Điện di là gì? Nguyên lý, ứng dụng và những điều cần biết

Chu Văn An

Điện di là một trong những kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu sinh học phân tử, y học và công nghệ thực phẩm. Phương pháp này giúp phân tách và phân tích các phân tử DNA, RNA và protein dựa trên chuyển động của chúng trong điện trường. Với nhiều ứng dụng thực tế, điện di ngày càng được cải tiến mang lại độ chính xác và hiệu quả cao hơn. Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý, các phương pháp điện di thông dụng, quy trình thực hiện và những lưu ý quan trọng khi áp dụng kỹ thuật này.

1. Điện di là gì?

Điện di là kỹ thuật phân tách các phân tử dựa trên chuyển động của chúng trong một môi trường nhất định dưới tác động của điện trường. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu sinh học, y học và công nghiệp thực phẩm.

Điện di đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích DNA, RNA và protein, giúp các nhà khoa học xác định tính chất và cấu trúc của các phân tử này. Ngoài ra, nó còn có ứng dụng trong kiểm tra chất lượng thực phẩm và dược phẩm. Điện di không chỉ giúp phát hiện những thay đổi về gen mà còn giúp xác định protein trong huyết thanh, giúp chẩn đoán các bệnh nguy hiểm như ung thư hay rối loạn miễn dịch.

2. Nguyên lý hoạt động của điện di

Nguyên lý cơ bản của điện di dựa trên thực tế là các phân tử tích điện sẽ chuyển động trong môi trường có điện trường. Tốc độ di chuyển của các phân tử này phụ thuộc vào:

• Điện tích của phân tử: Các phân tử mang điện tích âm sẽ di chuyển về cực dương (cực dương) và ngược lại. Mức phí ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ di chuyển.
• Kích thước và hình dạng của phân tử: Các phân tử nhỏ hơn hoặc có hình dạng thuận lợi hơn sẽ chuyển động nhanh hơn, trong khi các phân tử lớn hơn gặp nhiều lực cản hơn và di chuyển chậm hơn.
• Loại môi trường điện di: Gel agarose, polyacrylamide hoặc các chất nền khác có thể ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển. Mỗi loại gel có mức độ sàng lọc khác nhau phù hợp với từng loại phân tử.
• Cường độ điện trường: Điện áp càng cao thì tốc độ di chuyển càng lớn nhưng nếu quá mạnh có thể làm biến dạng mẫu hoặc khiến mẫu bị phân hủy.

Môi trường đệm còn đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định quá trình điện di, giúp duy trì độ pH và tránh làm thay đổi cấu trúc phân tử.

3. Các loại điện di phổ biến

Có nhiều phương pháp điện di khác nhau, mỗi phương pháp có đặc điểm riêng phù hợp với từng loại mẫu cần phân tích.

3.1. Điện di trên gel agarose

Đây là phương pháp phổ biến nhất để tách DNA và RNA. Gel agarose có cấu trúc xốp cho phép các phân tử DNA di chuyển qua tùy theo kích thước của chúng. Kết quả thường được hình dung bằng cách nhuộm bằng ethidium bromide hoặc thuốc nhuộm an toàn khác.

Gel agarose có thể được điều chỉnh nồng độ để phù hợp với nhiều loại phân tử khác nhau, từ DNA lớn đến các đoạn DNA ngắn. Nồng độ gel càng cao thì khả năng tách các đoạn DNA có kích thước nhỏ càng tốt.

Điện di trên gel agarose

3.2. Điện di polyacrylamide (TRANG)

Phương pháp này phù hợp để phân tích các protein và phân tử nhỏ hơn DNA. TRANG có hai hình thức chính:

• SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate-PAGE): Dùng để tách protein dựa trên trọng lượng phân tử. SDS giúp biến tính protein thành các cấu trúc tuyến tính, đảm bảo sự phân tách chỉ dựa trên kích thước.
• TRANG gốc: Giữ lại cấu trúc tự nhiên của protein, không làm biến tính chúng, thích hợp cho việc nghiên cứu hoạt động của protein.

