Effect of sample storage time on detection of hybridization signals in Checkerboard DNA-DNA hybridization

Long-term sample storage can affect the intensity of the hybridization signals provided by molecular diagnostic methods that use chemiluminescent detection. The aim of this study was to evaluate the effect of different storage times on the hybridization signals of 13 bacterial species detected by the Checkerboard DNA-DNA hybridization method using whole-genomic DNA probes. Ninety-six subgingival biofilm samples were collected from 36 healthy subjects, and the intensity of hybridization signals was evaluated at 4 different time periods: (1) immediately after collecting (n = 24) and (2) after storage at -20 degrees C for 6 months (n = 24), (3) for 12 months (n = 24), and (4) for 24 months (n = 24). The intensity of hybridization signals obtained from groups 1 and 2 were significantly higher than in the other groups (p < 0.001). No differences were found between groups 1 and 2 (p > 0.05). The Checkerboard DNA-DNA hybridization method was suitable to detect hybridization signals from all groups evaluated, and the intensity of signals decreased significantly after long periods of sample storage.

Estimation of taurindicine hybridization of American Zebu cattle in Brazil

Our objective was to estimate Bos primigenius taurus introgression in American Zebu cattle. One hundred and four American Zebu (Nellore) cattle were submitted to mtDNA, microsatellite and satellite analysis. Twenty-three alleles were detected in microsatellite analysis, averaging 4.6 +/- 1.82/locus. Variance component comparisons of microsatellite allele sizes allowed the construction of two clusters separating taurus and indicus. No significant variation was observed when indicus and taurus mtDNA were compared. Three possible genotypes of 1711b satellite DNA were identified. All European animals showed the same restriction pattern, suggesting a Zebu-specific restriction pattern. The frequencies of B. primigenius indicus-specific microsatellite alleles and 1711b satellite DNA restriction patterns lead to an estimate of 14% taurine contribution in purebred Nellore.

MSX2 copy number increase and craniosynostosis: copy number variation detected by array comparative genomic hybridization

Fleury Group

In-plane mapping of buried InGaAs quantum rings and hybridization effects on the electronic structure

This work reports the investigation on the structural differences between InAs quantum rings and their precursor quantum dots species as well as on the presence of piezoelectric fields and asymmetries in these nanostructures. The experimental results show significant reduction in the ring dimensions when the sizes of capped and uncapped ring and dot samples are compared. The iso-lattice parameter mapped by grazing-incidence x-ray diffraction has revealed the lateral extent of strained regions in the buried rings. A comparison between strain and composition of dot and ring structures allows inferring on how the ring formation and its final configuration may affect optical response parameters. Based on the experimental observations, a discussion has been introduced on the effective potential profile to emulate theoretically the ring-shape confinement. The effects of confinement and strain field modulation on electron and hole band structures are simulated by a multiband k.p calculation. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4733964]

Use of the checkerboard DNA-DNA hybridization technique for bacteria detection in Aedes aegypti (Diptera:Culicidae) (L.)

Abstract Background Bacteria associated with insects can have a substantial impact on the biology and life cycle of their host. The checkerboard DNA-DNA hybridization technique is a semi-quantitative technique that has been previously employed in odontology to detect and quantify a variety of bacterial species in dental samples. Here we tested the applicability of the checkerboard DNA-DNA hybridization technique to detect the presence of Aedes aegypti-associated bacterial species in larvae, pupae and adults of A. aegypti. Findings Using the checkerboard DNA-DNA hybridization technique we could detect and estimate the number of four bacterial species in total DNA samples extracted from A. aegypti single whole individuals and midguts. A. aegypti associated bacterial species were also detected in the midgut of four other insect species, Lutzomyia longipalpis, Drosophila melanogaster, Bradysia hygida and Apis mellifera. Conclusions Our results demonstrate that the checkerboard DNA-DNA hybridization technique can be employed to study the microbiota composition of mosquitoes. The method has the sensitivity to detect bacteria in single individuals, as well as in a single organ, and therefore can be employed to evaluate the differences in bacterial counts amongst individuals in a given mosquito population. We suggest that the checkerboard DNA-DNA hybridization technique is a straightforward technique that can be widely used for the characterization of the microbiota in mosquito populations.

Real time monitoring of DNA hybridization and replication using optical and acoustic biosensors

Während in den letzten Jahren zahlreiche Biosensoren zum spezifischen Nachweis von DNA entwickelt wurden, ist die Anwendung oberflächen-sensitiver Methoden auf enzymatische Reaktionen ein vergleichsweise neues Forschungsgebiet. Trotz der hohen Empfindlichkeit und der Möglichkeit zur Echtzeit-Beobachtung molekularer Prozesse, ist die Anwendung dieser Methoden nicht etabliert, da die Enzymaktivität durch die Nähe zur Oberfläche beeinträchtigt sein kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die enzymatische Verlängerung immobilisierter DNA durch eine DNA Polymerase mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Fluoreszenzspektroskopie (SPFS) und einer Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) untersucht. Die Synthese von DNA wurde im Fall der QCM als Massenzuwachs detektiert, der sich im Abfall der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes und einem Anstieg seiner Dissipationsenergie ausdrückte. Die viskoelastischen Eigenschaften der DNA-Schichten wurden bestimmt, indem die erhaltenen Daten mit einem auf Voigt basierenden Modell ausgewertet wurden. SPFS nutzt das evaneszente elektromagnetische Feld, das mit Oberflächenplasmonen einhergeht, zur oberflächen-sensitiven Anregung von Chromophoren. Auf diese Weise wurde der Einbau von Farbstoff-markierten Nukleotiden in die entstehende DNA-Sequenz als Indikator für das Voranschreiten der Reaktion ausgenutzt. Beide Meßtechniken konnten erfolgreich zum Nachweis der DNA-Synthese herangezogen werden, wobei die katalytische Aktivität des Enzyms vergleichbar zu der in Lösung gemessenen war.

