Điện di gel là gì? Các nghiên cứu khoa học về Điện di gel

Điện di gel là kỹ thuật tách phân tử sinh học như DNA, RNA, protein dựa trên kích thước và điện tích khi di chuyển qua gel dưới điện trường. Phương pháp này cho phép phân tích định tính và bán định lượng các phân tử, ứng dụng rộng rãi trong sinh học phân tử, y học và công nghệ sinh học.

Định nghĩa điện di gel

Điện di gel là kỹ thuật phân tích sinh học dùng để phân tách các phân tử mang điện như DNA, RNA hoặc protein dựa trên sự khác biệt về kích thước và điện tích khi di chuyển qua một ma trận gel dưới ảnh hưởng của điện trường. Phương pháp này là nền tảng của sinh học phân tử hiện đại, giúp xác định thành phần, kích thước và độ tinh sạch của mẫu sinh học.

Điện di gel được ứng dụng trong nghiên cứu cơ bản, xét nghiệm chẩn đoán, kiểm nghiệm di truyền, phân tích pháp y và nhiều quy trình sinh học phân tử khác. Đây là một phương pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí nhưng mang lại kết quả trực quan và đáng tin cậy khi thực hiện đúng kỹ thuật.

Quá trình phân tích diễn ra trong một khay gel đặt trong buồng điện di, kết nối với nguồn điện một chiều. Mẫu được nạp vào các giếng nhỏ trong gel, và khi điện áp được áp dụng, các phân tử di chuyển qua gel theo chiều điện trường. DNA và RNA thường mang điện âm nên di chuyển về phía cực dương.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý chính của điện di gel là sự di chuyển của các phân tử tích điện trong môi trường rắn (gel) dưới tác động của điện trường. Mức độ di chuyển phụ thuộc vào điện tích, kích thước, hình dạng phân tử, nồng độ gel và độ nhớt của môi trường. Các phân tử nhỏ sẽ di chuyển nhanh và xa hơn các phân tử lớn vì ít bị cản trở bởi lưới gel.

Gel được tạo thành từ mạng lưới polyme có kích thước lỗ khác nhau, hoạt động như một rào cản phân tử. Khi áp dụng điện trường, các phân tử có điện tích tịnh (net charge) sẽ bị hút về phía điện cực trái dấu. Tốc độ di chuyển của từng phân tử phản ánh sự tương tác giữa động lực điện và lực cản của gel.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện di:

  • Kích thước và hình dạng phân tử: phân tử càng lớn hoặc có cấu trúc xoắn càng di chuyển chậm
  • Điện tích: phân tử có điện tích lớn di chuyển nhanh hơn do lực điện lớn hơn
  • Nồng độ gel: gel đặc làm giảm tốc độ di chuyển nhưng tăng độ phân giải
  • pH và thành phần buffer: ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa và ổn định điện trường

 

Các loại gel phổ biến

Tùy theo loại phân tử được phân tích, người dùng sẽ lựa chọn loại gel thích hợp. Hai loại gel chủ yếu được sử dụng là agarose và polyacrylamide, khác nhau về thành phần hóa học, độ phân giải và ứng dụng.

Gel agarose là polysaccharide chiết xuất từ rong biển, dễ sử dụng, không độc và được dùng phổ biến để phân tích DNA hoặc RNA. Nồng độ gel dao động từ 0.7% đến 2% để điều chỉnh độ phân giải theo kích thước mục tiêu. Gel nồng độ thấp cho phân tử lớn, nồng độ cao cho phân tử nhỏ.

Gel polyacrylamide có cấu trúc mạng dày hơn, thường dùng cho các phân tử nhỏ như protein hoặc DNA kích thước thấp (5–500 bp). Loại gel này có độ phân giải cao, thích hợp cho phân tích chính xác nhưng độc hơn và cần xử lý cẩn thận trong khâu chuẩn bị.