PAGE có độ phân giải cao hơn gel agarose, giúp phân biệt các phân tử có kích thước gần nhau rõ ràng hơn.

điện di TRANG

3.3. Điện di mao mạch (CE)

Đây là phương pháp hiện đại cho phép phân tích nhanh chóng và chính xác các phân tử trong mẫu chất lỏng. CE được sử dụng trong xét nghiệm DNA, thử nghiệm thực phẩm và phân tích dược phẩm.

Ưu điểm lớn nhất của CE là tốc độ cao và tự động hóa, giúp giảm thời gian phân tích và tăng độ chính xác.

Điện di mao mạch

3.4. Lấy nét đẳng điện (IEF)

Phương pháp này dùng để tách protein dựa trên điểm đẳng điện (pI) của chúng, giúp phân tích chính xác các protein có tính chất khác nhau trong một mẫu phức tạp.

IEF đặc biệt hữu ích trong việc phân tích hỗn hợp protein từ nhiều nguồn khác nhau, giúp xác định các biến thể của protein.

điện di IEF

4. Ứng dụng điện di

Điện di không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu khoa học mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống.

4.1. Trong sinh học phân tử

Xác định DNA và RNA: Giúp xác định đột biến gen và phân tích DNA trong pháp y.

Nghiên cứu biểu hiện gen: Xác định sự hiện diện và mức độ biểu hiện của các gen khác nhau.

Xét nghiệm sản phẩm biến đổi gen (GMO): Giúp phát hiện thực phẩm có chứa DNA biến đổi gen.

4.2. Trong y học

Chẩn đoán bệnh di truyền: Xét nghiệm các rối loạn di truyền.

Phát hiện ung thư: Phân tích dấu hiệu sinh học trong mẫu bệnh nhân.

Xác định protein trong máu: Hỗ trợ chẩn đoán các bệnh liên quan đến huyết thanh.

Phát hiện virus và vi khuẩn: Ứng dụng trong xét nghiệm các bệnh truyền nhiễm.

4.3. Trong công nghệ sinh học và công nghệ thực phẩm

Kiểm tra chất lượng thực phẩm: Phát hiện sự hiện diện của vi khuẩn, virus trong thực phẩm.

Nghiên cứu về enzyme và protein: Ứng dụng trong phát triển dược phẩm và công nghệ sinh học.

Xác định nguồn gốc thực phẩm: Giúp truy xuất nguồn gốc thực phẩm thông qua dấu vết DNA.

5. Quy trình điện di

Quá trình điện di cần thực hiện theo các bước cụ thể để đảm bảo độ chính xác:

1. Chuẩn bị mẫu: DNA, RNA hoặc protein được chiết xuất và tinh chế.
2. Chuẩn bị gel điện di: Tùy mục đích sử dụng agarose hoặc polyacrylamide.
3. Nạp mẫu vào gel: Mẫu được trộn với dung dịch đệm để tạo điều kiện di chuyển dễ dàng.
4. Điện di: Một điện trường được áp dụng để di chuyển các phân tử trong gel.
5. Nhuộm gel và quan sát kết quả: Dùng thuốc nhuộm để hiển thị kết quả.
6. Phân tích dữ liệu: Dựa trên kích thước và cường độ tín hiệu của các dải trên gel.

Điện di là một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học và y học hiện đại. Nhờ khả năng phân tách chính xác các phân tử sinh học, kỹ thuật này đã góp phần to lớn vào nhiều lĩnh vực như phân tích DNA, phát hiện bệnh di truyền, nghiên cứu protein và kiểm soát chất lượng thực phẩm. Việc nắm vững nguyên lý và ứng dụng của điện di không chỉ giúp các nhà nghiên cứu đạt được kết quả tốt hơn mà còn mở ra nhiều cơ hội phát triển trong công nghệ sinh học. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học, các phương pháp điện di sẽ ngày càng được cải tiến, mang lại hiệu quả cao hơn trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế.