Tính toán thể tích tối ưu cho các phản ứng ligation DNA bằng cách nhập nồng độ vector và insert, chiều dài và tỷ lệ mol. Công cụ thiết yếu cho sinh học phân tử và kỹ thuật di truyền.
Ligation DNA là một kỹ thuật sinh học phân tử quan trọng được sử dụng để nối các đoạn DNA lại với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị. Máy Tính Ligation DNA là một công cụ thiết yếu cho các nhà nghiên cứu, giúp xác định lượng vector và DNA chèn tối ưu cần thiết cho các phản ứng ligation thành công. Bằng cách tính toán tỷ lệ mol chính xác giữa vector (plasmid) và các đoạn DNA chèn, máy tính này đảm bảo các thí nghiệm nhân bản phân tử hiệu quả trong khi giảm thiểu lãng phí hóa chất và các phản ứng thất bại.
Các phản ứng ligation là cơ sở cho kỹ thuật di truyền, sinh học tổng hợp và các quy trình nhân bản phân tử. Chúng cho phép các nhà khoa học tạo ra các phân tử DNA tái tổ hợp bằng cách chèn các gen quan tâm vào các vector plasmid để chuyển vào các sinh vật chủ sau này. Sự thành công của các phản ứng này phụ thuộc rất nhiều vào việc sử dụng các lượng thành phần DNA phù hợp, điều mà máy tính này giúp xác định chính xác.
Cho dù bạn đang xây dựng các vector biểu hiện, tạo ra thư viện gen, hay thực hiện các quy trình subcloning thông thường, máy tính ligation DNA này sẽ giúp bạn tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm và tăng tỷ lệ thành công của bạn. Bằng cách nhập một vài thông số chính về các mẫu DNA của bạn, bạn có thể nhanh chóng nhận được các thể tích cần thiết cho phản ứng ligation cụ thể của bạn.
Máy tính ligation DNA sử dụng một công thức sinh học phân tử cơ bản tính đến kích thước và nồng độ khác nhau của các đoạn DNA đang được nối. Tính toán chính xác định lượng DNA chèn cần thiết tương ứng với DNA vector dựa trên chiều dài của chúng và tỷ lệ mol mong muốn.
Lượng DNA chèn cần thiết (tính bằng nanogram) được tính bằng công thức sau:
Trong đó:
Khi lượng DNA chèn cần thiết được xác định, các thể tích cần thiết cho phản ứng được tính toán:
Hãy cùng làm một ví dụ thực tế:
Bước 1: Tính toán lượng chèn cần thiết
Bước 2: Tính toán các thể tích
Tính toán này đảm bảo rằng có ba phân tử chèn cho mỗi phân tử vector trong phản ứng, tối ưu hóa khả năng thành công của ligation.
Máy tính Ligation DNA của chúng tôi được thiết kế để dễ sử dụng và trực quan. Làm theo các bước sau để tính toán các thể tích tối ưu cho phản ứng ligation của bạn:
Nhập thông tin vector:
Nhập thông tin chèn:
Đặt các tham số phản ứng:
Xem kết quả:
Sao chép kết quả (tùy chọn):
Máy tính thực hiện các kiểm tra xác thực để đảm bảo tất cả các đầu vào là số dương và rằng tổng thể tích đủ cho các thể tích DNA cần thiết. Nếu phát hiện bất kỳ lỗi nào, các thông điệp lỗi hữu ích sẽ hướng dẫn bạn sửa chữa các đầu vào.
Máy tính Ligation DNA có giá trị trong nhiều ứng dụng sinh học phân tử:
Trường hợp sử dụng phổ biến nhất là nhân bản phân tử tiêu chuẩn, nơi các nhà nghiên cứu chèn các gen hoặc đoạn DNA vào các vector plasmid. Máy tính đảm bảo các điều kiện tối ưu cho:
Trong sinh học tổng hợp, nơi nhiều đoạn DNA thường được lắp ráp:
Khi phát triển các công cụ chẩn đoán phân tử:
Đối với các nhà nghiên cứu làm việc về sản xuất protein:
Trong các ứng dụng chỉnh sửa gen:
Máy tính đặc biệt có giá trị cho các kịch bản ligation khó khăn:
Trong khi máy tính Ligation DNA của chúng tôi cung cấp các tính toán chính xác cho các phản ứng ligation truyền thống, một số phương pháp thay thế tồn tại để nối các đoạn DNA:
Gibson Assembly: Sử dụng exonuclease, polymerase và ligase trong một phản ứng một ống để nối các đoạn DNA chồng chéo. Không cần tính toán ligation truyền thống, nhưng tỷ lệ nồng độ vẫn quan trọng.
