Устройство для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром

Полезная модель относится к области эксплуатации или уходе за электролизерами, в частности к приспособлениям для вертикального электрофореза белков в полиакриламидном геле, и может быть использована при проведении генетических исследований для разделения белков по фракциям.
Электрофорез - метод разделения заряженных частиц под влиянием электрического поля, основанный на различии их подвижности в растворе или в поддерживающих средах. Для электрофоретического разделения белков наиболее широко применяются вертикальные пластины полиакриламидного геля. Критическим фактором при проведении электрофореза является температура, оказывающая существенное влияние на подвижность белков. При повышении температуры на 1°С (с 17 до 18°С) скорость перемещения белков увеличивается более чем на 20% [1], в результате чего происходит искажение белковых компонентов на электрофореграмме и результаты не соответствуют действительности. Поэтому без подержания постоянной температуры в ходе проведения электрофоретического разделения белков не возможно получение корректных результатов исследования.
Наиболее распространена классификация белков семян, основанная на их различной растворимости. Согласно этой классификации, выделяют четыре типа белков: а) альбумины, растворимые в воде; б) глобулины, растворимые в разбавленных растворах солей; в) проламины, растворимые в водно-спиртовых растворах; г) глютенины, растворимые в кислых или щелочных растворах [3].
В зависимости от структуры, размера и молекулярной массы белковых молекул, время электрофоретического разделения и необходимое напряжение электрического поля варьируют. Для электрофореза альбуминов и глобулинов в среднем требуется 1,3-4,0 часа при напряжении до 350 Вольт. Электрофорез проламинов протекает при постоянном напряжении 500 Вольт, время электрофореза проламинов составляет 4,5-7,0 часов. В связи с длительностью проведения анализа и высоким электрическим напряжением, необходимым для его проведения, электрофорез проламинов сопровождается значительным нагревом полиакриламидного геля, соприкасающихся с ним стекол и буферного раствора. В ходе нагрева происходит неравномерное расширение стекол, что нередко вызывает их термическое разрушение. При выполнении электрофореза белков даже кратковременный нагрев геля выше 20°С приводит к искажению зон анализируемых белковых компонентов и получению не корректных результатов исследования.
В связи с вышеизложенным, разработка устройства для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром позволяющего, благодаря более эффективному охлаждению поддерживать продолжительное время постоянный температурный режим для полиакриламидного геля, и как следствие получать корректные электрофореграммы, является актуальной.
Известен аналог «Камера для вертикального электрофореза PROTEAN II xi» фирмы Bio-Rad [6], предназначенная для вертикального электрофореза большого формата такими методами, как SDS-PAGE, нативный электрофорез и электрофорез в агарозном геле. Установка состоит из центральной охлаждающей сердцевины с прокладками, нижней буферной камеры, крышки с кабелями, двух комплектов стеклянных пластин, многослойных зажимов и верхней буферной заслонки.
Теплоотведение в данном устройстве обеспечивается за счет центральной охлаждающей сердцевины, которая может быть подключена к системе холодного водоснабжения или охлаждающей рециркуляторной ванне, либо заполнена охлаждающей жидкостью.
При проведении электрофореза альбуминов и глобулинов, занимающем 1,3-4,0 часа, устройство обеспечивает необходимый теплоотвод и стабильность температурного режима. Однако, для проведения электрофореза проламинов, необходимо от 4,5 до 7,0 часов. Использования холодной водопроводной воды или охлаждающей жидкости недостаточно для поддержания стабильности температурного режима в течение такого длительного времени. В результате происходит нагрев полиакриламидного геля выше 30°С, а также нагрев стекол и буфера в нижней буферной камере. Это приводит к искажению зон белковых компонентов, а также может привести к термическому разрушению стекол.
Известен аналог установка для вертикального электрофореза «OmniPAGE maxi» производства ООО НПФ «Биотехнологии» [4], предназначенная для разделения с высокой разрешающей способностью при использовании SDS-, нативного, градиентного и двумерного разделения белков. Установка состоит из модуля omniPAGE maxi, стекол с прикрепленными спейсерами, хладопакета, пробной пластины.
Охлаждение устройства обеспечивается за счет помещения хладопакета в буферный раствор. Данной системы охлаждения достаточно для обеспечения стабильности условий электрофореза альбуминов и глобулинов, продолжающегося 1,3-4,0 часа.
