation of nucleic acids in a three-enzyme system of self-sustaining reproduction (3CP) combines the advantages of PCR and GRP reaction. 3СР is based on the combined action of three enzymes: DNA-dependent RNA polymerase, reverse transcriptase, and RNase H [6]. As a starting matrix, a double-stranded DNA fragment carrying a promoter of any RNA polymerase and single-stranded RNA can be used at each end. RNA polymerase (for example, T7 phage RNA polymerase) uses double-stranded DNA to synthesize multiple single-stranded RNA transcripts from the DNA sequence following the promoter on each DNA strand. Reverse transcriptase (e.g. reverse transcriptase of avian myeloblastosis virus) synthesizes double-stranded cDNA copies of RNA transcripts using seeds complementary to the 3'-ends of the transcripts and containing the RNA polymerase promoter sequence to restore this sequence at each end of the cDNA. RNase H destroys the RNA matrix involved in heteroduplex RNA / DNA after synthesis of the first cDNA strand, thereby allowing the second cDNA strand to be synthesized. The action of RNA polymerase and RNase H leads to the formation of single-stranded matrices, which allows exponentially multiply nucleic acids in the absence of cyclic temperature changes. The rate of 3CP reaction is comparable to the rate of GRP reaction, and like PCR, the use of 3CP does not require the creation of recombinant nucleic acids. The product of the 3CP reaction is a mixture of double-stranded DNA and single-stranded RNA molecules.

В качестве прототипа настоящего изобретения может быть рассмотрена работа Левисона и Спигельмана [7], заявивших, что им удалось клонировать молекулы РНК, используя Qβ репликазную систему размножения. Они наблюдали синтез РНК в примерно половине образцов после добавления РНК-матрицы, разбавленной до такой степени, чтобы в среднем получить 0,5 молекулы РНК на образец. Очевидно, использованный прием не может гарантировать получения потомства единственной молекулы, так как из-за случайности распределения в образце может оказаться две, три и более матричных молекул. Более того, в этих экспериментах продукт синтеза не был идентифицирован, а вывод авторов был поставлен под сомнение наблюдением, что синтез РНК в Qβ репликазной системе может происходить даже в отсутствие добавленной матрицы [8]. Недавно было показано, что этот спонтанный синтез РНК вызывается реплицирующимися РНК, загрязняющими окружающее пространство, и что в среднем образец содержит до 100 посторонних молекул реплицирующихся РНК [9]. Проблема загрязнений также присуща ПЦР и ЗСР реакции, хотя она и не столь серьезна, как в случае ВРП реакции, поскольку размножение нуклеиновых кислот находится под контролем олигонуклеотидных затравок, комплементарных мишени. Более существенной в этом случае является ограниченная специфичность затравок. Из-за наличия неправильного спаривания оснований и гетерогенности олигонуклеотидных затравок возможен отжиг затравки на чужеродной матрице, присутствующей в образце, который начинает заметно конкурировать с правильным отжигом при понижении доли специфических матриц в образце ниже определенного предела. По крайней мере, 100 копий специфической матрицы должно присутствовать в образце для надежного запуска ПЦР [10]. Таким образом, ни один из существующих методов внеклеточного размножения нуклеиновых кислот не позволяет достичь истинного клонирования in vitro, то есть получения однородного потомства единственной молекулы в бесклеточной системе. As a prototype of the present invention can be considered the work of Levison and Spigelman [7], who stated that they were able to clone RNA molecules using Qβ replicase reproduction system. They observed RNA synthesis in about half of the samples after adding an RNA matrix diluted to such an extent that an average of 0.5 RNA molecules per sample was obtained. Obviously, the technique used cannot guarantee the progeny of a single molecule, since due to the random distribution in the sample, there may be two, three or more matrix molecules. Moreover, in these experiments, the synthesis product was not identified, and the authors' conclusion was questioned by the observation that RNA synthesis in the Qβ replicase system can occur even in the absence of an added matrix [8]. It has recently been shown that this spontaneous RNA synthesis is caused by replicating RNAs polluting the surrounding space, and that on average the sample contains up to 100 foreign replicating RNA molecules [9]. The contamination problem is also inherent in the PCR and ZSR reactions, although it is not as serious as in the case of the GRP reaction, since the multiplication of nucleic acids is controlled by oligonucleotide seeds complementary to the target. More significant in this case is the limited specificity of the seeds. Due to the presence of incorrect base pairing and heterogeneity of oligonucleotide seeds, it is possible to anneal the seeds on a foreign matrix present in the sample, which begins to compete noticeably with the correct annealing while lowering the proportion of specific matrices in the sample below a certain limit. At least 100 copies of the specific template must be present in the sample for reliable PCR start-up [10]. Thus, none of the existing methods of extracellular reproduction of nucleic acids allows one to achieve true in vitro cloning, that is, to obtain homogeneous offspring of a single molecule in a cell-free system.

Настоящее изобретение основано на обнаружении нами того факта, что нуклеиновые кислоты подобно микроорганизмам могут быть выращены в виде колоний в иммобилизованной среде. Предлагаемый способ позволяет клонировать молекулы нуклеиновых кислот in vitro, несмотря на загрязнение образца посторонними матрицами и на неспецифический отжиг затравок на чужеродных матрицах. Возможно использование любых бесклеточных систем экспоненциального размножения нуклеиновых кислот, таких как ВРП реакция, ПЦР или 3СР реакция. В отличие от указанного прототипа и других известных способов размножения нуклеиновых кислот в жидких средах потомство (клон) каждой одиночной молекулы нуклеиновой кислоты образует колонию молекул в ограниченной зоне вокруг родительской матрицы. Разные колонии занимают, как правило, разные зоны иммобилизованной среды, что позволяет наблюдать индивидуальные колонии и манипулировать с ними по-отдельности. The present invention is based on our discovery of the fact that nucleic acids, like microorganisms, can be grown as colonies in an immobilized medium. The proposed method allows to clone nucleic acid molecules in vitro, despite the contamination of the sample with foreign matrices and non-specific annealing of seeds on foreign matrices. It is possible to use any acellular systems of exponential reproduction of nucleic acids, such as the GRP reaction, PCR, or 3CP reaction. In contrast to the prototype and other known methods of propagation of nucleic acids in liquid media, the offspring (clone) of each single nucleic acid molecule forms a colony of molecules in a limited area around the parent matrix. Different colonies occupy, as a rule, different zones of the immobilized medium, which makes it possible to observe individual colonies and to manipulate them separately.

На фиг. 1 схематически изображает рост колоний нуклеиновых кислот в иммобилизованной среде; на фиг. 2 колонии РНК, выросшие в тонком слое иммобилизованной среды, содержащей компоненты Qβ репликазной системы. In FIG. 1 schematically depicts the growth of nucleic acid colonies in an immobilized medium; in FIG. 2 RNA colonies grown in a thin layer of immobilized medium containing Qβ components of the replicase system.

Иммобилизованная среда для клонирования нуклеиновых кислот включает жидкую фазу, заключенную в твердой основе. Твердая основа иммобилизованной среды может иметь разнообразную структуру, например пористую, волокнистую, сетчатую, капиллярную, слоистую, складчатую. Основным требованием к твердой основе является наличие развитых поверхностей, пронизывающих жидкую фазу, среднее расстояние между которыми обеспечивает ту или иную степень иммобилизации жидкости за счет ее трения о поверхность и структурирования воды вблизи поверхности. Предпочтительно использовать твердую основу со средним расстоянием между поверхностями (размером пор) от 100 мкм (крупнопористая основа) до 5 нм (мелкопористая основа). Верхний предел размера пор должен быть меньше расстояния, на которое размножаемые нуклеиновые кислоты способны диффундировать за время инкубации (порядка 1 мм за час инкубации при комнатной температуре для нуклеиновых кислот длиной около 100 нуклеотидов, ср. фиг. 2A - 2B). Нижний предел размера пор должен быть несколько больше линейных размеров нуклеиновых кислот и/или ферментов, чтобы обеспечить их подвижность, необходимую для протекания реакции размножения нуклеиновых кислот. В качестве твердой основы может служить трехмерная сеть, образуемая отдельными молекулами полимеров или их агрегатами; склеенные, спеченные или спрессованные водонерастворимые порошки, мелкие гранулы или кристаллы; губчатые материалы; плотно упакованные волокна, капилляры или пленки (например, полимерная пленка или металлическая фольга). Основными требованиями к материалу, из которого изготавливают твердую основу, является его химическая инертность в условиях инкубации, гидрофильность формируемой им поверхности, а также отсутствие физических воздействий на ферменты (например, их необратимая сорбция на поверхности), влекущих их инактивацию. Подходящими материалами для изготовления твердой основы являются различные органические или неорганические носители, используемые в биотехнологии для хроматографии и электрофореза биополимеров, для иммобилизации ферментов, а также для выращивания микроорганизмов, клеток и вирусов. Примерами таких носителей являются агароза, полиакриламид, желатин, альгинат, карагеннан, целлюлоза, силикагель, губчатый титан, оксиапатит, химически сшитые агароза, декстран и полиэтиленгликоль, а также их комбинации и производные. The immobilized nucleic acid cloning medium comprises a liquid phase enclosed in a solid base. The solid base of the immobilized medium may have a diverse structure, for example, porous, fibrous, mesh, capillary, layered, folded. The main requirement for a solid base is the presence of developed surfaces that penetrate the liquid phase, the average distance between which provides a degree of immobilization of the liquid due to its friction against the surface and the structuring of water near the surface. It is preferable to use a solid base with an average distance between surfaces (pore size) from 100 μm (large-pore base) to 5 nm (fine-pore base). The upper limit of pore size should be less than the distance by which propagated nucleic acids are able to diffuse during the incubation period (of the order of 1 mm per hour of incubation at room temperature for nucleic acids with a length of about 100 nucleotides, cf. FIGS. 2A - 2B). The lower limit of pore size should be slightly larger than the linear dimensions of nucleic acids and / or enzymes to ensure their mobility necessary for the nucleic acid multiplication reaction to proceed. A three-dimensional network formed by individual polymer molecules or their aggregates can serve as a solid base; glued, sintered or pressed water-insoluble powders, fine granules or crystals; sponge materials; tightly packed fibers, capillaries or films (e.g. polymer film or metal foil). The main requirements for the material from which the solid base is made is its chemical inertness under incubation conditions, the hydrophilicity of the surface formed by it, and the absence of physical effects on the enzymes (for example, their irreversible sorption on the surface), which entail their inactivation. Suitable materials for the manufacture of a solid base are various organic or inorganic carriers used in biotechnology for chromatography and electrophoresis of biopolymers, for immobilization of enzymes, as well as for the growth of microorganisms, cells and viruses. Examples of such carriers are agarose, polyacrylamide, gelatin, alginate, carrageenan, cellulose, silica gel, sponge titanium, hydroxyapatite, chemically crosslinked agarose, dextran and polyethylene glycol, as well as combinations and derivatives thereof.