Golden Gate Assembly: Sử dụng các enzyme cắt loại IIS để lắp ráp theo hướng, không có sẹo của nhiều đoạn. Yêu cầu các lượng tương đương của tất cả các đoạn.
SLIC (Lắp ráp độc lập với ligation): Sử dụng exonuclease để tạo ra các đầu đơn phân tử chồng chéo với nhau. Thường sử dụng các tỷ lệ tương đương của các đoạn.
In-Fusion Cloning: Hệ thống thương mại cho phép nối các đoạn với các chồng chéo 15 bp. Sử dụng một tỷ lệ cụ thể dựa trên kích thước đoạn.
Gateway Cloning: Sử dụng tái tổ hợp đặc hiệu vị trí thay vì ligation. Yêu cầu các vector đầu vào và đầu ra cụ thể.
Kiểm tra thực nghiệm: Một số phòng thí nghiệm thích thiết lập nhiều phản ứng ligation với các tỷ lệ chèn:vector khác nhau (1:1, 3:1, 5:1, 10:1) và xác định tỷ lệ nào hoạt động tốt nhất cho các cấu trúc cụ thể của họ.
Phần mềm máy tính: Các gói phần mềm thương mại như Vector NTI và SnapGene bao gồm các máy tính ligation với các tính năng bổ sung như phân tích vị trí cắt.
Sự phát triển của các tính toán ligation DNA song song với sự tiến hóa của các kỹ thuật nhân bản phân tử, đã cách mạng hóa sinh học phân tử và công nghệ sinh học.
Khái niệm ligation DNA cho nhân bản phân tử xuất hiện vào đầu những năm 1970 với công trình tiên phong của Paul Berg, Herbert Boyer và Stanley Cohen, những người đã phát triển các phân tử DNA tái tổ hợp đầu tiên. Trong giai đoạn này, các phản ứng ligation chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, với các nhà nghiên cứu sử dụng thử nghiệm và sai để xác định các điều kiện tối ưu.
Sự phát hiện ra các enzyme cắt và DNA ligase đã cung cấp các công cụ thiết yếu để cắt và nối các phân tử DNA. T4 DNA ligase, được tách ra từ E. coli nhiễm phage T4, đã trở thành enzyme tiêu chuẩn để nối các đoạn DNA do khả năng nối cả các đầu blunt và đầu dính.
Khi nhân bản phân tử trở nên phổ biến hơn, các nhà nghiên cứu bắt đầu phát triển các phương pháp hệ thống hơn cho các phản ứng ligation. Tầm quan trọng của các tỷ lệ mol giữa DNA vector và chèn trở nên rõ ràng, dẫn đến sự phát triển của công thức cơ bản vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.
Trong giai đoạn này, các nhà nghiên cứu đã thiết lập rằng lượng DNA chèn dư thừa (thường là tỷ lệ mol 3:1 đến 5:1 cho các ứng dụng nhân bản tiêu chuẩn) thường cải thiện hiệu suất ligation cho các ứng dụng nhân bản tiêu chuẩn. Kiến thức này ban đầu được chia sẻ qua các quy trình trong phòng thí nghiệm và dần dần được đưa vào các sách hướng dẫn và giáo trình sinh học phân tử.
Sự xuất hiện của các công cụ tính toán và máy tính trực tuyến trong những năm 2000 đã làm cho các tính toán ligation chính xác trở nên dễ tiếp cận hơn cho các nhà nghiên cứu. Khi các kỹ thuật sinh học phân tử trở nên tinh vi hơn, nhu cầu về các tính toán chính xác trở nên quan trọng hơn, đặc biệt là cho các dự án nhân bản khó khăn liên quan đến nhiều đoạn hoặc các chèn lớn.
Ngày nay, các tính toán ligation DNA là một phần không thể thiếu trong quy trình làm việc nhân bản phân tử, với các máy tính chuyên dụng như cái này giúp các nhà nghiên cứu tối ưu hóa các thí nghiệm của họ. Công thức cơ bản vẫn chủ yếu không thay đổi, mặc dù sự hiểu biết của chúng ta về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ligation đã được cải thiện.
Sự xuất hiện của các phương pháp nhân bản thay thế như Gibson Assembly và Golden Gate cloning đã giới thiệu các nhu cầu tính toán mới, nhưng khái niệm cơ bản về tỷ lệ mol giữa các đoạn DNA vẫn quan trọng trong tất cả các kỹ thuật này.