Недостатком аналога является то, что за время проведения электрофореза проламинов (от 4,5 до 7,0 часов) хладопакеты нагреваются и требуют неоднократной замены в течение одного анализа. Установка сконструирована таким образом, что для замены хладопакета необходимо отключить прибор от электрического тока. Это приводит к кратковременному нарушению стабильности условий проведения электрофореза и происходит искажение получаемых белковых спектров.
3
Известен аналог холодильник фармацевтический двухкамерный ХФД-280 «Pozis», производства компании Pozis [5], предназначенный для хранения лекарственных препаратов, вакцин, реагентов и биологических образцов при температуре от +2°С до +15°С в помещениях клиник, больниц, аптек и лабораторий. Устройство состоит из двух холодильных камер, объемом не менее 140 дм, 2 компрессоров, 6 полок, 4 сосудов, дверей из тонированного стекла, электронных контроллеров EV3B22 для регулировки температурного режима.
Недостатком данного прибора является отсутствие устройства с функцией вертикального электрофореза и разъемов внутри для подключения дополнительных устройств к источнику переменного тока камеры в холодильной камере.
В качестве прототипа нами выбрана камера для вертикального электрофореза «VE-20», производства ООО «Helicon» [2], предназначенная для нативного и SDS-разделения белков и нуклеиновых кислот. Устройство состоит из камеры с защитной крышкой и комплектом проводов, двух комбинированных наборов стекол, винтовых зажимов, набора спейсеров и гребенок.
Устройство работает следующим образом. К камере с помощью винтовых прижимов крепятся стекла в следующей очередности: камера - стекло с вырезом - спейсеры - стекло без выреза. Между стеклами камеры заливается полиакриламидный гель. Лунки для занесения раствора белков формируются с помощью гребенок. После полимеризации геля, камера заполняется верхним буфером - 1100 мл, устанавливается в подставку с нижним буфером - 420 мл, закрывается крышкой с проводами и подключается к источнику постоянного тока. Охлаждение устройства осуществляется за счет рассеивания тепла в атмосферу.
Электрофорез альбуминов и глобулинов длится от 1,3 до 4,0 часов. Системы охлаждения данного устройства достаточно, чтобы обеспечить стабильность температурных условий в течение этого времени. Недостатком данного прибора является низкая эффективность системы охлаждения при электрофорезе проламинов, занимающем от 4,5 до 7,0 часов. В этом случае не обеспечивается стабильное и постоянное во времени охлаждение, из-за чего полиакриламидный гель и верхний буфер значительно нагреваются. В результате происходит искажение зон белковых компонентов, а так же термическое разрушение стекол.
Задачей технического решения является повышение точности электрофоретического разделения проламинов, путем обеспечения продолжительное время стабильной постоянной температуры охлаждения камеры вертикального электрофореза во время работы.
Поставленная задача решается благодаря тому, что «Устройство для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром» содержащее камеру для проведения вертикального электрофореза, холодильную камеру (внешний охлаждающий контур), отличается тем, что камера для проведения вертикального электрофореза помещена во холодильную камеру (внешний охлаждающий контур) и подключена к источнику переменного тока через разъемы, установленные в холодильной камере.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно помещение камеры для вертикального электрофореза в холодильную камеру (внешний охлаждающий контур) и подключение к источнику переменного тока через разъемы, установленные в холодильной камере обеспечивает продолжительное время стабильную постоянную температуру охлаждения камеры вертикального электрофореза во время работы.
Техническое решение позволяет, за счет обеспечения продолжительного времени стабильной постоянной температуры охлаждения камеры для вертикального электрофореза, получать контрастные изображения зон анализируемых белков, минимизируя вероятность получения искаженных электрофореграмм, приводящих к погрешностям при расшифровке и не корректным результатам.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором:
Фиг. 1. Внешний вид прямо устройства для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром.
Фиг. 2. Внешний вид сбоку устройства для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром.
Фиг. 3. Внешний вид сверху устройства для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром.
Предложенное устройство для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром состоит из: камеры для вертикального электрофореза (1) с винтовыми прижимами (2); набора проводов (3) для подключения камеры для электрофореза к разъемам (4) в холодильной камере (5); наружных проводов (6) для подключения устройства к источнику постоянного тока.
Описанное выше техническое решение «Устройство для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром» работает следующим образом.
