Procédé d'extraction d'ADN incluant une étape de digestion enzymatique. DNA extraction method including an enzymatic digestion step
L'invention concerne les procédés d'extraction d'ADN à partir d'une matière végétale (et plus particulièrement d'algues), l'ADN obtenu étant destiné à être amplifié par PCR ou extrait en vue d'être exploité en quantités massives.The invention relates to methods of extracting DNA from a plant material (and more particularly from algae), the DNA obtained being intended to be amplified by PCR or extracted in order to be exploited in bulk quantities .
L'invention est susceptible d'être appliquée dans différents secteurs industriels, et notamment l'industrie cosmétique ou l'industrie des biotechnologies (via l'amélioration du procédé de Polymerase Chain Reaction (PCR) appliqué à l'ADN extrait de végétaux et plus particulièrement d'algues). Dans le domaine des techniques d'extraction d'ADN, à des fins d'analyse ou de régénération d'une espèce végétale, il est préférable de travailler sur des protoplastes.The invention is likely to be applied in various industrial sectors, and in particular the cosmetic industry or the biotechnology industry (via the improvement of the Polymerase Chain Reaction (PCR) process applied to DNA extracted from plants and more especially seaweed). In the field of DNA extraction techniques, for purposes of analysis or regeneration of a plant species, it is preferable to work on protoplasts.
La production de ces protoplastes fait appel à l'hydrolyse enzymatique de la paroi des cellules, permettant ensuite un prélèvement ou un marquage plus aisé de l'ADN contenu dans le noyau du protoplaste.The production of these protoplasts involves the enzymatic hydrolysis of the cell wall, subsequently allowing easier removal or labeling of the DNA contained in the protoplast nucleus.
Par ailleurs, dans les contextes d'analyse et/ou de régénération d'espèces végétales, on cherche, au cours de la production des protoplastes, à maintenir la viabilité des cellules, notamment dans le but de produire à terme des plantes entières. Les conditions opératoires d'hydrolyse enzymatique de la paroi conduisant à la production des protoplastes, notamment d'algues, sont classiquement les suivantes (ex : Araki et al, 1998. Journal of Marine Biotechnology, 6 : 193-197) : un pré-traitement enzymatique dans un milieu contenant généralement une protéase (ex : Papaine), un osmoticum (ex : Mannitol) et un tampon MES dont le pH est ajusté à 7,5 ; une macération enzymatique (ou d'hydrolyse enzymatique de la paroi) composé d'un mélange d'enzymes (macerozyme, cellulases...), d'un osmoticum et d'un tampon MES dont le pH est ajusté à 6,5 ; les conditions optimales d'incubation sont obtenues pour une durée de 2h30 et une température de 220C.
Or, de telles conditions opératoires sont clairement destinées à des applications expérimentales et au maintien de la viabilité des cellules débarrassées de leur paroi.Moreover, in the contexts of analysis and / or regeneration of plant species, it is sought, during the production of protoplasts, to maintain the viability of the cells, especially for the purpose of ultimately producing whole plants. The operating conditions of enzymatic hydrolysis of the wall leading to the production of protoplasts, in particular of algae, are classically the following ones (ex: Araki et al, 1998. Journal of Marine Biotechnology, 6: 193-197): a pre- enzymatic treatment in a medium generally containing a protease (eg Papain), an osmoticum (eg Mannitol) and a MES buffer whose pH is adjusted to 7.5; an enzymatic maceration (or enzymatic hydrolysis of the wall) composed of a mixture of enzymes (macerozyme, cellulases ...), an osmoticum and a MES buffer whose pH is adjusted to 6.5; the optimal incubation conditions are obtained for a duration of 2.5 hours and a temperature of 22 ° C. However, such operating conditions are clearly intended for experimental applications and for maintaining the viability of cells freed from their walls.
Une autre technique d'extraction met en œuvre une opération de broyage de la matière végétale et plus particulièrement algale pour extraire l'ADN. Cette technique d'extraction est limitée par la présence de polyssacharides pariétaux qui diminuent la solubilité de l'ADN extrait et/ou empêchent une fixation correcte de la TAQ polymérase en vue de l'amplification d'ADN via la technique de PCR.Another extraction technique involves a grinding operation of the plant material and more particularly algal to extract the DNA. This extraction technique is limited by the presence of parietal polyssacharides which decrease the solubility of the extracted DNA and / or prevent a correct fixation of TAQ polymerase for DNA amplification via the PCR technique.
L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'art antérieur.The invention therefore particularly aims to overcome the disadvantages of the prior art.
Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un procédé d'extraction d'ADN qui permette de fournir des quantités adaptées à l'échelle industrielle.More specifically, the object of the invention is to propose a DNA extraction process that makes it possible to provide quantities that are suitable on an industrial scale.
L'invention a également pour objectif de fournir un tel procédé qui soit simple de conception et aisé de mise en œuvre.The invention also aims to provide such a method that is simple in design and easy to implement.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un procédé d'extraction d'ADN d'une matière végétale, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :These objectives, as well as others which will appear later, are achieved thanks to the invention which relates to a process for extracting DNA from a plant material, characterized in that it comprises the steps of:
- macération enzymatique de ladite matière végétale, à un pH compris entre environ 5 et environ 7 et à une température comprise entre environ 35°C et 400C ; centrifugation d'un extrait de ladite matière végétale macérée conduisant à l'obtention d'un culot contenant de l'ADN de ladite matière végétale ; - extraction dudit ADN de ladite matière végétale contenue dans ledit culot ;- enzymatic maceration of said plant material, at a pH of between about 5 and about 7 and at a temperature between about 35 ° C and 40 0 C; centrifuging an extract of said macerated plant material leading to obtaining a pellet containing DNA of said plant material; extraction of said DNA from said plant material contained in said pellet;
- une étape de purification dudit ADN ;a purification step of said DNA;
- une étape d'amplification dudit ADN.an amplification step of said DNA.
De cette façon, la combinaison de la technique de macération enzymatique et de conditions opératoires particulières permet d'envisager l'extraction d'ADN
avec un rendement notablement supérieur aux rendements des procédés de l'art antérieur.In this way, the combination of the enzymatic maceration technique and the particular operating conditions makes it possible to envisage the extraction of DNA with a yield significantly greater than the yields of the processes of the prior art.
En effet, la dégradation de la paroi des cellules et l'éclatement de celles-ci provoqué par les conditions opératoires permet d'extraire des quantités d'ADN plus importantes qu'avec les procédés connus.In fact, the degradation of the cell wall and the bursting thereof caused by the operating conditions makes it possible to extract larger amounts of DNA than with the known methods.
Bien entendu, un tel procédé s'inscrit dans une approche fondamentalement différente de l'art antérieur, puisqu'il conduit à la destruction des cellules tandis que la production de protoplasmes a pour but de maintenir la viabilité des cellules. En outre, l'étape de macération enzymatique évite la contamination de l'ADN par les polysaccharides qui sont de nature à limiter la fixation de la polymérase.Of course, such a method is part of an approach fundamentally different from the prior art, since it leads to the destruction of cells whereas the production of protoplasms is intended to maintain the viability of the cells. In addition, the enzymatic maceration step avoids the contamination of the DNA by the polysaccharides which are likely to limit the fixation of the polymerase.
L'étape d'amplification peut donc être réalisée avec un excellent rendement. Avantageusement, ladite étape d'extraction est réalisée par mise en solution dudit culot dans un tampon salin dont le phH est d'environ 8, et par traitement au phénol/ chloroforme/isoamyl (25 :24 : 1 v/v/v)The amplification step can therefore be performed with excellent efficiency. Advantageously, said extraction step is carried out by dissolving said pellet in a saline buffer whose phH is approximately 8, and by treatment with phenol / chloroform / isoamyl (25: 24: 1 v / v / v)
Préférentiellement, ladite étape de purification est réalisée par précipitation à l'isopropanol. Selon une application avantageuse, le procédé est destiné à l'extraction d'ADN algal.Preferably, said purification step is carried out by precipitation with isopropanol. According to an advantageous application, the process is intended for the extraction of algal DNA.
On note qu'un procédé selon l'invention peut également être appliqué à d'autres matières végétales, par exemple des végétaux terrestres qui contiennent également des polysaccharides limitant la PCR (Polymérase Chain Reaction). Selon une première application particulière, le procédé est destiné à l'extraction d'ADN d'algues rouges de l'espèce Palmaria, ladite étape de macération enzymatique étant réalisée à l'aide d'une solution comprenant un mélange de xylanases et de cellulases.It is noted that a process according to the invention can also be applied to other plant materials, for example terrestrial plants which also contain polysaccharides limiting PCR (Polymerase Chain Reaction). According to a particular first application, the method is intended for the extraction of red algae DNA from the Palmaria species, said enzymatic maceration step being carried out using a solution comprising a mixture of xylanases and cellulases. .
Selon une deuxième application particulière, le procédé est destiné à l'extraction d'ADN d'algues rouges de l'espèce Gracilaria, ladite étape de
macération enzymatique étant réalisée à l'aide d'une solution comprenant un mélange de glucanases et de cellulases.According to a second particular application, the process is intended for the extraction of red algae DNA from the Gracilaria species, said step of enzymatic maceration being carried out using a solution comprising a mixture of glucanases and cellulases.
Bien entendu, en sélectionnant des enzymes appropriées, l'invention est également applicable à toutes les autres algues (macro et microalgues) appartenant aux groupes des algues rouges (ex : Porphyridium sp), vertes (ex : Ulva sp, Enteromorpha sp) ou brunes (ex : Fucus sp, Ascophyllum sp, ...).Of course, by selecting appropriate enzymes, the invention is also applicable to all other algae (macro and microalgae) belonging to the groups of red algae (eg Porphyridium sp), green (ex: Ulva sp, Enteromorpha sp) or brown (ex: Fucus sp, Ascophyllum sp, ...).
Selon une solution avantageuse, lesdites cellulases sont des celluclast. Dans le cas de la première application citée précédemment, lesdites xylanases sont préférentiellement des Shearzym. Dans le cas de la deuxième application citée précédemment, lesdites glucanases sont préférentiellement des Finizym.According to an advantageous solution, said cellulases are celluclasts. In the case of the first application mentioned above, said xylanases are preferably Shearzym. In the case of the second application mentioned above, said glucanases are preferably Finizym.
Selon un mode de réalisation préféré, ladite étape de macération enzymatique est réalisée pendant une durée comprise entre environ 6 heures et environ 12 heures. Une telle durée permet d'atteindre un éclatement suffisant des cellules et une dégradation complète, ou quasi complète, des polysaccharides.According to a preferred embodiment, said enzymatic maceration step is carried out for a period of between about 6 hours and about 12 hours. Such a duration makes it possible to achieve a sufficient breakdown of the cells and a complete or almost complete degradation of the polysaccharides.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description suivante de deux variantes de réalisation de l'invention, données à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs, en référence à la figure unique.Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly in the light of the following description of two variant embodiments of the invention, given by way of illustrative and nonlimiting examples, with reference to the single figure.
Tel que déjà mentionné, le principe de l'invention consiste à combiner des étapes et des conditions opératoires de nature à augmenter le rendement de l'extraction et celui de l'amplification d'ADN. En d'autres termes, le procédé permet : - l'amélioration du rendement d'extraction de l'ADN par hydrolyse enzymatique de la paroi cellulaire des algues ;As already mentioned, the principle of the invention consists of combining steps and operating conditions likely to increase the extraction efficiency and that of the DNA amplification. In other words, the process makes it possible: to improve the extraction efficiency of the DNA by enzymatic hydrolysis of the cell wall of the algae;
- l'amélioration de la réaction de polymérisation de l'ADN algal (via PCR) par dégradation enzymatique des polysaccharides contaminant cet ADN.
L'utilisation du procédé de macération enzymatique comme traitement préalable de l'ADN algal (extraction de l'ADN, élimination des polysaccharides limitant la fixation par exemple de la TAQ Polymérase), les conditions de pHthe improvement of the polymerization reaction of the algal DNA (via PCR) by enzymatic degradation of the polysaccharides contaminating this DNA. The use of the enzymatic maceration process as pretreatment of algal DNA (extraction of DNA, removal of polysaccharides limiting the binding of, for example, TAQ Polymerase), pH conditions
(compris entre 5 et 7) et de température (entre 35°C et 400C) sont notamment déterminantes pour l'obtention de ce résultat.(between 5 and 7) and temperature (between 35 ° C and 40 0 C) are particularly critical for obtaining this result.