Dưới đây là các triển khai của máy tính ligation DNA trong các ngôn ngữ lập trình khác nhau:
1' Hàm Excel VBA cho Máy Tính Ligation DNA
2Function CalculateInsertAmount(vectorAmount As Double, vectorLength As Double, insertLength As Double, molarRatio As Double) As Double
3 ' Tính toán lượng chèn cần thiết tính bằng ng
4 CalculateInsertAmount = vectorAmount * (insertLength / vectorLength) * molarRatio
5End Function
6
7Function CalculateVectorVolume(vectorAmount As Double, vectorConcentration As Double) As Double
8 ' Tính toán thể tích vector tính bằng μL
9 CalculateVectorVolume = vectorAmount / vectorConcentration
10End Function
11
12Function CalculateInsertVolume(insertAmount As Double, insertConcentration As Double) As Double
13 ' Tính toán thể tích chèn tính bằng μL
14 CalculateInsertVolume = insertAmount / insertConcentration
15End Function
16
17Function CalculateBufferVolume(totalVolume As Double, vectorVolume As Double, insertVolume As Double) As Double
18 ' Tính toán thể tích đệm/nước tính bằng μL
19 CalculateBufferVolume = totalVolume - vectorVolume - insertVolume
20End Function
21
22' Ví dụ sử dụng trong một ô:
23' =CalculateInsertAmount(50, 3000, 1000, 3)
241def calculate_ligation_volumes(vector_concentration, vector_length, insert_concentration,
2 insert_length, molar_ratio, total_volume, vector_amount=50):
3 """
4 Tính toán các thể tích cho một phản ứng ligation DNA.
5
6 Tham số:
7 vector_concentration (float): Nồng độ DNA vector tính bằng ng/μL
8 vector_length (float): Chiều dài DNA vector tính bằng base pairs
9 insert_concentration (float): Nồng độ DNA chèn tính bằng ng/μL
10 insert_length (float): Chiều dài DNA chèn tính bằng base pairs
11 molar_ratio (float): Tỷ lệ mol mong muốn của chèn:vector
12 total_volume (float): Tổng thể tích phản ứng tính bằng μL
13 vector_amount (float): Lượng DNA vector sử dụng tính bằng ng (mặc định: 50)
14
15 Trả về:
16 dict: Từ điển chứa các thể tích và lượng đã tính toán
17 """
18 # Tính toán thể tích vector
19 vector_volume = vector_amount / vector_concentration
20
21 # Tính toán lượng chèn cần thiết
22 vector_length_kb = vector_length / 1000
23 insert_length_kb = insert_length / 1000
24 insert_amount = (vector_amount * insert_length_kb / vector_length_kb) * molar_ratio
25
26 # Tính toán thể tích chèn
27 insert_volume = insert_amount / insert_concentration
28
29 # Tính toán thể tích đệm/nước
30 buffer_volume = total_volume - vector_volume - insert_volume
31
32 return {
33 "vector_volume": round(vector_volume, 2),
34 "insert_volume": round(insert_volume, 2),
35 "buffer_volume": round(buffer_volume, 2),
36 "insert_amount": round(insert_amount, 2),
37 "vector_amount": vector_amount
38 }
39
40# Ví dụ sử dụng
41result = calculate_ligation_volumes(
42 vector_concentration=50,
43 vector_length=3000,
44 insert_concentration=25,
45 insert_length=1000,
46 molar_ratio=3,
47 total_volume=20
48)
49
50print(f"Vector: {result['vector_volume']} μL ({result['vector_amount']} ng)")
51print(f"Insert: {result['insert_volume']} μL ({result['insert_amount']} ng)")
52print(f"Buffer: {result['buffer_volume']} μL")
53print(f"Tổng: 20 μL")
541function calculateLigationVolumes(vectorConcentration, vectorLength, insertConcentration,
2 insertLength, molarRatio, totalVolume, vectorAmount = 50) {
3 // Chuyển đổi chiều dài sang kb cho tính toán
4 const vectorLengthKb = vectorLength / 1000;
5 const insertLengthKb = insertLength / 1000;
6
7 // Tính toán lượng chèn cần thiết
8 const insertAmount = (vectorAmount * insertLengthKb / vectorLengthKb) * molarRatio;
9
10 // Tính toán thể tích
11 const vectorVolume = vectorAmount / vectorConcentration;
12 const insertVolume = insertAmount / insertConcentration;
13 const bufferVolume = totalVolume - vectorVolume - insertVolume;
14
15 return {
16 vectorVolume: parseFloat(vectorVolume.toFixed(2)),
17 insertVolume: parseFloat(insertVolume.toFixed(2)),
18 bufferVolume: parseFloat(bufferVolume.toFixed(2)),
19 insertAmount: parseFloat(insertAmount.toFixed(2)),
20 vectorAmount: vectorAmount
21 };
22}
23
24// Ví dụ sử dụng
25const result = calculateLigationVolumes(50, 3000, 25, 1000, 3, 20);
26console.log(`Vector: ${result.vectorVolume} μL (${result.vectorAmount} ng)`);
27console.log(`Insert: ${result.insertVolume} μL (${result.insertAmount} ng)`);
28console.log(`Buffer: ${result.bufferVolume} μL`);
29console.log(`Tổng: 20 μL`);
301public class DNALigationCalculator {
2 public static class LigationResult {