Согласно изобретению, иммобилизованная среда для клонирования нуклеиновых кислот содержит также компоненты системы размножения, включающей бесклеточную ферментную систему, способную к экспоненциальному размножению нуклеиновых кислот. Примеры такой бесклеточной системы рассмотрены выше. Ферменты, входящие в состав бесклеточной системы, могут быть либо растворены в жидкой фазе, либо иммобилизованы на твердой основе. Реакционный буфер, размножаемые нуклеиновые кислоты, субстраты и (где необходимо) затравки вводят в жидкую фазу. According to the invention, the immobilized medium for cloning nucleic acids also contains components of a reproduction system comprising a cell-free enzyme system capable of exponentially multiplying nucleic acids. Examples of such a cell-free system are discussed above. The enzymes that make up the cell-free system can either be dissolved in the liquid phase or immobilized on a solid basis. The reaction buffer, propagated nucleic acids, substrates, and (where necessary) seeds are introduced into the liquid phase.

При размножении в иммобилизованной среде нуклеиновые кислоты образуют колонии, как схематически показано на фиг. 1. На верхней диаграмме представлен фрагмент 11 иммобилизованной среды, образуемой сетью твердой основы 12 и водным раствором 13, содержащим молекулы фермента 14, нуклеиновокислотные матрицы 15, а также субстраты и реакционный буфер. В результате инкубации иммобилизованной среды в течение определенного времени при температурном режиме, подходящем для размножения нуклеиновых кислот, образуются колонии нуклеиновых кислот 16 в зонах локализации родительских матриц. When propagated in an immobilized medium, nucleic acids form colonies, as schematically shown in FIG. 1. The upper diagram shows a fragment 11 of an immobilized medium formed by a solid base network 12 and an aqueous solution 13 containing enzyme molecules 14, nucleic acid matrices 15, as well as substrates and reaction buffer. As a result of incubation of the immobilized medium for a certain time at a temperature suitable for the propagation of nucleic acids, colonies of nucleic acids 16 are formed in the localization zones of the parent matrices.

Предпочтительно, чтобы твердая основа иммобилизованной среды, используемой для клонирования, могла обратимо взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами. Это позволяет существенно подавить диффузию молекул нуклеиновых кислот и получить колонии меньшего размера, с более четкими краями и большей концентрацией нуклеиновых кислот; иными словами, значительно увеличить разрешающую способность метода. Большинство гидрофильных полимеров способно к взаимодействию с нуклеиновыми кислотами благодаря образованию водородных связей. Эта способность может быть усилена путем химической модификации твердой основы положительно заряженными группами, способными к ионным взаимодействиям с фосфатными остатками нуклеиновых кислот, и/или умеренно гидрофобными группами, способными к взаимодействиям с пуриновыми или пиримидиновыми кольцами. Например, твердая основа может быть модифицирована слабокатионными группами, такими как этиламиноэтильными или диэтиламиноэтильными, или интеркалирующими красителями, такими как этидиум или пропидиум. Интеркалирующие красители способны к гидрофобным взаимодействиям со стекингованными основаниями нуклеиновых кислот и при этом несут положительный заряд. Более того, присутствие интеркалирующих красителей в иммобилизованной среде позволяет обнаруживать колонии нуклеиновых кислот с помощью флуоресценции (см. ниже). Preferably, the solid base of the immobilized medium used for cloning can reversibly interact with nucleic acids. This allows you to significantly suppress the diffusion of nucleic acid molecules and to obtain smaller colonies with sharper edges and a higher concentration of nucleic acids; in other words, significantly increase the resolution of the method. Most hydrophilic polymers are capable of interacting with nucleic acids due to the formation of hydrogen bonds. This ability can be enhanced by chemically modifying the solid support with positively charged groups capable of ionic interactions with phosphate nucleic acid residues and / or moderately hydrophobic groups capable of interacting with purine or pyrimidine rings. For example, a solid base can be modified with weakly cationic groups, such as ethylaminoethyl or diethylaminoethyl, or intercalating dyes, such as ethidium or propidium. Intercalating dyes are capable of hydrophobic interactions with stacked nucleic acid bases and at the same time carry a positive charge. Moreover, the presence of intercalating dyes in an immobilized medium makes it possible to detect nucleic acid colonies using fluorescence (see below).

Чтобы предотвратить распространение нуклеиновых кислот в иммобилизованной среде в процессе роста колоний, очень важно не допускать наличие неиммобилизованной жидкости. В частности, нельзя допускать конденсации воды на поверхности иммобилизованной среды. В то же время нельзя допускать и пересыхания иммобилизованной среды, что может приводить к инактивации ферментов. Пересыхание иммобилизованной среды можно предотвратить путем проведения инкубаций в плотно закрытой камере, кассете или запаянном пластиковом пакете, а также оборачиванием среды водонепроницаемой пленкой или наслаиванием минерального масла. To prevent the spread of nucleic acids in the immobilized medium during the growth of colonies, it is very important to prevent the presence of immobilized fluid. In particular, condensation of water on the surface of the immobilized medium cannot be allowed. At the same time, drying of the immobilized medium should not be allowed, which can lead to inactivation of enzymes. Drying of the immobilized medium can be prevented by incubating in a tightly closed chamber, cassette or sealed plastic bag, as well as wrapping the medium with a waterproof film or layering mineral oil.

Предпочтительно, чтобы реакция размножения не начиналась до полной иммобилизации среды. Это условие легко выполнимо в случае ПЦР, так как в этом случае реакция запускается циклическим изменением температуры. В случае реакций экспрессии или изотермического размножения, таких как ВРП или 3СР реакция, это условие выполняется либо путем приготовления среды при или около 0oC, когда скорость реакции мала, либо путем помещения ферментов и субстратов в разные зоны иммобилизованной среды, после чего субстраты диффундируют в ферментную зону, либо путем использования защищенных субстратов (химически недоступных ферменту) с последующим удалением защиты и высвобождением нормального субстрата. Примером защищенного субстрата является светочувствительное производное АТР, в котором γ -фосфат модифицирован 1-(2-нитро)фенилэтильной группой [11], и которое может быть превращено в АТР фотолизом для запуска реакции размножения.Preferably, the propagation reaction does not start until the medium is completely immobilized. This condition is easily satisfied in the case of PCR, since in this case the reaction is triggered by a cyclic change in temperature. In the case of expression reactions or isothermal propagation, such as GRP or 3CP reaction, this condition is fulfilled either by preparing the medium at or around 0 o C, when the reaction rate is low, or by placing enzymes and substrates in different zones of the immobilized medium, after which the substrates diffuse to the enzyme zone, or by using protected substrates (chemically inaccessible to the enzyme), followed by deprotection and release of the normal substrate. An example of a protected substrate is the photosensitive ATP derivative, in which γ-phosphate is modified by a 1- (2-nitro) phenylethyl group [11], and which can be converted into ATP by photolysis to initiate the propagation reaction.

Для клонирования предпочтительно использовать иммобилизованную среду, приготовленную в виде тонкого слоя. В этом случае растущие колонии располагаются в двух измерениях, что облегчает их наблюдение, анализ и пересев, а также позволяет изготавливать реплики, например, путем частичного переноса колоний на мембранный фильтр. Реплики можно использовать для анализа колоний, для их пересева на новую среду, а также хранить в течение длительного времени. For cloning, it is preferable to use an immobilized medium prepared in the form of a thin layer. In this case, the growing colonies are located in two dimensions, which facilitates their observation, analysis and reseeding, and also allows you to make replicas, for example, by partially transferring the colonies to a membrane filter. Replicas can be used to analyze colonies, to transfer them to a new medium, and also to store for a long time.

Малая толщина слоя уменьшает температурные градиенты в поперечном направлении (что особенно важно в случае ПЦР) и облегчает диффузию субстратов в ферментный слой при использовании сэндвичевых сред с раздельными ферментным и субстратным слоями (см. ниже). Предпочтительно, чтобы толщина слоя не превышала размера колоний (который определяется, главным образом, скоростью линейной диффузии нуклеиновых кислот), то есть была в пределах нескольких миллиметров. Наиболее предпочтительно использовать очень тонкие слои, так как это повышает разрешающую способность метода. Нижний предел толщины слоя зависит от механической прочности твердой основы, от способности предотвратить пересыхание слоя при манипуляциях и в процессе реакции размножения, а также от чувствительности метода, используемого для анализа колоний. На практике удовлетворительные результаты получаются при толщине слоя от 1 мм до 50 мкм. Конечно, могут быть использованы более толстые (например, 10 мм) и более тонкие (до 1 мкм) слои. Если используют более толстые слои, то предпочтительно помещать ферменты и субстраты в разные слои, которые накладывают друг на друга, и/или вводить нуклеиновокислотные матрицы на поверхность слоя или между слоями, чтобы ограничить реакцию размножения узкой зоной вблизи поверхностей слоев. Более тонкие слои предпочтительно иммобилизовывать на подложке из прочного материала, такой как стеклянная, металлическая или пластиковая пластинка или пленка. The small thickness of the layer reduces the temperature gradients in the transverse direction (which is especially important in the case of PCR) and facilitates the diffusion of substrates into the enzyme layer when using sandwich media with separate enzyme and substrate layers (see below). Preferably, the layer thickness does not exceed the size of the colonies (which is determined mainly by the linear diffusion rate of nucleic acids), that is, within a few millimeters. It is most preferable to use very thin layers, as this increases the resolution of the method. The lower limit of the layer thickness depends on the mechanical strength of the solid base, on the ability to prevent drying out of the layer during manipulations and in the process of reproduction, as well as on the sensitivity of the method used to analyze colonies. In practice, satisfactory results are obtained with a layer thickness of 1 mm to 50 μm. Of course, thicker (e.g. 10 mm) and thinner (up to 1 μm) layers can be used. If thicker layers are used, it is preferable to place the enzymes and substrates in different layers that are stacked on top of each other, and / or introduce nucleic acid matrices on the surface of the layer or between layers in order to limit the propagation reaction to a narrow zone near the layer surfaces. Thinner layers are preferably immobilized on a substrate of a durable material, such as a glass, metal or plastic plate or film.

Выбор техники приготовления тонких слоев зависит от свойств твердой основы, от температурного режима реакции, от свойств ферментов, используемых для реакции (как например, их способность переносить условия формирования полимерной основы), а также от того, используют ли однослойную или многослойную иммобилизованную среду. The choice of thin layer preparation technique depends on the properties of the solid base, on the temperature of the reaction, on the properties of the enzymes used for the reaction (such as their ability to tolerate the formation of the polymer base), and whether a single-layer or multi-layer immobilized medium is used.

Однослойные среды удобно использовать, когда все компоненты ферментной системы могут быть смешаны без того, чтобы началась реакция (как в случае ПЦР). В то же время, однослойные среды могут быть использованы и тогда, когда предпочтительно держать ферменты отдельно от субстратов до полной иммобилизации среды. В этом случае ферментный слой, содержащий также нуклеиновокислотные матрицы, приготавливают без субстратов и покрывают полупроницаемой (например, диализной) мембраной, или же для приготовления ферментного слоя используют твердую основу, способную удерживать нуклеиновые кислоты и ферменты (например, модифицированную положительно заряженными группами). Для запуска реакции размножения такой слой приводят в контакт с субстратным раствором. Single-layer media can be conveniently used when all components of the enzyme system can be mixed without starting the reaction (as in the case of PCR). At the same time, single-layer media can also be used when it is preferable to keep the enzymes separate from the substrates until the medium is completely immobilized. In this case, the enzyme layer, which also contains nucleic acid matrices, is prepared without substrates and covered with a semipermeable (e.g., dialysis) membrane, or a solid base is used to prepare the enzyme layer, which can retain nucleic acids and enzymes (e.g., modified by positively charged groups). To start the propagation reaction, such a layer is brought into contact with a substrate solution.

Во многих случаях предпочтительно использовать многослойные (сэндвичевые) среды, в которых разные слои приводятся в непосредственный контакт друг с другом в нужный момент. Например, ферменты и субстраты могут быть разнесены в разные слои, и реакция запускается путем соприкосновения слоев благодаря диффузии субстратов в ферментный слой. Использование сэндвичевых сред может быть предпочтительным и в том случае, если разносить ферменты и субстраты не требуется, как, например, в ПЦР. Например, вторым слоем может быть мембранный фильтр, используемый для анализа колоний, на который нуклеиновые кислоты переносятся одновременно с их синтезом. Второй слой может также содержать компоненты системы экспрессии нуклеиновых кислот и наслаиваться на первый слой по завершении ПЦР для анализа колоний по продукту экспрессии. В этом случае может быть использован и третий слой, в качестве которого может служить мембранный фильтр для переноса продуктов экспрессии или же мембранный фильтр, пропитанный субстратами ферментов, синтезируемых в результате экспрессии, для анализа колоний по активности кодируемых ферментов. In many cases, it is preferable to use multilayer (sandwich) media in which different layers are brought into direct contact with each other at the right time. For example, enzymes and substrates can be separated into different layers, and the reaction is triggered by the contact of the layers due to the diffusion of the substrates into the enzyme layer. The use of sandwich media may also be preferable if the distribution of enzymes and substrates is not required, as, for example, in PCR. For example, the second layer may be a membrane filter used to analyze colonies onto which nucleic acids are transferred simultaneously with their synthesis. The second layer may also contain components of the expression system of nucleic acids and layered on the first layer at the end of PCR to analyze colonies for the expression product. In this case, a third layer can also be used, which can be a membrane filter for transferring expression products or a membrane filter impregnated with substrates of enzymes synthesized as a result of expression to analyze colonies by the activity of encoded enzymes.

Тонкие слои могут быть изготовлены разными способами, такими как пропитывание сухой твердой основы растворами, содержащими ферменты и/или субстраты, или включение ферментов и/или субстратов в процессе гелеобразования или синтеза (полимеризации) твердой основы. Thin layers can be made by various methods, such as impregnation of a dry solid base with solutions containing enzymes and / or substrates, or the inclusion of enzymes and / or substrates during gelation or synthesis (polymerization) of a solid base.

Гелеобразующие растворы, такие, как основанные на агарозе, желатине, карагенане, смешивают с ферментами и/или субстратами и заливают, например, в чашки Петри или между двумя ровными поверхностями. В последнем случае можно получить очень тонкие слои геля и избежать образование мениска. Ферменты и/или субстраты могут быть также включены в слой в процессе синтеза твердой основы, например в процессе полимеризации акриламида [12] или фотоиндуцируемой полимеризации этиленгликоля [13] . В тех случаях, когда формирование твердой основы происходит в условиях, слишком жестких для ферментов и/или субстратов, сначала приготавливают твердую основу, а затем пропитывают ее соответствующим раствором. Например, повысить термоустойчивость агарозного геля (чтобы его можно было использовать в ПЦР) можно путем сшивания агарозы эпихлоргидрином или 2,3- дибромпропанолом; термоустойчивый гель можно также получить путем сшивания эпихлоргидрином или N,N'-метиленбисакриламидом декстрана [14] . Однако, сшивание происходит в условиях, ведущих к инактивации ферментов и субстратов реакции размножения. Поэтому тонкий слой геля сначала формируют в отсутствии ферментов и субстратов и затем пропитывают раствором, содержащим ферменты и/или субстраты. Таким же образом могут быть приготовлены слои из геля на основе полиакриламида или смеси полиакриламида и агарозы. Волокнистые слои (например, основанные на целлюлозе или нейлоне) или пористые слои (например, основанные на силикагеле или губчатом титане) могут быть приготовлены просто пропитыванием соответствующих сухих листов, мембранных фильтров или пластинок раствором, содержащим компоненты системы размножения. Gelling solutions, such as those based on agarose, gelatin, carrageenan, are mixed with enzymes and / or substrates and poured, for example, into Petri dishes or between two even surfaces. In the latter case, it is possible to obtain very thin layers of the gel and to avoid the formation of a meniscus. Enzymes and / or substrates can also be included in the layer during the synthesis of a solid base, for example, during the polymerization of acrylamide [12] or photoinduced polymerization of ethylene glycol [13]. In cases where the formation of a solid base occurs under conditions that are too harsh for enzymes and / or substrates, a solid base is first prepared and then impregnated with an appropriate solution. For example, it is possible to increase the thermal stability of an agarose gel (so that it can be used in PCR) by crosslinking the agarose with epichlorohydrin or 2,3-dibromopropanol; a heat-resistant gel can also be obtained by crosslinking dextran with epichlorohydrin or N, N'-methylenebisacrylamide [14]. However, crosslinking occurs under conditions leading to the inactivation of enzymes and substrates of the propagation reaction. Therefore, a thin gel layer is first formed in the absence of enzymes and substrates and then impregnated with a solution containing enzymes and / or substrates. In the same way, polyacrylamide gel layers or a mixture of polyacrylamide and agarose can be prepared. Fibrous layers (e.g., based on cellulose or nylon) or porous layers (e.g., based on silica gel or sponge titanium) can be prepared simply by soaking the appropriate dry sheets, membrane filters or plates with a solution containing the components of the propagation system.

Нуклеиновые кислоты, предназначенные для клонирования, вводят в жидкую фазу твердой среды путем включения в ферментный и/или субстратный раствор перед его иммобилизацией или путем нанесения на слой или между слоями. Nucleic acids intended for cloning are introduced into the liquid phase of a solid medium by incorporation into an enzyme and / or substrate solution prior to its immobilization or by application to or between layers.

Реакцию размножения запускают помещением иммобилизованной среды в соответствующие условия: повышение температуры среды, циклическое изменение температуры, воздействие света, приведение в соприкосновение слоев, содержащих ферменты и субстраты. Среду инкубируют в течение промежутка времени, позволяющего продуктам синтеза накопиться до детектируемого уровня. Например, при размножении нуклеиновых кислот необходимо, чтобы в каждой колонии образовалось, по крайней мере, 106 копий нуклеиновой кислоты (то есть, должно произойти, по крайней мере, 20 циклов репликации при условии, что в каждом цикле число матриц удваивается), что соответствует нижнему пределу чувствительности существующих методов обнаружения нуклеиновых кислот [15].The propagation reaction is started by placing the immobilized medium in appropriate conditions: increasing the temperature of the medium, cyclic temperature change, exposure to light, bringing into contact the layers containing enzymes and substrates. The medium is incubated for a period of time, allowing the synthesis products to accumulate to a detectable level. For example, when multiplying nucleic acids, it is necessary that at least 10 6 copies of nucleic acid are formed in each colony (that is, at least 20 replication cycles must occur, provided that the number of matrices doubles in each cycle), which corresponds to the lower limit of sensitivity of existing methods for detecting nucleic acids [15].

По окончании реакции размножения колонии нуклеиновых кислот можно обнаружить различными способами, такими как окрашивание интеркалирующими красителями (этидиум бромид, пропидиум йодид), авторадиографией (если для размножения использованы субстраты, меченые радиоизотопом), а также неизотопными методами, такими как использующими мечение субстратов флуоресцентными группами и их модификацию биотином или дигоксигенином. Колонии могут быть также анализированы на предмет обладания каким-либо признаком, таким как присутствие определенной нуклеотидной последовательности (путем гибридизации со специфическим меченым зондом) или способность кодировать определенный белок (путем внеклеточной экспрессии содержащихся в нуклеиновых кислотах генов). Часто обнаружение колоний удобно проводить после их частичного переноса на мембранный фильтр. В этом случае мембранный фильтр предпочтительно накладывать на ростовый слой перед размножением, чтобы перенос происходил по мере роста колоний. Обнаруженные клоны можно далее размножить, используя известные способы размножения нуклеиновых кислот in vitro. At the end of the propagation reaction, nucleic acid colonies can be detected in various ways, such as staining with intercalating dyes (ethidium bromide, propidium iodide), autoradiography (if substrates labeled with a radioisotope are used for reproduction), and also with non-isotopic methods, such as using labeling of substrates with fluorescent groups and their modification with biotin or digoxygenin. Colonies can also be analyzed for any trait, such as the presence of a specific nucleotide sequence (by hybridization with a specific labeled probe) or the ability to encode a specific protein (by extracellular expression of the genes contained in nucleic acids). Often, detection of colonies is conveniently carried out after partial transfer to a membrane filter. In this case, the membrane filter is preferably applied to the growth layer before propagation, so that transfer occurs as the colonies grow. Detected clones can be further propagated using known in vitro nucleic acid propagation methods.