Les applications attendues sont par exemple l'emploi de ce procédé pour l'obtention d'ADN algal à des fins cosmétiques (ex : principe actif hydratant...) ou autres.The expected applications are for example the use of this method for obtaining algal DNA for cosmetic purposes (eg hydrating active ingredient, etc.) or others.
Dans le cadre du procédé selon l'invention, la description qui va être faite par la suite porte sur l'utilisation d'enzymes (xylanases, cellulases, ou glucanases) dégradant la paroi d'algues rouges (Rhodophycées) appartenant aux genresIn the context of the process according to the invention, the following description will be made of the use of enzymes (xylanases, cellulases, or glucanases) which degrade the wall of red algae (Rhodophyceae) belonging to the genera
Palmaria et Gracilaria pour améliorer l'extraction de l'ADN et son amplification par PCR (Polymérase Chain Reaction).Palmaria and Gracilaria to improve DNA extraction and amplification by PCR (Polymerase Chain Reaction).
Le protocole technique est le suivant. Les algues appartenant aux genres Palmaria ou Gracilaria, comme par exemple les algues Palmaria palmata (Dulse) ou Gracilaria verrucosa (Ogo- nori), sont mises à macérer en présence d'une solution enzymatique dont la composition pour chaque algue est la suivante : un mélange de glucanases (ex : Finizym novo) et de cellulases (ex : Celluclast novo) pour l'espèce Gracilaria verrucosa ; un mélange de xylanases (ex : Shearzyme novo) et de cellulases (Celluclast novo) pour l'espèce Palmaria palmata.The technical protocol is as follows. The algae belonging to the genera Palmaria or Gracilaria, such as the algae Palmaria palmata (Dulse) or Gracilaria verrucosa (Ogo-nori), are macerated in the presence of an enzymatic solution whose composition for each seaweed is as follows: mixture of glucanases (eg Finizym novo) and cellulases (eg Celluclast novo) for the species Gracilaria verrucosa; a mixture of xylanases (ex: Shearzyme novo) and cellulases (Celluclast novo) for the species Palmaria palmata.
Les conditions opératoires de la macération (minimales et optimales) applicables aux deux algues sont décrites ci-après, la macération étant réalisée pendant une durée pouvant aller de 6 heures à 12 heures. La quantité d'enzymes utilisée est fonction de la quantité en poids de l'algue à traiter. Elle est exprimée en unités/g d'algue (U/g). A titre de référence, une unité U correspond à la quantité d'enzymes capable de libérer un mole d'osés en une minute à une température de 400C.
Les conditions optimales d'hydrolyse pour chaque algue sont décrites dans les tableaux ci-dessous : Palmaria almataThe operating conditions of the maceration (minimum and optimal) applicable to the two algae are described below, the maceration being carried out for a period of time ranging from 6 hours to 12 hours. The amount of enzymes used is a function of the amount by weight of the algae to be treated. It is expressed in units / g of seaweed (U / g). By way of a reference, a unit U corresponds to the amount of enzyme capable of releasing a mole of oste in a minute at a temperature of 40 ° C. The optimum hydrolysis conditions for each alga are described in the tables below: Palmaria almata
Gracilaria verrucosaGracilaria verrucosa
Une incubation sans enzymes a été effectuée dans les mêmes conditions et a servi de témoin pour évaluer l'efficacité relative du procédé de macération enzymatique. L'ADN est dosé par mesure de l'absorbance à 260 nm. Son degré de pureté est évalué par le rapport : Abs 260/ Abs 280 nm.An incubation without enzymes was carried out under the same conditions and served as a control to evaluate the relative efficiency of the enzymatic maceration process. The DNA is assayed by measuring the absorbance at 260 nm. Its degree of purity is evaluated by the ratio: Abs 260 / Abs 280 nm.
En référence à la figure 1, l'étape de macération (étape 1) est suivie d'une étape de centrifugation (étape 2), paramétrée pour atteindre 10 000g à 20 000g.Referring to Figure 1, the maceration step (step 1) is followed by a centrifugation step (step 2), set to reach 10,000g to 20,000g.