3 public final double vectorVolume;
4 public final double insertVolume;
5 public final double bufferVolume;
6 public final double insertAmount;
7 public final double vectorAmount;
8
9 public LigationResult(double vectorVolume, double insertVolume, double bufferVolume,
10 double insertAmount, double vectorAmount) {
11 this.vectorVolume = vectorVolume;
12 this.insertVolume = insertVolume;
13 this.bufferVolume = bufferVolume;
14 this.insertAmount = insertAmount;
15 this.vectorAmount = vectorAmount;
16 }
17 }
18
19 public static LigationResult calculateLigationVolumes(
20 double vectorConcentration, double vectorLength,
21 double insertConcentration, double insertLength,
22 double molarRatio, double totalVolume, double vectorAmount) {
23
24 // Chuyển đổi chiều dài sang kb
25 double vectorLengthKb = vectorLength / 1000.0;
26 double insertLengthKb = insertLength / 1000.0;
27
28 // Tính toán lượng chèn cần thiết
29 double insertAmount = (vectorAmount * insertLengthKb / vectorLengthKb) * molarRatio;
30
31 // Tính toán thể tích
32 double vectorVolume = vectorAmount / vectorConcentration;
33 double insertVolume = insertAmount / insertConcentration;
34 double bufferVolume = totalVolume - vectorVolume - insertVolume;
35
36 // Làm tròn đến 2 chữ số thập phân
37 vectorVolume = Math.round(vectorVolume * 100.0) / 100.0;
38 insertVolume = Math.round(insertVolume * 100.0) / 100.0;
39 bufferVolume = Math.round(bufferVolume * 100.0) / 100.0;
40 insertAmount = Math.round(insertAmount * 100.0) / 100.0;
41
42 return new LigationResult(vectorVolume, insertVolume, bufferVolume, insertAmount, vectorAmount);
43 }
44
45 public static void main(String[] args) {
46 LigationResult result = calculateLigationVolumes(50, 3000, 25, 1000, 3, 20, 50);
47
48 System.out.printf("Vector: %.2f μL (%.2f ng)%n", result.vectorVolume, result.vectorAmount);
49 System.out.printf("Insert: %.2f μL (%.2f ng)%n", result.insertVolume, result.insertAmount);
50 System.out.printf("Buffer: %.2f μL%n", result.bufferVolume);
51 System.out.printf("Tổng: 20 μL%n");
52 }
53}
541#include <iostream>
2#include <cmath>
3#include <iomanip>
4
5struct LigationResult {
6 double vectorVolume;
7 double insertVolume;
8 double bufferVolume;
9 double insertAmount;
10 double vectorAmount;
11};
12
13LigationResult calculateLigationVolumes(
14 double vectorConcentration, double vectorLength,
15 double insertConcentration, double insertLength,
16 double molarRatio, double totalVolume, double vectorAmount = 50.0) {
17
18 // Chuyển đổi chiều dài sang kb
19 double vectorLengthKb = vectorLength / 1000.0;
20 double insertLengthKb = insertLength / 1000.0;
21
22 // Tính toán lượng chèn cần thiết
23 double insertAmount = (vectorAmount * insertLengthKb / vectorLengthKb) * molarRatio;
24
25 // Tính toán thể tích
26 double vectorVolume = vectorAmount / vectorConcentration;
27 double insertVolume = insertAmount / insertConcentration;
28 double bufferVolume = totalVolume - vectorVolume - insertVolume;
29
30 // Làm tròn đến 2 chữ số thập phân
31 vectorVolume = std::round(vectorVolume * 100.0) / 100.0;
32 insertVolume = std::round(insertVolume * 100.0) / 100.0;
33 bufferVolume = std::round(bufferVolume * 100.0) / 100.0;
34 insertAmount = std::round(insertAmount * 100.0) / 100.0;
35
36 return {vectorVolume, insertVolume, bufferVolume, insertAmount, vectorAmount};
37}
38
39int main() {
40 LigationResult result = calculateLigationVolumes(50, 3000, 25, 1000, 3, 20);
41
42 std::cout << std::fixed << std::setprecision(2);
43 std::cout << "Vector: " << result.vectorVolume << " μL (" << result.vectorAmount << " ng)" << std::endl;
44 std::cout << "Insert: " << result.insertVolume << " μL (" << result.insertAmount << " ng)" << std::endl;
45 std::cout << "Buffer: " << result.bufferVolume << " μL" << std::endl;
46 std::cout << "Tổng: 20 μL" << std::endl;
47
48 return 0;
49}
50Tỷ lệ mol tối ưu của chèn so với vector thường dao động từ 3:1 đến 5:1 cho các ứng dụng ligation tiêu chuẩn. Tuy nhiên, điều này có thể thay đổi tùy thuộc vào kịch bản ligation cụ thể:
Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất ligation ngoài tỷ lệ mol:
Thường thì 50-100 ng DNA vector được khuyến nghị cho các phản ứng ligation tiêu chuẩn. Sử dụng quá nhiều vector có thể dẫn đến tỷ lệ nền cao hơn của vector không cắt hoặc tự ligated, trong khi quá ít có thể giảm hiệu suất chuyển đổi. Đối với các ligation khó khăn, bạn có thể cần tối ưu hóa lượng này.