Экспрессию нуклеиновых кислот с целью анализа колоний можно проводить в жидкой среде, однако предпочтительно осуществлять экспрессию в иммобилизованной среде, сформованной, по крайней мере, в один тонкий слой. Это позволяет параллельно анализировать большое число колоний в одной реакции. При экспрессии в иммобилизованной среде продукты экспрессии накапливаются в тех зонах, где присутствуют колонии соответствующих нуклеиновых кислот. При использовании изотермических реакций размножения (таких как ВРП или 3СР), компоненты системы экспрессии могут быть введены в тот же слой (или те же слои), что и компоненты системы размножения. Если для размножения используют ПЦР, то система экспрессии может быть включена в ту же среду, но в отдельный слой, который наслаивают по завершении ПЦР, или же в отдельную среду. В последнем случае, колонии ДНК переносят в экспрессирующую среду, например, с помощью мембранного фильтра. Для экспрессии нуклеиновые кислоты получают в форме РНК (так, как они образуются в реакциях ВРП или 3СР) и транслируют в белки в среде, содержащей бесклеточную систему трансляции [16-18]. Если же нуклеиновые кислоты получены в форме ДНК (как при размножении в ПЦР), то экспрессию осуществляют в среде, включающей сопряженную бесклеточную систему транскрипции/трансляции [19-22]. Синтезированные полипептиды можно идентифицировать in situ или на фильтре-реплике разнообразными способами, такими как использующими иммунохимические реакции, или способность синтезированных белков осуществлять специфические ферментативные реакции или связывать специфические лиганды. The expression of nucleic acids for the analysis of colonies can be carried out in a liquid medium, however, it is preferable to carry out the expression in an immobilized medium formed in at least one thin layer. This allows you to simultaneously analyze a large number of colonies in one reaction. When expressed in an immobilized medium, expression products accumulate in those areas where colonies of the corresponding nucleic acids are present. When using isothermal propagation reactions (such as GRP or 3CP), the components of the expression system can be introduced into the same layer (or the same layers) as the components of the propagation system. If PCR is used for propagation, the expression system can be included in the same medium, but in a separate layer, which is layered at the end of PCR, or in a separate medium. In the latter case, DNA colonies are transferred to an expression medium, for example, using a membrane filter. For expression, nucleic acids are obtained in the form of RNA (as they are formed in the reactions of GRP or 3CP) and translated into proteins in a medium containing a cell-free translation system [16-18]. If nucleic acids are obtained in the form of DNA (as during multiplication in PCR), expression is carried out in a medium including a conjugate cell-free transcription / translation system [19-22]. The synthesized polypeptides can be identified in situ or on a replica filter in a variety of ways, such as using immunochemical reactions, or the ability of synthesized proteins to carry out specific enzymatic reactions or to bind specific ligands.

Способ клонирования нуклеиновых кислот in vitro может быть использован в тех же целях, что и клонирование in vivo [1]. В то же время он обладает рядом преимуществ: клонирование in vitro быстрее; оно позволяет получить клон любой нуклеиновой кислоты без каких-либо ограничений, накладываемых клеткой, и позволяет получать гены, свободные от загрязнений хромосомной ДНК или клеточной РНК. Полученные клоны нуклеиновых кислот можно использовать для трансформации клеток, в терапевтических целях (например, для лечения с использованием антисмысловых РНК или ДНК), или для использования в качестве матриц в белоксинтезирующих биореакторах [23]. The method of in vitro nucleic acid cloning can be used for the same purposes as in vivo cloning [1]. At the same time, it has several advantages: in vitro cloning is faster; it allows you to get a clone of any nucleic acid without any restrictions imposed by the cell, and allows you to get genes that are free from contamination of chromosomal DNA or cellular RNA. The obtained nucleic acid clones can be used for cell transformation, for therapeutic purposes (for example, for treatment using antisense RNA or DNA), or for use as matrices in protein synthesizing bioreactors [23].

Из-за чрезвычайной чувствительности способа важно максимально уменьшить возможность загрязнения образца посторонними нуклеиновыми кислотами до стадии размножения. В связи с этим предпочтительно проводить стадии, предшествующие размножению, и последующие стадии (анализ колоний) в разных лабораториях. Предпочтительно выращивать колонии в тонких слоях, помещенных в герметичные кассеты, которые вскрывают только в аналитической лаборатории. Due to the extreme sensitivity of the method, it is important to minimize the possibility of contamination of the sample with extraneous nucleic acids to the propagation stage. In this regard, it is preferable to carry out the stages preceding reproduction and the subsequent stages (analysis of colonies) in different laboratories. It is preferable to grow colonies in thin layers placed in sealed cassettes, which are opened only in the analytical laboratory.

Предложенный способ иллюстрируется следующими примерами его осуществления. The proposed method is illustrated by the following examples of its implementation.

Пример 1. Выращивание колоний РНК с помощью ВРП реакции. Example 1. The cultivation of RNA colonies using the GRP reaction.

Этот пример иллюстрирует способ размножения РНК в тонком слое иммобилизованной среды на примере RQ-РНК, являющихся природными матрицами Qβ репликазы. Порошок низкотемпературной агарозы (ultra-low gelling temperature agarose type IX, Sigma Chemical Company) расплавляют нагреванием в автоклавированном буфере А (80 мМ Трис-HCl pH 7,8, 2 мМ MgCl2, 1 мМ ЭДТА, 20%-ный глицерин), охлаждают до ≈40oC и тщательно перемешивают на роторном встряхивателе с концентрированным раствором Qβ репликазы, очищенной, как описано Блюменталем [24] . Конечные концентрации агарозы и Qβ репликазы - 2% и 35 мкг/мл соответственно. Затем приготавливают сэндвичевую среду одним из нижеописанных способов. Когда необходимо, разведения матричной РНК вводят в субстратный слой или в промежуток между ферментным и субстратным слоями в виде небольшой аликвоты.This example illustrates a method for propagating RNA in a thin layer of immobilized medium using RQ RNAs as natural Qβ replicase matrices. Powder low-temperature agarose (ultra-low gelling temperature agarose type IX, Sigma Chemical Company) is melted by heating in autoclaved buffer A (80 mm Tris-HCl pH 7.8, 2 mm MgCl 2 , 1 mm EDTA, 20% glycerol), cooled to ≈40 o C and thoroughly mixed on a rotary shaker with a concentrated solution of Qβ replicase, purified as described by Blumenthal [24]. The final concentrations of agarose and Qβ replicase are 2% and 35 μg / ml, respectively. Then prepare a sandwich medium using one of the methods described below. When necessary, dilutions of messenger RNA are introduced into the substrate layer or between the enzyme and substrate layers in the form of a small aliquot.

(а) 1,5 мл вышеуказанного раствора наслаивают на слой 1%-ной агарозы, содержащий субстраты (по 1 мМ ATP, GTP, CTP и UTP) и буфер Б (80 мМ Трис-HCl pH 7,8, 25 мМ MgCl2, 2 мМ ЭДТА, 10%-ный глицерин), и приготовленный в 35-миллиметровых пластиковых чашках Петри. После заливки каждого слоя чашку выдерживают на льду для застывания агарозы. Для размножения РНК чашку инкубируют при комнатной температуре или при З7oC в течение 1 ч. (на термостатированном столике). Колонии РНК проявляют окрашиванием раствором этидиум бромида, как показано на фиг. 2,А-Б. На фиг. 2,А показан "спонтанный" рост колоний РНК, наблюдаемый, когда верхний (ферментный) слой заливают сразу после застывания субстратного слоя. На фиг. 2,Б видно большое число колоний, выросших после того, как чашка с субстратным слоем была оставлена в лаборатории открытой в течение 1 ч. перед заливкой ферментного слоя. Этот эксперимент демонстрирует эффективность предложенного способа в предотвращении распространения "шумового" роста на весь реакционный объем, а также потенциальную опасность со стороны наружных (в частности, воздушных) загрязнений, если размножение нуклеиновых кислот проводится традиционным способом в жидкой среде. Краситель может быть включен в субстратный слой при его заливке; в этом случае колонии РНК можно наблюдать в процессе их роста (фиг. 2,В).(a) 1.5 ml of the above solution is layered on a 1% agarose layer containing substrates (1 mM ATP, GTP, CTP and UTP each) and buffer B (80 mM Tris-HCl pH 7.8, 25 mM MgCl 2 , 2 mM EDTA, 10% glycerol), and prepared in 35 mm plastic Petri dishes. After pouring each layer, the cup is kept on ice to solidify the agarose. To multiply the RNA, the plate is incubated at room temperature or at 7 ° C for 1 hour (on a thermostated table). RNA colonies show staining with ethidium bromide solution, as shown in FIG. 2, AB. In FIG. 2A shows the "spontaneous" growth of RNA colonies, observed when the upper (enzyme) layer is poured immediately after the solidification of the substrate layer. In FIG. 2B, a large number of colonies are visible that grew after a plate with a substrate layer was left open in the laboratory for 1 hour before pouring the enzyme layer. This experiment demonstrates the effectiveness of the proposed method in preventing the spread of "noise" growth throughout the reaction volume, as well as the potential danger from external (in particular, air) contaminants if nucleic acids are multiplied in the traditional way in a liquid medium. The dye can be included in the substrate layer when it is poured; in this case, RNA colonies can be observed during their growth (Fig. 2, B).