Loại gelVật liệuỨng dụng chínhĐặc điểm
AgarosePolysaccharide từ rong biểnDNA, RNADễ sử dụng, phân giải trung bình
Polyacrylamide (PAGE)Acrylamide + bisacrylamideProtein, DNA/RNA kích thước nhỏĐộ phân giải cao, độc tính cao

Chuẩn bị mẫu và thuốc nhuộm

Trước khi điện di, mẫu sinh học cần được xử lý và trộn với buffer tải (loading buffer) chứa chất nhuộm và chất tạo tỷ trọng để mẫu lắng xuống đáy giếng. Đối với DNA và RNA, thường không cần xử lý thêm; riêng protein cần được biến tính với SDS và chất khử (như DTT) nếu sử dụng SDS-PAGE.

Một số thuốc nhuộm phổ biến:

  • Ethidium bromide (EtBr): chất nhuộm phát huỳnh quang dưới tia UV, liên kết giữa các base đôi DNA
  • SYBR Safe / GelRed: lựa chọn an toàn thay thế EtBr, độ nhạy cao
  • Coomassie Brilliant Blue: dùng nhuộm protein sau khi điện di PAGE
  • Silver stain: dùng khi cần độ nhạy rất cao trong phát hiện protein

 

Loading buffer thường chứa glycerol hoặc sucrose giúp tăng trọng lượng mẫu, cùng với dye (bromophenol blue, xylene cyanol) để theo dõi tiến độ điện di. Buffer điện di (TAE, TBE, SDS-PAGE buffer) cần được chuẩn bị đúng nồng độ để duy trì pH và độ dẫn điện ổn định trong suốt quá trình.

Các kỹ thuật điện di phổ biến

Tùy theo loại phân tử và mục tiêu phân tích, điện di gel có nhiều biến thể kỹ thuật. Mỗi biến thể có những ưu điểm và giới hạn riêng, ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu và lâm sàng khác nhau.

 

  • Agarose gel electrophoresis: dùng cho DNA hoặc RNA, đơn giản, phổ biến nhất. Cho phép xác định kích thước phân đoạn, kiểm tra sản phẩm PCR, phân tích enzyme cắt giới hạn.
  • SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate–Polyacrylamide Gel Electrophoresis): dùng phân tích protein đã biến tính theo khối lượng phân tử. SDS giúp phủ đều điện tích âm lên protein, loại bỏ ảnh hưởng hình dạng.
  • Native PAGE: không dùng SDS, bảo toàn cấu trúc và hoạt tính protein, dùng phân tích sự tương tác protein–protein, phức hợp enzym.
  • 2D gel electrophoresis: kết hợp điện di đẳng điện (theo điểm đẳng điện pI) và SDS-PAGE, cho phép phân tích phức tạp hàng nghìn protein trên cùng một gel.
  • Pulsed-field gel electrophoresis (PFGE): dùng dòng điện xoay chiều để phân tích các đoạn DNA cực lớn (>50 kbp), thường áp dụng trong nghiên cứu vi sinh và gen người.

 

Bảng tóm tắt:

Kỹ thuậtMẫuTiêu chí phân táchỨng dụng chính
Agarose gelDNA/RNAKích thước (bp)PCR, enzyme cắt, kiểm tra DNA tổng hợp
SDS-PAGEProteinKhối lượng phân tử (kDa)Western blot, phân tích biểu hiện protein
2D PAGEProteinpI và kích thướcProteomics, phân tích mẫu phức hợp
PFGEDNA rất lớnKích thước (>50 kbp)Phân tích genome, vi khuẩn, vi sinh vật

Ứng dụng của điện di gel

Điện di gel là công cụ thiết yếu trong các phòng thí nghiệm sinh học và y học phân tử. Một số ứng dụng nổi bật gồm:

  • Phân tích kích thước DNA sau PCR, cắt enzyme giới hạn
  • Kiểm tra tính toàn vẹn RNA trước khi tiến hành phiên mã ngược (RT-PCR)
  • Xác định đa hình gen (VNTR, STR) trong di truyền học và pháp y
  • Định lượng protein và xác định mức độ biểu hiện trong các mô hoặc tế bào khác nhau
  • Làm bước đầu tiên trước khi tách chiết hoặc tinh sạch phân tử mục tiêu

 

Ngoài ra, điện di gel còn được tích hợp trong các phương pháp phức hợp như:

  • Southern blot: phát hiện DNA đặc hiệu
  • Northern blot: phát hiện RNA đặc hiệu
  • Western blot: phát hiện protein đặc hiệu

Những kỹ thuật này kết hợp điện di với lai phân tử hoặc miễn dịch học để tăng độ đặc hiệu phân tích.