A l'issue de l'étape de centrifugation, on obtient d'une part un surnageant contenant entre autres des oligosaccharides et, d'autre part, un culot contenant l'ADN de la matière végétale macérée auquel on fait subir une étape d'extraction (étape 3), puis une étape de purification (étape 4).
L'étape d'extraction est réalisée par mise en solution dans un tampon salin pH 8 et par traitement avec un mélange phénol/chloroforme du culot obtenu à l'issue de l'étape de centrifugation, l'étape de purification étant réalisée par précipitation à l'isopropanol.At the end of the centrifugation step, a supernatant containing, inter alia, oligosaccharides and, on the other hand, a pellet containing the DNA of the macerated plant material which is subjected to a step of extraction (step 3), then a purification step (step 4). The extraction step is carried out by dissolving in a pH 8 saline buffer and by treatment with a phenol / chloroform mixture of the pellet obtained at the end of the centrifugation step, the purification step being carried out by precipitation. with isopropanol.
Le tableau suivant fournit une comparaison, en terme d'extraction de l'ADN de l'algue Palmaria palmata, entre le procédé classique (broyage de l'algue en milieu tamponné) et le procédé selon l'invention (sans broyage et incubation en présence de xylanases, en l'occurence des Shearzyme, et de cellulases, en l'occurrence des Celluclast).The following table provides a comparison, in terms of extraction of the DNA of the algae Palmaria palmata, between the conventional method (crushing of the alga in buffered medium) and the process according to the invention (without grinding and incubation in presence of xylanases, in this case Shearzyme, and cellulases, in this case Celluclast).
Palmaria almataPalmaria almata
On note par conséquent que, sur l'algue Palmaria palmata, le procédé selon l'invention permet un gain de 41% de récupération de l'ADN, comparé au procédé classique.It is therefore noted that, on the alga Palmaria palmata, the method according to the invention allows a 41% recovery of DNA recovery, compared to the conventional method.
Le tableau suivant fournit une comparaison en terme d'extraction de l'ADN de l'algue Gracilaria verrucosa, entre le procédé classique (broyage de l'algue en milieu tamponné) et le procédé selon l'invention (sans broyage et incubation en présence de glucanases, en l'occurrence des Finizym, et de cellulases, en l'occurrence des Celluclast.
Gracilaria verrucosaThe following table provides a comparison in terms of extraction of the DNA of the algae Gracilaria verrucosa, between the conventional method (crushing of the alga in a buffered medium) and the process according to the invention (without grinding and incubation in the presence glucanases, in this case Finizym, and cellulases, in this case Celluclast. Gracilaria verrucosa
On note par conséquent que, sur l'algue Gracilaria verrucosa, le procédé selon l'invention permet un gain de 20% de récupération de l'ADN comparé au procédé classique.It is therefore noted that, on the alga Gracilaria verrucosa, the method according to the invention allows a 20% recovery of DNA recovery compared to the conventional method.
L'ADN ainsi extrait subit ensuite une étape d'amplification (étape 5 sur la figure 1).The DNA thus extracted then undergoes an amplification step (step 5 in FIG. 1).
Tel que déjà mentionné, l'étape de macération enzymatique permet une amplification de l'ADN de Palmaria palmata et de Gracilaria verrucosa grâce à l'hydrolyse enzymatique des polysaccharides (xylanes ou glucanes, ou agar ou cellulose) qui contaminent l'ADN et empêchent la fixation sur ce dernier de la polymérase (ex : TAQ polymérase) utilisée pour l'amplification.As already mentioned, the enzymatic maceration step allows an amplification of the DNA of Palmaria palmata and Gracilaria verrucosa thanks to the enzymatic hydrolysis of the polysaccharides (xylans or glucans, or agar or cellulose) which contaminate the DNA and prevent the fixation on the latter of the polymerase (ex: TAQ polymerase) used for the amplification.
Ce résultat a également été observé pour des microalgues appartenant au groupe des Diatomées et apparaît transposable à toutes les macro et microalgues pour lesquelles l'amplification de l'ADN par PCR est limitée par la fixation des polysaccharides sur cet ADN.
This result has also been observed for microalgae belonging to the Diatom group and appears to be transposable to all macro and microalgae for which DNA amplification by PCR is limited by the attachment of polysaccharides to this DNA.