(б) 130 мкл раствора, содержащего фермент и агарозу, заливают между покровным стеклом, используемом в микроскопии, и большей по размеру пластиковой пластинкой, между которыми имеется зазор 0,4 мм. Покровное стекло осторожно снимают и на агарозу накладывают нейлоновый мембранный фильтр, пропитанный субстратным раствором (по 4 мМ ATP, GTP, CTP и UTP в буфере Б) и высушенный. Для обнаружения колоний РНК в субстратный раствор добавляют [ [α-32P]- ]-меченый нуклеотид. После инкубации среды в течение 20-40 мин для размножения РНК мембранный фильтр снимают с агарозы и отмывают от невключившихся субстратов. Если размножение проводили в присутствии меченого субстрата, делают радиоавтограф мембранного фильтра. На фиг. 2,Г показан негатив радиоавтографа исходного (субстратного) мембранного фильтра, а на фиг. 2,Д - негатив радиоавтографа фильтра-реплики. Колонии на фиг. 2,Г и 2,Д значительно менее диффузные, чем на фиг. 2,А-В. Разница объясняется наличием в нейлоновом мембранном фильтре положительно заряженных и гидрофобных групп, способных к взаимодействию с РНК. В отсутствие меченого субстрата колонии можно обнаружить с помощью окрашивания агарозы этидиум бромидом, как описано выше, или с помощью гибридизации мембранного фильтра со специфическими зондами, как описано ниже.(b) 130 μl of a solution containing an enzyme and agarose is poured between a coverslip used in microscopy and a larger plastic plate, between which there is a gap of 0.4 mm. The coverslip was carefully removed and a nylon membrane filter impregnated with a substrate solution (4 mM ATP, GTP, CTP and UTP in buffer B) was applied to the agarose and dried. To detect RNA colonies, a [[α- 32 P] -] -labeled nucleotide is added to the substrate solution. After incubation of the medium for 20–40 min, the membrane filter is removed from agarose and washed from unincorporated substrates to propagate RNA. If reproduction was carried out in the presence of a labeled substrate, a membrane filter radioautograph is done. In FIG. 2, D shows the negative of the autograph of the original (substrate) membrane filter, and in FIG. 2, D is the negative of the radio-autograph of the filter-replica. The colonies in FIG. 2, D and 2, D are much less diffuse than in FIG. 2, A-B. The difference is explained by the presence in the nylon membrane filter of positively charged and hydrophobic groups capable of interacting with RNA. In the absence of a labeled substrate, colonies can be detected by staining agarose with ethidium bromide, as described above, or by hybridizing a membrane filter with specific probes, as described below.

РНК пришивают к мембранному фильтру под действием ультрафиолета и гибридизуют с радиоактивно-меченым зондом путем инкубации в запаянном пластиковом пакете между листами фильтровальной бумаги [25]. Температуру гибридизации определяют по известной формуле [26] и оптимизируют в предварительных экспериментах. После гибридизации мембранный фильтр отмывают от негибридизовавшегося зонда и делают радиоавтограф. Для повторной гибридизации того же мембранного фильтра с другим зондом первый зонд отмывают кипячением мембранного фильтра в 0,1%-ном растворе Na-додецилсульфата. На фиг. 2,Е и 2,Ж показаны негативы радиоавтографов, полученных в результате последовательной гибридизации одного и того же мембранного фильтра с радиоактивно-мечеными зондами, специфичными к RQ87-3 РНК и RQ135-1 РНК соответственно. Смесь этих РНК была введена в субстратный слой в количестве около 100 копий каждой из них. Этот эксперимент демонстрирует, что разные колонии содержат разные виды РНК и что число колоний соответствует количеству добавленных матриц. Иными словами, имеет место истинное клонирование молекул РНК.RNA is sewn to the membrane filter under the influence of ultraviolet radiation and hybridized with a radiolabeled probe by incubation in a sealed plastic bag between sheets of filter paper [25]. The hybridization temperature is determined by the well-known formula [26] and optimized in preliminary experiments. After hybridization, the membrane filter is washed from the non-hybridized probe and a radio autograph is made. To re-hybridize the same membrane filter with another probe, the first probe is washed by boiling the membrane filter in a 0.1% Na-dodecyl sulfate solution. In FIG. 2, E and 2, G show the negatives of radio autographs obtained by sequential hybridization of the same membrane filter with radioactive-labeled probes specific for RQ87 -3 RNA and RQ135 -1 RNA, respectively. A mixture of these RNAs was introduced into the substrate layer in an amount of about 100 copies of each of them. This experiment demonstrates that different colonies contain different types of RNA and that the number of colonies corresponds to the number of matrices added. In other words, there is true cloning of RNA molecules.

Пример 2. Выращивание колоний нуклеиновых кислот с помощью 3СР реакции. Example 2. The cultivation of colonies of nucleic acids using 3CP reaction.

Раствор низкотемпературной агарозы в буфере смешивают с ферментами и нуклеиновой кислотой, отожженной с олигонуклеотидными затравками при 65oC, и заливают ферментный слой, как описано в примере 1 (б). В качестве мишени используют РНК, ДНК или их смесь. Используют реакционный буфер, ферменты, затравки и условия инкубации согласно рекомендациям Гуателли и др. [6]. На ферментный слой наслаивают нейлоновый мембранный фильтр, пропитанный субстратным раствором, содержащим по 4 мМ dATP, dGTP, dCTP, dTTp и по 16 мМ ATP, GTP, CTP, UTP в реакционном буфере. После инкубации колонии нуклеиновых кислот идентифицируют при помощи гибридизации мембранного фильтра с меченым зондом, комплементарным внутренней области мишени, как описано в примере 1.A solution of low-temperature agarose in a buffer is mixed with enzymes and nucleic acid annealed with oligonucleotide seeds at 65 ° C, and the enzyme layer is filled in as described in Example 1 (b). As a target, RNA, DNA or a mixture thereof is used. Use the reaction buffer, enzymes, seeds and incubation conditions according to the recommendations of Guatelli et al. [6]. A nylon membrane filter impregnated with a substrate solution containing 4 mM dATP, dGTP, dCTP, dTTp and 16 mm ATP, GTP, CTP, UTP in the reaction buffer is layered on the enzyme layer. After incubation, colonies of nucleic acids are identified by hybridization of a membrane filter with a labeled probe complementary to the inner region of the target, as described in example 1.

Пример 3. Выращивание колоний ДНК с помощью ПЦР. Example 3. The cultivation of DNA colonies using PCR.

Все компоненты реакции, включая буфер, термоустойчивую ДНК-полимеразу, образец ДНК, затравки и субстраты, смешивают с дегазированным раствором мономеров (смесь акриламида и N, N'-метиленбисакриламида) и катализаторами полимеризации (персульфат аммония и N,N,N',N'-тетраметилендиамин) и заливают тонкий слой геля. По завершении полимеризации на гель наслаивают нейлоновый мембранный фильтр, смоченный в реакционном буфере, оборачивают термостойкой пленкой и помещают гель на металлический термостатируемый столик, температура которого контролируется в требуемом для ПЦР диапазоне автоматическим устройством, включающим два [27] или три [28] водяных термостата и соединенным шлангами с термостатируемым столиком. Используют реакционные компоненты и условия ПЦР, рекомендованные Сэйкай и др. [5]. После 20 - 35 температурных циклов колонии ДНК обнаруживают, как описано выше. Если в качестве образца используют РНК, ее сначала превращают в кДНК [1]. All reaction components, including buffer, heat-resistant DNA polymerase, DNA sample, seeds and substrates, are mixed with a degassed solution of monomers (a mixture of acrylamide and N, N'-methylenebisacrylamide) and polymerization catalysts (ammonium persulfate and N, N, N ', N '-tetramethylenediamine) and fill in a thin layer of gel. Upon completion of the polymerization, a nylon membrane filter soaked in a reaction buffer is layered on the gel, wrapped with a heat-resistant film and the gel is placed on a metal thermostatic table, the temperature of which is controlled in the range required for PCR by an automatic device that includes two [27] or three [28] water thermostats and connected by hoses to a thermostatic table. Use the reaction components and PCR conditions recommended by Seikai et al. [5]. After 20 to 35 temperature cycles, DNA colonies are detected as described above. If RNA is used as a sample, it is first converted to cDNA [1].

Пример 4. Выделение индивидуальных клонов из сложных смесей нуклеиновых кислот. Example 4. Isolation of individual clones from complex mixtures of nucleic acids.

В этом примере описана процедура, основанная на использовании ПЦР. Конечно, могут быть также использованы 3СР и ВРП реакции. При использовании ВРП нуклеиновые кислоты переводят в форму реплицирующейся РНК путем встраивания клонируемых последовательностей в молекулу RQ РНК [2]. This example describes a procedure based on the use of PCR. Of course, 3CP and GRP reactions can also be used. When using GRP, nucleic acids are converted into the form of replicating RNA by embedding the cloned sequences in the RQ RNA molecule [2].

В обычной ПЦР желательная нуклеотидная последовательность из смеси нуклеиновых кислот может быть избирательно размножена путем использования двух уникальных олигонуклеотидных затравок, специфичных к этой последовательности, что обуславливает необходимость синтеза новой пары олигонуклеотидов для выделения каждой новой последовательности. Предлагаемый способ позволяет клонировать любую нуклеотидную последовательность с использованием одной и той же пары универсальных затравок. Процедура клонирования включает получение смеси нуклеиновых кислот, чей размер не превышает размера, который может быть размножен в ПЦР (то есть, до 10 кб); навешивание на них универсальных концов; и использование для их размножения пары затравок, комплементарных универсальным концам. В этом случае каждая нуклеиновая кислота, присутствующая в смеси, может быть размножена и образует отдельную колонию при проведении ПЦР в тонком слое иммобилизованной среды. Следующим шагом является идентификация колонии (или колоний), содержащей потомство определенной нуклеиновой кислоты, и отбор этой колонии для дальнейшего размножения и использования. In conventional PCR, the desired nucleotide sequence from a mixture of nucleic acids can be selectively propagated by using two unique oligonucleotide seeds specific to this sequence, which necessitates the synthesis of a new pair of oligonucleotides to isolate each new sequence. The proposed method allows you to clone any nucleotide sequence using the same pair of universal seeds. The cloning procedure involves obtaining a mixture of nucleic acids whose size does not exceed the size that can be propagated in PCR (that is, up to 10 kb); hanging on them universal ends; and the use for their propagation of a pair of seeds complementary to the universal ends. In this case, each nucleic acid present in the mixture can be propagated and form a separate colony during PCR in a thin layer of immobilized medium. The next step is to identify the colony (or colonies) containing the offspring of a particular nucleic acid, and select this colony for further propagation and use.

Исходной смесью нуклеиновых кислот может быть, например, набор фрагментов, получаемый перевариванием геномной ДНК какой-либо рестриктазой [29], или смесь кДНК, полученных из цитоплазматических мРНК [30]. На фрагменты навешиваются универсальные концы либо легированием фрагментов с олигонуклеотидами, либо наращиванием гомополинуклеотидных последовательностей. Предпочтительно, чтобы последовательности, вводимые на 3' и 5' концах фрагментов, отличались друг от друга и не были комплементарны друг другу. Этого можно добиться, например, путем удлинения 3' концов за счет легирования двунитивых ДНК-фрагментов с 5'- фосфорилированными олигодезоксирибо-нуклеотидными адапторами, совместимыми с концами фрагментов, или путем добавления гомополинуклеотида с помощью дезоксинуклеотидил-трасферазы [1], и удлинения 5' концов за счет легирования с олигорибонуклеотидами [31]. An initial mixture of nucleic acids can be, for example, a set of fragments obtained by digesting genomic DNA with any restriction enzyme [29], or a mixture of cDNA obtained from cytoplasmic mRNA [30]. Universal ends are hung on the fragments either by doping the fragments with oligonucleotides or by building up homopolynucleotide sequences. Preferably, the sequences introduced at the 3 'and 5' ends of the fragments are different from each other and are not complementary to each other. This can be achieved, for example, by lengthening the 3 'ends by doping dunnivorous DNA fragments with 5'-phosphorylated oligodeoxyribo nucleotide adapters compatible with the ends of the fragments, or by adding a homopolynucleotide using deoxynucleotidyl transferase [1], and lengthening 5' ends due to doping with oligoribonucleotides [31].

После размножения фрагментов в тонком слое иммобилизованной среды для получения одиночных колоний как описано в примере 3, колонии анализируют на присутствие определенной последовательности (гена) подходящим для этого методом. Это может быть либо гибридизация со специфическим зондом, комплементарным внутренней области гена (см. выше), если известна хотя бы частичная нуклеотидная последовательность гена или его гомолога из другого источника, либо обнаружение гена по продуктам его экспрессии в системе транскрипции/трансляции in vitro. After the propagation of the fragments in a thin layer of immobilized medium to obtain single colonies as described in example 3, the colonies are analyzed for the presence of a specific sequence (gene) by an appropriate method. This can be either hybridization with a specific probe complementary to the inner region of the gene (see above) if at least a partial nucleotide sequence of the gene or its homologue from another source is known, or if the gene is detected by its expression products in an in vitro transcription / translation system.

Пример 5. Анализ клонов нуклеиновых кислот путем экспрессии в тонком слое иммобилизованной среды. Example 5. Analysis of clones of nucleic acids by expression in a thin layer of immobilized medium.

Если клонирование осуществляют с использованием ПЦР, то включают последовательность промотора РНК-полимеразы, такой как SP6 или Т7 полимераза, в один из универсальных концов, вводимых в клонируемые фрагменты, как описано в примере 4. Выросшие колонии приводят в контакт с экспрессирующим слоем. Этого достигают либо наслаиванием экспрессирующего слоя поверх слоя, в котором проводили ПЦР, либо переносом колоний на экпрессирующий слой с помощью мембранного фильтра. Экспрессирующий слой приготавливают, как описано в примере 1, с той разницей, что вместо компонентов Qβ репликазной системы в агарозу вводят компоненты подходящей бесклеточной системы трансляции/транскрипции [19-22] . Если для клонирования используют изотермическую систему размножения, то компоненты подходящей бесклеточной системы экспрессии [16-22] могут быть введены в тот же слой, что и компоненты системы размножения. Продукты экспрессии идентифицируют in situ по их способности выполнять определенные ферментативные реакции или по их способности связывать определенные лиганды или антитела. If cloning is carried out using PCR, then the sequence of the RNA polymerase promoter, such as SP6 or T7 polymerase, is included at one of the universal ends introduced into the cloned fragments, as described in Example 4. The grown colonies are brought into contact with the expression layer. This is achieved either by layering the expression layer over the layer in which the PCR was performed, or by transferring the colonies to the expression layer using a membrane filter. An expression layer is prepared as described in Example 1, with the difference that instead of the components of the Qβ replicase system, the components of a suitable cell-free translation / transcription system are introduced into agarose [19-22]. If an isothermal propagation system is used for cloning, then the components of a suitable cell-free expression system [16-22] can be introduced into the same layer as the components of the propagation system. Expression products are identified in situ by their ability to carry out certain enzymatic reactions or by their ability to bind certain ligands or antibodies.

Например, клоны, несущие ген фосфатазы, можно обнаружить с помощью мембранного фильтра, смоченного раствором 5-бром-4-хлор-3- индолилфосфата и нитросинего тетразолиума [32]. В тех местах, где синтезировалась фосфатаза, появляется пурпурное окрашивание. Гены, кодирующие фотобелки, такие как апообелин из Obelia geniculata, можно обнаружить по люминесценции [33]. В этом случае простетическая группа белка колентеразин вводится в экспрессирующий слой, залитый на прозрачной подложке. После инкубации экспрессирующего слоя для синтеза белков, его помещают подложкой на фотопленку, а с другой стороны на него наслаивают мембранный фильтр, смоченный раствором Ca++. Диффундируя в экспрессирующий слой и связываясь с обелином, ионы Ca++ индуцируют люминесценцию и, следовательно, засветку пленки в тех местах, где синтезировался апообелин.For example, clones carrying the phosphatase gene can be detected using a membrane filter moistened with a solution of 5-bromo-4-chloro-3-indolylphosphate and nitro blue tetrazolium [32]. In those places where phosphatase was synthesized, purple staining appears. Genes encoding photoproteins, such as apobelin from Obelia geniculata, can be detected by luminescence [33]. In this case, the prosthetic group of the colenterazine protein is introduced into the expression layer embedded on a transparent substrate. After incubation of the expression layer for protein synthesis, it is placed with a substrate on a photographic film, and on the other hand, a membrane filter moistened with a Ca ++ solution is layered on it. By diffusing into the expression layer and binding to obelin, Ca ++ ions induce luminescence and, consequently, the illumination of the film in those places where apobelin was synthesized.

Можно также идентифицировать продукты экспрессии с помощью разнообразных иммунохимических методов. Наиболее предпочтительны очень чувствительные методы, основанные на хемилюминесцентных реакциях, катализируемых щелочной фосфатазой и пероксидазой хрена. Можно использовать соответствующие наборы, продаваемые, соответственно фирмами United States Biochemical Corporation и Amersham International plc. Expression products can also be identified using a variety of immunochemical methods. Very sensitive methods based on chemiluminescent reactions catalyzed by alkaline phosphatase and horseradish peroxidase are most preferred. Suitable kits may be used, sold respectively by United States Biochemical Corporation and Amersham International plc.

Список литературы. List of references.

1. Sambrook, J., Fritsch, E. F. and Maniatis, T. (1989). Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N. Y. 1. Sambrook, J., Fritsch, E. F. and Maniatis, T. (1989). Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N. Y.

2. Miele, A. A., Mills, D. R. and Kramer, F. R. (1983). Autocatalytic Replication of a Recombinant RNA. J. Mol. Biol. 171, 281-295. 2. Miele, A. A., Mills, D. R. and Kramer, F. R. (1983). Autocatalytic Replication of a Recombinant RNA. J. Mol. Biol. 171, 281-295.

3. Wu, Y. , Zhang, D. and Kramer, F. R. (1992). Amplifiable Messenger RNA. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., in press. 3. Wu, Y., Zhang, D. and Kramer, F. R. (1992). Amplifiable Messenger RNA. Proc. Natl. Acad Sci. U.S.A., in press.

4. Saiki, R. K., Scharf, S., Faloona, F., Mullis, K. B., Horn, G. T., Erlich, H. A. and Arnheim, N. (1985). Enzymatic Amplification of Qβ - Globin Genomic Sequence and Restriction Site Analysis for Diagnosis of Sickle Cell Anemia. Science 230, 1350-1354. 4. Saiki, R. K., Scharf, S., Faloona, F., Mullis, K. B., Horn, G. T., Erlich, H. A. and Arnheim, N. (1985). Enzymatic Amplification of Qβ - Globin Genomic Sequence and Restriction Site Analysis for Diagnosis of Sickle Cell Anemia. Science 230, 1350-1354.

5. Saiki, R. K., Gelfand, D. H., Stoffel, S., Scharf, S. J., Higuchi, R. , Horn, G. T., Mullis, K. B. and Eriich, H. A. (1988). Primer-directed Enzymatic Amplification of DNA with a Thermostable DNA Polymerase. Science 239, 487-491. 5. Saiki, R. K., Gelfand, D. H., Stoffel, S., Scharf, S. J., Higuchi, R., Horn, G. T., Mullis, K. B. and Eriich, H. A. (1988). Primer-directed Enzymatic Amplification of DNA with a Thermostable DNA Polymerase. Science 239, 487-491.

6. Guatelli, J. C. , Whitfield, K. M., Kwoh, D. Y., Barringer, K. J., Richman, D. D. and Gingeras, T. R. (1990). Isothermal, in vitro Amplification of Nucleic Acids by a Multienzyme Reaction Modeled after Retroviral Replication. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 1874-1878. 6. Guatelli, J. C., Whitfield, K. M., Kwoh, D. Y., Barringer, K. J., Richman, D. D. and Gingeras, T. R. (1990). Isothermal, in vitro Amplification of Nucleic Acids by a Multienzyme Reaction Modeled after Retroviral Replication. Proc. Natl. Acad Sci. U.S.A. 87, 1874-1878.

7. Levisohn, R. and Spiegelman, S. (1968). The Cloning of a Self-replicating RNA Molecule. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 60, 866-872 (прототип). 7. Levisohn, R. and Spiegelman, S. (1968). The Cloning of a Self-replicating RNA Molecule. Proc. Natl. Acad Sci. U.S.A. 60, 866-872 (prototype).

8. Sumper, M. and Luce, R. (1975). Evidence for de novo Production of Self-replicating and Environmentally Adapted RNA Structures by Bacteriophage Qβ Replicase. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 72, 162-166. 8. Sumper, M. and Luce, R. (1975). Evidence for de novo Production of Self-replicating and Environmentally Adapted RNA Structures by Bacteriophage Qβ Replicase. Proc. Natl. Acad Sci. U.S.A. 72, 162-166.

9. Chetverin, A. B., Chetverina, H. V. and Munishkin, A. V. (1991). On the Nature of Spontaneous RNA Synthesis by Qβ Replicase. J. Mol. Biol. 222, 3-9. 9. Chetverin, A. B., Chetverina, H. V. and Munishkin, A. V. (1991). On the Nature of Spontaneous RNA Synthesis by Qβ Replicase. J. Mol. Biol. 222, 3-9.

10. Myers, T. W. and Gelfand, D. H. (1991). Reverse Transcription and DNA Amplification by a Thermus thermophilus DNA Polymerase. Biochemistry 30, 7661-7666. 10. Myers, T. W. and Gelfand, D. H. (1991). Reverse Transcription and DNA Amplification by a Thermus thermophilus DNA Polymerase. Biochemistry 30, 7661-7666.

11. Kaplan, J. H. , Forbush, B., III and Hoffman, J. F. (1978). Rapid Photolytic Release of Adenosine 5'-Triphosphate from a Protected Analogue: Utilization by the Na:K Pump of Human Red Blood Cell Ghosts. Biochemistry 17, 1929-1935. 11. Kaplan, J. H., Forbush, B., III and Hoffman, J. F. (1978). Rapid Photolytic Release of Adenosine 5'-Triphosphate from a Protected Analogue: Utilization by the Na: K Pump of Human Red Blood Cell Ghosts. Biochemistry 17, 1929-1935.

12. O'Driscoll, K. F. (1976). Techniques, of Enzyme Entrapment in Gels. Methods Enzymol. 44, 169-183. 12. O'Driscoll, K. F. (1976). Techniques, of Enzyme Entrapment in Gels. Methods Enzymol. 44, 169-183.

13. Nojima, S. and Yamada, T. (1987). Large-scale Production of Photo-cross-linkable Resin-immobilized Yeast and Its Application to Industrial Ethanol Production. Methods Enzymol. 136, 380-394. 13. Nojima, S. and Yamada, T. (1987). Large-scale Production of Photo-cross-linkable Resin-immobilized Yeast and Its Application to Industrial Ethanol Production. Methods Enzymol. 136, 380-394.

14. Osterman, L. A. (1986). Methods of Protein and Nucleic Acid Research, Vol. 3. Springer-Verlag, New York. 14. Osterman, L. A. (1986). Methods of Protein and Nucleic Acid Research, Vol. 3. Springer-Verlag, New York.

15. Landegren, U. , Kaiser, R., Caskey, C. T. and Hood, L. (1988). DNA Diagnostics - Molecular Techniques and Automation. Science 242, 229-237. 15. Landegren, U., Kaiser, R., Caskey, C. T. and Hood, L. (1988). DNA Diagnostics - Molecular Techniques and Automation. Science 242, 229-237.

16. Anderson, C. W., Straus, J. W. and Dudock, B. S. (1983). Preparation of a Cell-free Protein-synthesizing System from Wheat Germ. Methods Enzymol. 101, 635-644. 16. Anderson, C. W., Straus, J. W. and Dudock, B. S. (1983). Preparation of a Cell-free Protein-synthesizing System from Wheat Germ. Methods Enzymol. 101, 635-644.

17. Chambliss, G. H., Henkin, T. M. and Leventhal, J. M. (1983). Bacterial in vitro Protein-synthesis Systems. Methods Enzymol. 101, 598-605. 17. Chambliss, G. H., Henkin, T. M. and Leventhal, J. M. (1983). Bacterial in vitro Protein-synthesis Systems. Methods Enzymol. 101, 598-605.

18. Merrick, W. C. (1983). Translation of Exogenous mRNAs in Reticulocyte Lysates. Methods Enzymol. 101, 606-615. 18. Merrick, W. C. (1983). Translation of Exogenous mRNAs in Reticulocyte Lysates. Methods Enzymol. 101, 606-615.

19. Chen, H.-Z. and Zubay, G. (1983). Prokaryotic Coupled Transcription-translation. Methods Enzymol. 101, 674-690. 19. Chen, H.-Z. and Zubay, G. (1983). Prokaryotic Coupled Transcription-translation. Methods Enzymol. 101, 674-690.

20. Bujard, H., Gentz, R., Lanzer, M., Stueber, D., Mueller, M., Ibrahimi, I. , Haeuptle, M. -T. and Dobberstein, B. (1987). A T5 Promoter-based Transcription-translation System for the Analysis of Proteins in vitro and in vivo. Methods Enzymol. 155, 416-433. 20. Bujard, H., Gentz, R., Lanzer, M., Stueber, D., Mueller, M., Ibrahimi, I., Haeuptle, M. -T. and Dobberstein, B. (1987). A T5 Promoter-based Transcription-translation System for the Analysis of Proteins in vitro and in vivo. Methods Enzymol. 155, 416-433.

21. Tymms, M. J. and McInnes, B. (1988). Efficient in vitro Expression of Interferon Analogs Using SP6 Polymerase and Rabbit Reticulocyte Lysate. Gene Anal. Tech. 5, 9-15. 21. Tymms, M. J. and McInnes, B. (1988). Efficient in vitro Expression of Interferon Analogs Using SP6 Polymerase and Rabbit Reticulocyte Lysate. Gene Anal. Tech. 5, 9-15.

22. Baranov, V. I., Morozov, I. Yu., Ortlepp, S. A. and Spirin, A. S. (1989). Gene Expression in a Cell-free System on the Preparative Scale, Gene 84, 463-466. 22. Baranov, V. I., Morozov, I. Yu., Ortlepp, S. A. and Spirin, A. S. (1989). Gene Expression in a Cell-free System on the Preparative Scale, Gene 84, 463-466.

23. Spirin, A. S. (1992). Cell-free Protein Synthesis Bioreactor. In Frontiers in Bioprocessing II, ed. by P. Todd, S. K. Sikdar and M. Bier. American Chemical Society, Washington, DC, pp. 31- 43. 23. Spirin, A. S. (1992). Cell-free Protein Synthesis Bioreactor. In Frontiers in Bioprocessing II, ed. by P. Todd, S. K. Sikdar and M. Bier. American Chemical Society, Washington, DC, pp. 31-43.

24. Blumenthal, T. (1979). Qβ RNA Replicase and Protein Synthesis Elongation Factors EF-Tu and EF-Ts. Methods Enzymol. 60, 628-638. 24. Blumenthal, T. (1979). Qβ RNA Replicase and Protein Synthesis Elongation Factors EF-Tu and EF-Ts. Methods Enzymol. 60, 628-638.

25. Jones, R. W. and Jones, M. J. (1992). Simplified Filter Paper Sandwich Blot Provides Rapid, Background-free Northern Blots. BioTechniques 12, 685-688. 25. Jones, R. W. and Jones, M. J. (1992). Simplified Filter Paper Sandwich Blot Provides Rapid, Background-free Northern Blots. BioTechniques 12, 685-688.

26. Bodkin, D. K. and Knudson, D. L. (1985). Sequence Relatedness of Palyam Virus Genes to Cognates of the Palyam Serogroup Viruses by RNA-RNA Blot Hybridization. Virology 143, 55-62. 26. Bodkin, D. K. and Knudson, D. L. (1985). Sequence Relatedness of Palyam Virus Genes to Cognates of the Palyam Serogroup Viruses by RNA-RNA Blot Hybridization. Virology 143, 55-62.

27. Weier, H. U. and Gray, J. W. (1988). A Programmable System to Perform the Polymerase Chain Reaction. DNA 7, 44-47. 27. Weier, H. U. and Gray, J. W. (1988). A Programmable System to Perform the Polymerase Chain Reaction. DNA 7, 44-47.

28. Torgensen, H. , Blaas, D. and Skern, T. (1989). Low Cost Apparatus for Primer-directed DNA Amplification Using Thermus aquaticus-DNA Polymerase. Analyt. Biochem. 176, 33-35. 28. Torgensen, H., Blaas, D. and Skern, T. (1989). Low Cost Apparatus for Primer-directed DNA Amplification Using Thermus aquaticus-DNA Polymerase. Analyt. Biochem. 176, 33-35.

29. Kessler, C. and Holtke, H. J. (1986). Specificity of Restriction Endonucleases and Methylases -- A Review. Gene 47, 1-153. 29. Kessler, C. and Holtke, H. J. (1986). Specificity of Restriction Endonucleases and Methylases - A Review. Gene 47, 1-153.

30. Williams, J. G. (1981). The Preparation and Screening of a cDNA Clone Bank. In Genetic Engineering l (ed. by R. Williamson), pp. 1-59, Academic Press, London. 30. Williams, J. G. (1981). The Preparation and Screening of a cDNA Clone Bank. In Genetic Engineering l (ed. By R. Williamson), pp. 1-59, Academic Press, London.

31. Higgins, N. P., Gebale, A. P. and Cozzarelli, N. R. (1979). Addition of Oligonucleotides to the 5'-Terminus of DNA by T4 RNA Ligase. Nucleic Acids Res. 6, 1013-1024. 31. Higgins, N. P., Gebale, A. P. and Cozzarelli, N. R. (1979). Addition of Oligonucleotides to the 5'-Terminus of DNA by T4 RNA Ligase. Nucleic Acids Res. 6, 1013-1024.

32. Leary, J. J., Brigati, D. J. and Ward, D. C. (1983). Rapid and Sensitive Colometric Method for Visualizing Biotin-labeled DNA Probes Hybridized to DNA or RNA immobilized on Nitrocellulose: Bio-blots. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 80, 4045-4049. 32. Leary, J. J., Brigati, D. J. and Ward, D. C. (1983). Rapid and Sensitive Colometric Method for Visualizing Biotin-labeled DNA Probes Hybridized to DNA or RNA immobilized on Nitrocellulose: Bio-blots. Proc. Natl. Acad Sci. U.S.A. 80, 4045-4049.

33. Campbell, A. K., Patel, A. K., Razavi, Z. S. and McCapra, F. (1988). Formation of the Ca -activated Photoprotein Obelin from Apo-obelin and mRNA Inside Human Neurophils. Biochem. J. 252, 143-149. 33. Campbell, A. K., Patel, A. K., Razavi, Z. S. and McCapra, F. (1988). Formation of the Ca -activated Photoprotein Obelin from Apo-obelin and mRNA Inside Human Neurophils. Biochem. J. 252, 143-149.