К камере для вертикального электрофореза с помощью винтовых прижимов с обеих сторон крепятся стекла. Между стекол собранной камеры заливают полиакриламидный гель и помещают гребенки. После полимеризации геля камера для вертикального электрофореза заполняется верхним буфером, гребенки удаляют и заносят в сформированные лунки раствор белка. Камера для электрофореза с занесенными образцами помещается в холодильную камеру. С помощью комплекта проводов камера для электрофореза подключается к разъемам, расположенным в холодильной камере. Наружные провода от разъемов подключаются к источнику постоянного тока. Электрофоретическое разделение проламинов продолжается в течение 4,5-7,0 часов при постоянном напряжении 500 Вольт.
После окончания электрофореза, устройство обесточивается, наружные провода отсоединяются от источника постоянного тока, внутренние - от разъемов и камеры для электрофореза. Камера для вертикального электрофореза извлекается из холодильной камеры и разбирается.
Технико-экономическое обоснование: При существующей технологии вертикального электрофореза проламинов в камерах с атмосферным охлаждением выход не корректных для расшифровки электрофореграмм составляет 60%, а в 20% случаев происходит термическое разрушение стекол. Поэтому экономическое обоснование предусматривает оценку ущерба в виде перерасхода реагентов; стоимости стекол; рабочего времени и потребляемой электрической энергии. С переходом на предлагаемую технологию, доля испорченных электрофореграмм составила 5% при отсутствии термически разрушенных стекол.
Стоимость анализа составляет 6600 руб. и включает в себя затраты на реактивы, расходные материалы, амортизацию оборудования, электроэнергию и оплату труда.
Стоимость дополнительного стекла для камеры - 1500 руб.
Время проведения анализа - 1 рабочий день.
При использовании существующей технологии вертикального электрофореза проламинов в камерах с атмосферным охлаждением с учетом получения некорректных электрофореграмм в 60% случаев, за 20 рабочих дней будет выполнено 8 анализов. Потребуется приобретение 4 термически разрушенных стекол. Стоимость одного анализа в этом случае составит: (6600⋅20+1500⋅4)/8=17250 руб.
С переходом на предлагаемую технологию, с учетом получения некорректных электрофореграмм в 5% случаев, за 20 рабочих дней будет выполнено 19 анализов. Стоимость одного анализа составит: (6600⋅20)/19=6947,4 руб.
Технико-экономическая эффективность при применении предлагаемого технического решения «Устройство для вертикального электрофореза проламинов с внешним охлаждающим контуром» обусловлена тем, что за счет обеспечения продолжительного времени стабильной постоянной температуры охлаждения камеры для вертикального электрофореза в 12 раз снижается риск получения некорректных электрофореграмм; не происходит термическое разрушение стекол; увеличивается производительность труда в 2,4 раза. Это снижает фактическую себестоимость электрофоретического разделения проламинов в 2,5 раза.
Источники информации
1. Гааль Э. Электрофорез в разделении биологических макромолекул: пер. с англ. / Э. Гааль, Г. Медьеши, Л. Верецкеи. - М.: «Мир», 1982. - 448 с.
2. Камера для вертикального электрофореза VE-20 [Электронный ресурс]. - режим доступа: https://www.helicon.ru/catalog/oborudovanie/elektroforez-i-blotting/kamery-dlya-vertikalnogo-elektroforeza-ve-20/?q=ve%2020. - заглавие с экрана. - (Дата обращения 22.02.2022).
3. Поморцев А.А. Методика проведения лабораторного сортового контроля по группам сельскохозяйственных растений / А.А. Поморцев, А.М. Кудрявцев, В.В. Упельниек [и др.]; Министерство сельского хозяйства Российской Федерации. - Москва: Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса, 2004. - 96 с.
4. Системы вертикального электрофореза [Электронный ресурс]. - режим доступа: https://www.biotechnologies.ru/catalog/Vertical.html. - заглавие с экрана. - (Дата обращения 22.02.2022).
5. Холодильник фармацевтический ХФД-280 «POZIS» [Электронный ресурс]. - режим доступа: https://pozis.ru/katalog/meditsinskava_tekhnika/meditsinskie_kholodilniki_morozilniki/farmatsevticheskie_kholodilniki/775/?lang=ru. - заглавие с экрана. - (Дата обращения 22.02.2022).
6. PROTEAN II xi Cell [Электронный ресурс]. - режим доступа: https://www.bio-rad.com/ru-ru/product/protean-ii-xi-cell?ID=N3F332KSY. - заглавие с экрана. - (Дата обращения 22.02.2022).