Có. Các ligation đầu blunt thường kém hiệu quả hơn so với các ligation đầu dính (đầu dính). Đối với các ligation đầu blunt, hãy sử dụng:
Đối với lắp ráp nhiều đoạn:
Máy tính này được thiết kế đặc biệt cho các phản ứng nhân bản dựa trên enzyme cắt và ligase truyền thống. Đối với Gibson Assembly, các lượng tương đương của tất cả các đoạn thường được khuyến nghị (tỷ lệ 1:1), mặc dù các tính toán cơ bản về lượng DNA dựa trên chiều dài tương tự. Đối với Golden Gate Assembly, các tỷ lệ tương đương của tất cả các thành phần cũng thường được sử dụng.
Khử phosphoryl vector (loại bỏ các nhóm phosphate 5') ngăn chặn ligation tự phát nhưng không thay đổi các tính toán lượng. Tuy nhiên, đối với các vector đã khử phosphoryl:
Thể tích phản ứng tối thiểu thực tế thường là 10 μL, cho phép trộn đủ và ngăn ngừa vấn đề bay hơi. Nếu các thể tích DNA tính toán của bạn vượt quá thể tích phản ứng mong muốn, bạn có một số tùy chọn:
Thời gian ủ tối ưu thay đổi tùy theo loại ligation:
Có, các hỗn hợp ligation thường có thể được lưu trữ ở -20°C và tái sử dụng cho việc chuyển đổi. Tuy nhiên, mỗi chu kỳ đông lạnh-rã đông có thể làm giảm hiệu suất. Để có kết quả tốt nhất:
Sambrook J, Russell DW. (2001). Molecular Cloning: A Laboratory Manual (3rd ed.). Cold Spring Harbor Laboratory Press.
Green MR, Sambrook J. (2012). Molecular Cloning: A Laboratory Manual (4th ed.). Cold Spring Harbor Laboratory Press.
Engler C, Kandzia R, Marillonnet S. (2008). A one pot, one step, precision cloning method with high throughput capability. PLoS ONE, 3(11), e3647. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0003647
Gibson DG, Young L, Chuang RY, Venter JC, Hutchison CA, Smith HO. (2009). Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nature Methods, 6(5), 343-345. https://doi.org/10.1038/nmeth.1318
Aslanidis C, de Jong PJ. (1990). Ligation-independent cloning of PCR products (LIC-PCR). Nucleic Acids Research, 18(20), 6069-6074. https://doi.org/10.1093/nar/18.20.6069
Zimmerman SB, Pheiffer BH. (1983). Macromolecular crowding allows blunt-end ligation by DNA ligases from rat liver or Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80(19), 5852-5856. https://doi.org/10.1073/pnas.80.19.5852
Addgene - Tài liệu tham khảo sinh học phân tử. https://www.addgene.org/mol-bio-reference/
New England Biolabs (NEB) - Quy trình Ligation DNA. https://www.neb.com/protocols/0001/01/01/dna-ligation-protocol-with-t4-dna-ligase-m0202
Thermo Fisher Scientific - Tài liệu tham khảo Kỹ thuật Nhân bản. https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/cloning/cloning-learning-center.html
Promega - Tài liệu hướng dẫn Kỹ thuật Nhân bản. https://www.promega.com/resources/product-guides-and-selectors/protocols-and-applications-guide/cloning/
Khám phá thêm các công cụ có thể hữu ích cho quy trình làm việc của bạn