Claims (20)

1. Способ клонирования нуклеиновых кислот, включающий контактирование in vitro нуклеиновых кислот с компонентами среды, содержащей бесклеточную ферментную систему и субстраты, необходимые для экспоненциального размножения нуклеиновых кислот, инкубацию в условиях, обеспечивающих экспоненциальное размножение нуклеиновых кислот, отличающийся тем, что перед инкубацией жидкую фазу среды иммобилизируют путем ее заключения в твердую основу, обладающую развитой поверхностью со средним размером пор от 100 мкм до 5 нм, и проводят обнаружение и анализ полученных колоний нуклеиновых кислот. 1. A method for cloning nucleic acids, comprising contacting in vitro nucleic acids with components of a medium containing a cell-free enzyme system and the substrates necessary for the exponential propagation of nucleic acids, incubation under conditions that ensure exponential propagation of nucleic acids, characterized in that the liquid phase of the medium before incubation they are immobilized by enclosing it in a solid base having a developed surface with an average pore size of from 100 μm to 5 nm, and detection and analysis are carried out from the obtained nucleic acid colonies. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердая основа имеет пористую, волокнистую, сетчатую, капиллярную, складчатую или слоистую структуру. 2. The method according to p. 1, characterized in that the solid base has a porous, fibrous, mesh, capillary, folded or layered structure. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердая основа включает гелеобразующее полимерное вещество. 3. The method according to p. 1, characterized in that the solid base includes a gelling polymer substance. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что гелеобразующее полимерное вещество выбирают из группы веществ, включающей агарозу, полиакриламид, их производные или смесь таковых. 4. The method according to p. 3, characterized in that the gelling polymer substance is selected from the group of substances, including agarose, polyacrylamide, their derivatives or a mixture thereof. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют твердую основу, способную к обратимому взаимодействию с нуклеиновыми кислотами. 5. The method according to p. 1, characterized in that they use a solid base capable of reversible interaction with nucleic acids. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используют твердую основу, химически модифицированную положительно заряженными и/или гидрофобными группами. 6. The method according to p. 5, characterized in that they use a solid base chemically modified by positively charged and / or hydrophobic groups. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере один из ферментов, входящий в состав бесклеточной системы, иммобилизуют на твердой основе. 7. The method according to p. 1, characterized in that at least one of the enzymes that make up the cell-free system is immobilized on a solid basis. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при иммобилизации жидкой фазы среде придают форму по крайней мере одного тонкого слоя. 8. The method according to p. 1, characterized in that when immobilizing the liquid phase, the medium is shaped into at least one thin layer. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что среде придают форму по крайней мере двух тонких слоев, наложенных друг на друга (форму "сэндвича"). 9. The method according to p. 1, characterized in that the medium is shaped into at least two thin layers superimposed on each other (the shape of a “sandwich”). 10. Способ по п. 7, отличающийся тем, что для приготовления по крайней мере одного тонкого слоя используют мембранный фильтр. 10. The method according to p. 7, characterized in that for the preparation of at least one thin layer using a membrane filter. 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что среду покрывают полупроницаемой мембраной, отделяющей ее от раствора, содержащего субстрат. 11. The method according to p. 1, characterized in that the medium is covered with a semi-permeable membrane that separates it from a solution containing a substrate. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадии, предшествующие иммобилизации среды, осуществляют в условиях, предотвращающих размножение указанных нуклеиновых кислот. 12. The method according to p. 1, characterized in that the stages preceding the immobilization of the medium are carried out under conditions that prevent the multiplication of these nucleic acids. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что размножение нуклеиновых кислот подавляют путем разнесения ферментов и субстратов, входящих в состав системы размножения, в разные зоны среды. 13. The method according to p. 12, characterized in that the reproduction of nucleic acids is suppressed by spacing the enzymes and substrates that make up the reproduction system in different zones of the environment. 14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют бесклеточную систему размножения, включающую РНК-зависимую РНК-полимеразу и рибонуклеотидные субстраты, и нуклеиновую кислоту, предназначенную для размножения, получают в форме реплицирующейся РНК. 14. The method according to p. 1, characterized in that they use a cell-free reproduction system, including RNA-dependent RNA polymerase and ribonucleotide substrates, and nucleic acid intended for propagation, receive in the form of a replicating RNA. 15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют бесклеточную систему размножения, включающую ДНК-зависимую РНК-полимеразу, обратную транскриптазу, РНКазу H, рибонуклеотидные и дезоксирибонуклеотидные субстраты, и к нуклеиновой кислоте, предназначенной для размножения, добавляют затравки, комплементарные концевым участкам указанной нуклеиновой кислоты или ее фрагмента и включающие нуклеотидную последовательность промотора указанной РНК-полимеразы. 15. The method according to p. 1, characterized in that the use of a cell-free reproduction system, including DNA-dependent RNA polymerase, reverse transcriptase, RNase H, ribonucleotide and deoxyribonucleotide substrates, and to the nucleic acid intended for propagation, add seed, complementary terminal areas of the specified nucleic acid or its fragment and including the nucleotide sequence of the promoter of the specified RNA polymerase. 16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для приготовления среды используют термоустойчивую твердую основу и бесклеточную систему размножения, включающую термоустойчивую ДНК-зависимую ДНК-полимеразу и дезоксирибонуклеотидные субстраты, нуклеиновую кислоту, предназначенную для размножения, получают в форме ДНК, к которой добавляют затравки, комплементарные концевым участкам указанной ДНК или ее фрагмента, и для осуществления реакции размножения производят циклические изменения температуры среды между температурой плавления ДНК и температурой, способствующей отжигу указанных затравок с цепочками указанной ДНК. 16. The method according to p. 1, characterized in that for the preparation of the medium using a heat-resistant solid base and cell-free reproduction system, including heat-resistant DNA-dependent DNA polymerase and deoxyribonucleotide substrates, the nucleic acid intended for propagation is obtained in the form of DNA, to which add seeds complementary to the terminal sections of the indicated DNA or its fragment, and to carry out the propagation reaction, cyclic changes in the temperature of the medium between the melting temperature of DNA and the temperature A teratum conducive to annealing the indicated seeds with chains of the indicated DNA. 17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обнаружение и анализ колоний нуклеиновых кислот осуществляют в тонком слое среды. 17. The method according to p. 1, characterized in that the detection and analysis of nucleic acid colonies is carried out in a thin layer of the medium. 18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что анализ колоний осуществляют путем экспрессии нуклеиновых кислот в среде, включающей бесклеточную ферментную систему, способную к экспрессии нуклеиновых кислот, жидкую фазу среды иммобилизуют путем ее заключения в твердую основу, обладающую развитой поверхностью и имеющую пористую, волокнистую, сетчатую, капиллярную, складчатую или слоистую структуру со средним размером пор от 100 мкм до 5 нм, и идентификации по продуктам экспрессии. 18. The method according to p. 17, characterized in that the analysis of the colonies is carried out by expression of nucleic acids in a medium including a cell-free enzyme system capable of expressing nucleic acids, the liquid phase of the medium is immobilized by its conclusion in a solid base having a developed surface and having a porous , fibrous, mesh, capillary, folded or layered structure with an average pore size of from 100 μm to 5 nm, and identification by expression products. 19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что бесклеточная система экспрессии присутствует в том же слое иммобилизованной среды, в котором осуществляют клонирование нуклеиновых кислот. 19. The method according to p. 18, characterized in that the cell-free expression system is present in the same layer of the immobilized medium in which the nucleic acids are cloned. 20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что продукты экспрессии идентифицируют с помощью реакции, выбранной из группы, включающей специфическую ферментативную реакцию, связывание специфического лиганда и специфическую иммунохимическую реакцию. 20. The method according to p. 18, characterized in that the expression products are identified using a reaction selected from the group comprising a specific enzymatic reaction, binding of a specific ligand and a specific immunochemical reaction.
RU93044929A 1993-09-14 1993-09-14 Method of nucleic acid cloning RU2114175C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93044929A RU2114175C1 (en) 1993-09-14 1993-09-14 Method of nucleic acid cloning

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93044929A RU2114175C1 (en) 1993-09-14 1993-09-14 Method of nucleic acid cloning

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU9200528 Addition 1992-10-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93044929A RU93044929A (en) 1996-07-10
RU2114175C1 true RU2114175C1 (en) 1998-06-27

Family

ID=20147492

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93044929A RU2114175C1 (en) 1993-09-14 1993-09-14 Method of nucleic acid cloning

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2114175C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
National Academy of Sciences, 1968, USA, 60, 866-872. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2048522C1 (en) Method of nucleic acid copying, method of their expression and a medium for their realization
US5958698A (en) Method for amplification and expression of nucleic acids in solid media and its application for nucleic acid cloning and diagnostics
Weber et al. Microbial composition and structure of aerobic granular sewage biofilms
CN104395480B (en) For the method and composition of size-controlled homopolymeric tailing to be carried out to substrate polynucleotide by nucleic acid polymerase
US7351557B2 (en) Amplification of RNA sequences using composite RNA-DNA primers and strand displacement
US5409818A (en) Nucleic acid amplification process
CN114174531A (en) Profiling of biological analytes with spatially barcoded oligonucleotide arrays
JPH02434A (en) Heat-stable enzyme and its use
JPH08509382A (en) Method for amplifying nucleic acid by transcription using substitution, and reagent and kit for the method
Wickner et al. DNA replication in Escherichia coli made permeable by treatment with high sucrose
US6869532B2 (en) Nucleic acid binding matrix
JP2006504440A (en) Improved method for making multiple RNA copies
JP2022512263A (en) Reduced fading by unlabeled nucleotides during sequencing
Messing Adsorption of proteins on glass surfaces and pertinent parameters for the immobilization of enzymes in the pores of inorganic carriers
RU2114175C1 (en) Method of nucleic acid cloning
US8309303B2 (en) Reverse transcription and amplification of RNA with simultaneous degradation of DNA
DE10110511C1 (en) Method for producing an array for the detection of components from a biological sample
RU2114915C1 (en) Method of identification of nucleic acid
Mosharrafa et al. Complementary Strands of Bacteriophage φ29 Deoxyribonucleic Acid: Preparative Separation and Transcription Studies
JPH02504106A (en) Replicable and hybridizable recombinant RNA probes and methods of use thereof
JPH04141098A (en) Reagent for detection of rna and detection of rna using the same reagent
Boudvillain et al. Simple enzymatic assays for the in vitro motor activity of transcription termination factor Rho from Escherichia coli
US3444044A (en) Replication of mutant nucleic acids
Chetverin et al. Molecular colony technique: a new tool for biomedical research and clinical practice
Teshima DNA–DNA hybridization in blackflies (Diptera: Simuliidae)