 

Phân tích và ghi nhận kết quả

Sau khi điện di kết thúc, gel được nhuộm hoặc xử lý bằng hóa chất phát huỳnh quang để quan sát các băng phân tử dưới đèn UV hoặc máy ảnh huỳnh quang. Độ sắc nét, khoảng cách di chuyển và cường độ băng được phân tích để suy luận các đặc điểm của mẫu.

Việc xác định kích thước phân tử dựa vào so sánh với thang chuẩn (ladder hoặc marker) chạy cùng trong gel. Các phần mềm như ImageJ, GelAnalyzer hoặc phần mềm tích hợp của hệ thống soi gel cho phép đo lường diện tích, cường độ và phân tích bán định lượng.

Lưu ý trong phân tích:

  • Băng rõ, không bị kéo đuôi hoặc loang chứng tỏ mẫu tinh khiết, gel tốt
  • Băng chồng hoặc trùng lặp có thể do quá tải mẫu hoặc gel quá loãng
  • Băng yếu cho thấy nồng độ thấp, có thể cải thiện bằng tăng lượng nạp hoặc nhuộm lại gel

Ưu và nhược điểm

Ưu điểm:

  • Thực hiện đơn giản, chi phí thấp
  • Kết quả trực quan, dễ đánh giá
  • Thích hợp cho nhiều loại phân tử sinh học

Nhược điểm:

  • Khó định lượng chính xác tuyệt đối
  • Dễ bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật thao tác
  • Không cung cấp thông tin trình tự hoặc cấu trúc phân tử

Một số rủi ro như nhiễm chéo, hỏng gel hoặc quá tải mẫu có thể làm sai lệch kết quả. Do đó, kiểm soát chất lượng mẫu và chuẩn bị buffer đúng nồng độ là rất quan trọng.

Kết luận

Điện di gel là một trong những kỹ thuật nền tảng trong sinh học phân tử hiện đại, giúp phân tích kích thước, độ tinh sạch và đặc điểm điện tích của các phân tử sinh học. Kỹ thuật này có tính ứng dụng cao trong nghiên cứu gen, biểu hiện protein, pháp y và chẩn đoán y sinh học.

Sự phát triển của các hệ thống điện di tự động, nhuộm huỳnh quang an toàn và phần mềm phân tích hình ảnh đã nâng cao độ chính xác và hiệu suất của kỹ thuật này, giữ vai trò trung tâm trong nhiều lĩnh vực khoa học sự sống hiện đại.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề điện di gel:

Chuyển giao điện di của protein từ gel polyacrylamide sang tấm nitrocellulose: Quy trình và một số ứng dụng. Dịch bởi AI
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America - Tập 76 Số 9 - Trang 4350-4354 - 1979
Một phương pháp đã được đưa ra để chuyển giao điện di protein từ gel polyacrylamide sang tấm nitrocellulose. Phương pháp này cho phép chuyển giao định lượng protein ribosome từ gel có chứa ure. Đối với gel natri dodecyl sulfate, mô hình ban đầu của dải vẫn giữ nguyên mà không mất độ phân giải, nhưng việc chuyển giao không hoàn toàn định lượng. Phương pháp này cho phép phát hiện protein bằn...... hiện toàn bộ
#chuyển giao điện di #protein ribosome #gel polyacrylamide #nitrocellulose #ure #natri dodecyl sulfate #chụp ảnh phóng xạ tự động #miễn dịch học #kháng thể đặc hiệu #detection #peroxidase #phân tích protein.
Phân tích các quần thể vi sinh vật phức tạp bằng phân tích điện di gel gradient biến tính của các gen được khuếch đại bởi phản ứng chuỗi polymerase mã hóa cho 16S rRNA Dịch bởi AI
Applied and Environmental Microbiology - Tập 59 Số 3 - Trang 695-700 - 1993
Chúng tôi mô tả một phương pháp phân tử mới để phân tích đa dạng di truyền của các quần thể vi sinh vật phức tạp. Kỹ thuật này dựa trên việc tách biệt các đoạn gene mã hóa cho 16S rRNA, có cùng chiều dài, được khuếch đại bằng phản ứng chuỗi polymerase (PCR) thông qua điện di gel gradient biến tính (DGGE). Phân tích DGGE của các cộng đồng vi sinh vật khác nhau cho thấy sự hiện diện của tối ...... hiện toàn bộ
Sự không đồng nhất của các gen mã hóa 16S rRNA trong Paenibacillus polymyxa được phát hiện qua điện di gel nhiệt độ gradient Dịch bởi AI
Journal of Bacteriology - Tập 178 Số 19 - Trang 5636-5643 - 1996
Những sự không đồng nhất trong các gen 16S rRNA từ các chủng riêng lẻ của Paenibacillus polymyxa đã được phát hiện thông qua sự phân tách phụ thuộc vào trình tự của các sản phẩm PCR bằng phương pháp điện di gel nhiệt độ gradient (TGGE). Một đoạn của các gen 16S rRNA, bao gồm các vùng biến đổi V6 đến V8, đã được sử dụng làm trình tự mục tiêu cho các phản ứng khuếch đại. Các sản phẩm PCR từ ...... hiện toàn bộ
Phát hiện các loài Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc , và Weissella trong phân người bằng cách sử dụng mồi PCR nhóm chuyên biệt và phương pháp điện di gel gradient biến tính Dịch bởi AI
Applied and Environmental Microbiology - Tập 67 Số 6 - Trang 2578-2585 - 2001
TÓM TẮT Kỹ thuật điện di gel gradient biến tính (DGGE) của các đoạn DNA được tạo ra bằng phản ứng chuỗi polymerase (PCR) với mồi chuyên biệt cho DNA ribosomal 16S được sử dụng để phát hiện vi khuẩn axit lactic (LAB) thuộc các chi Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc , và ... hiện toàn bộ
#Lactobacillus #Pediococcus #Leuconostoc #Weissella #điện di gel #mồi PCR chuyên biệt #vi khuẩn axit lactic #probiotic #tác dụng của thức ăn #phân tích DNA #môi trường Rogosa.
Kháng đa kháng thuốc với Colistin trong Acinetobacter baumannii Dịch bởi AI
Antimicrobial Agents and Chemotherapy - Tập 50 Số 9 - Trang 2946-2950 - 2006
TÓM TẮT Acinetobacter baumannii kháng đa kháng thuốc đã nổi lên như một vấn đề lớn trong lâm sàng trên toàn thế giới và việc sử dụng colistin đang gia tăng như một liệu pháp "cứu cánh". Mức MIC của colistin chống lại A. baumannii chỉ ra hoạt động đáng kể của nó. Tuy nhiên, tình trạng kháng colistin trong A. baumannii đã được báo cáo gần đây. Các clonotype của 16 m...... hiện toàn bộ
#Kháng đa kháng thuốc #Colistin #<i>Acinetobacter baumannii</i> #Điện di gel trường xung (PFGE) #Kháng đa kháng thuốc không đồng nhất #MIC #Kỹ thuật tiêu diệt theo thời gian #Phân tích hồ sơ dân số (PAPs) #Thử nghiệm kháng kháng sinh.
Ứng dụng của điện di gel polyacrylamide hai chiều và phân tích hạ nguồn vào cộng đồng hỗn hợp các vi sinh vật nhân sơ Dịch bởi AI
Wiley - Tập 6 Số 9 - Trang 911-920 - 2004
Tóm tắtTrong kỷ nguyên hậu di truyền, trọng tâm của nhiều nhà nghiên cứu đã chuyển sang việc nghiên cứu các sản phẩm chức năng của quá trình biểu hiện gene. Trong vi sinh vật học, những phương pháp ‘omics’ này chủ yếu được giới hạn ở các nuôi cấy đơn thuần của vi sinh vật. Do đó, chúng không cung cấp thông tin về biểu hiện gene trong hỗn hợp phức tạp của vi sinh vậ...... hiện toàn bộ
#post-genomic era #gene expression #microbiology #omics #proteome #activated sludge system #two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis #metaproteome #quadrupole time-of-flight mass spectrometry #de novo peptide sequencing #outer membrane protein #acetyl coenzyme A acetyltransferase #ABC-type branched-chain amino acid transport system #Rhodocyclus #polyphosphate-accumulating organism #metaproteomics
Biến thể về độ nhạy với fluconazole và kiểu nhân điện di trong các mẫu Candida albicans từ bệnh nhân AIDS mắc nấm miệng Dịch bởi AI
Journal of Clinical Microbiology - Tập 32 Số 1 - Trang 59-64 - 1994
Phân loại phụ DNA bằng phương pháp điện di gel trường xung và kiểm tra tính nhạy cảm in vitro đã được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi chủng loại và độ kháng fluconazole trong các mẫu Candida albicans từ bệnh nhân bị AIDS đang điều trị azole (fluconazole và clotrimazole) cho bệnh nấm miệng. Tổng cộng có 29 bệnh nhân mắc 71 đợt nấm miệng. Nhìn chung, 121 mẫu C. albicans được thu thập trong...... hiện toàn bộ
#Candida albicans #AIDS #nấm miệng #fluconazole #điện di gel trường xung #tính nhạy cảm in vitro #độ kháng #genotyping
Một mô hình máy tính DNA để giải quyết vấn đề tô màu đỉnh Dịch bởi AI
Science China Press., Co. Ltd. - Tập 51 - Trang 2541-2549 - 2006
Một máy tính DNA đặc biệt đã được thiết kế để giải quyết vấn đề tô màu đỉnh. Thân chính của loại máy tính DNA này là điện di gel polyacrylamide, có thể được phân loại thành ba phần: vùng melting, vùng dung dịch không thỏa mãn và vùng dung dịch. Gel polyacrylamide này được kết nối với thiết bị điều chỉnh nhiệt độ, và nhiệt độ liên quan lần lượt là T_m1, T_m2 và T_m3. Hơn nữa, với trọng tâm vào phươ...... hiện toàn bộ
#máy tính DNA #tô màu đỉnh #điện di gel polyacrylamide #chuỗi DNA thư viện
Biến động không gian của cấu trúc cộng đồng vi khuẩn trong trầm tích cửa sông Châu Giang Dịch bởi AI
Biologia - Tập 66 - Trang 574-584 - 2011
Phương pháp điện di gel gradient biến tính (DGGE) và các phương pháp phân tích thống kê đa biến đã được áp dụng để khảo sát sự biến động không gian của cấu trúc cộng đồng vi khuẩn trong trầm tích cửa sông Châu Giang và để giải quyết mối quan hệ giữa thành phần cộng đồng vi sinh vật và hóa lý nước đáy tại mười điểm khác nhau. Kết quả sơ bộ từ phân tích chuỗi gen của các băng DGGE được cắt gợi ý rằn...... hiện toàn bộ
#cộng đồng vi khuẩn #điện di gel gradient biến tính #trầm tích cửa sông Châu Giang #phân tích thống kê đa biến #biến động không gian
Studien über die Oberflächenausbildung und Oberflächenänderung an Solen und Gelen des Thoriums und Eisens
Kolloidchemische Beihefte - - 1931
Tổng số: 158   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10

Chủ đề khác

#prostaglandin

Prostaglandin là gì? Nghiên cứu khoa học về Prostaglandin

#zambia

Zambia là gì? Các bài nghiên cứu khoa học về Zambia

#combined test

Combined test là gì? Nghiên cứu khoa học về Combined test

#spect

Spect là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học về Spect

#western blot

Western blot là gì? Các nghiên cứu khoa học về Western blot

#nghiên cứu đoàn hệ tiềm năng

Nghiên cứu đoàn hệ tiềm năng là gì? Các nghiên cứu khoa học

#xenopus laevis

Xenopus laevis là gì? Nghiên cứu khoa học về Xenopus laevis

#cảm biến từ xa

Cảm biến từ xa là gì? Các nghiên cứu về Cảm biến từ xa

#thuốc trừ sâu hữu cơ clo

Thuốc trừ sâu hữu cơ clo là gì? Các nghiên cứu khoa học

#chlorophyll a

Chlorophyll a là gì? Nghiên cứu khoa học về Chlorophyll a


Xem thêm