Kinetic and affinity analysis of hybridization reactions between PNA probes and DNA targets using surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS)

Sequenz spezifische biomolekulare Analyseverfahren erweisen sich gerade im Hinblick auf das Humane Genom Projekt als äußerst nützlich in der Detektion von einzelnen Nukleotid Polymorphismen (SNPs) und zur Identifizierung von Genen. Auf Grund der hohen Anzahl von Basenpaaren, die zu analysieren sind, werden sensitive und effiziente Rastermethoden benötigt, welche dazu fähig sind, DNA-Proben in einer geeigneten Art und Weise zu bearbeiten. Die meisten Detektionsarten berücksichtigen die Interaktion einer verankerten Probe und des korrespondierenden Targets mit den Oberflächen. Die Analyse des kinetischen Verhaltens der Oligonukleotide auf der Sensoroberfläche ist infolgedessen von höchster Wichtigkeit für die Verbesserung bereits bekannter Detektions - Schemata. In letzter Zeit wurde die Oberflächen Plasmonen feld-verstärkte Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) entwickelt. Sie stellt eine kinetische Analyse - und Detektions - Methode dar, die mit doppelter Aufzeichnung, d.h. der Änderung der Reflektivität und des Fluoreszenzsignals, für das Interphasen Phänomen operiert. Durch die Verwendung von SPFS können Kinetikmessungen für die Hybridisierung zwischen Peptid Nukleinsäure (PNA), welche eine synthetisierte Nukleinsäure DNA imitiert und eine stabilere Doppelhelix formt, und DNA auf der Sensoroberfläche ausgeführt werden. Mittels einzel-, umfassend-, und titrations- Experimenten sowohl mit einer komplementär zusammenpassenden Sequenz als auch einer mismatch Sequenz können basierend auf dem Langmuir Modell die Geschwindigkeitskonstanten für die Bindungsreaktion des oligomer DNA Targets bzw. des PCR Targets zur PNA ermittelt werden. Darüber hinaus wurden die Einflüsse der Ionenstärke und der Temperatur für die PNA/DNA Hybridisierung in einer kinetischen Analyse aufgezeigt.

Investigation of the electric field enhanced PNA-DNA hybridization on Au surface by using surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS)

Recently, the surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) was developed as a kinetic analysis and a detection method with dual- monitoring of the change of reflectivity and fluorescence signal for the interfacial phenomenon. A fundamental study of PNA and DNA interaction at the surface using surface plasmon fluorescence spectroscopy (SPFS) will be investigated in studies. Furthermore, several specific conditions to influence on PNA/DNA hybridization and affinity efficiency by monitoring reflective index changes and fluorescence variation at the same time will be considered. In order to identify the affinity degree of PNA/DNA hybridizaiton at the surface, the association constant (kon) and the dissociation constant (koff) will be obtained by titration experiment of various concentration of target DNA and kinetic investigation. In addition, for more enhancing the hybridization efficiency of PNA/DNA, a study of polarized electric field enhancement system will be introduced and performed in detail. DNA is well-known polyelectrolytes with naturally negative charged molecules in its structure. With polarized electrical treatment, applying DC field to the metal surface, which PNA probe would be immobilized at, negatively charged DNA molecules can be attracted by electromagnetic attraction force and manipulated to the close the surface area, and have more possibility to hybridize with probe PNA molecules by hydrogen bonding each corresponding base sequence. There are several major factors can be influenced on the hybridization efficiency.

Microarray based real-time analysis of nucleic acid hybridization kinetics and thermodynamics

Ziel dieser Dissertation ist die experimentelle Charakterisierung und quantitative Beschreibung der Hybridisierung von komplementären Nukleinsäuresträngen mit oberflächengebundenen Fängermolekülen für die Entwicklung von integrierten Biosensoren. Im Gegensatz zu lösungsbasierten Verfahren ist mit Microarray Substraten die Untersuchung vieler Nukleinsäurekombinationen parallel möglich. Als biologisch relevantes Evaluierungssystem wurde das in Eukaryoten universell exprimierte Actin Gen aus unterschiedlichen Pflanzenspezies verwendet. Dieses Testsystem ermöglicht es, nahe verwandte Pflanzenarten auf Grund von geringen Unterschieden in der Gen-Sequenz (SNPs) zu charakterisieren. Aufbauend auf dieses gut studierte Modell eines House-Keeping Genes wurde ein umfassendes Microarray System, bestehend aus kurzen und langen Oligonukleotiden (mit eingebauten LNA-Molekülen), cDNAs sowie DNA und RNA Targets realisiert. Damit konnte ein für online Messung optimiertes Testsystem mit hohen Signalstärken entwickelt werden. Basierend auf den Ergebnissen wurde der gesamte Signalpfad von Nukleinsärekonzentration bis zum digitalen Wert modelliert. Die aus der Entwicklung und den Experimenten gewonnen Erkenntnisse über die Kinetik und Thermodynamik von Hybridisierung sind in drei Publikationen zusammengefasst die das Rückgrat dieser Dissertation bilden. Die erste Publikation beschreibt die Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Spezifizität von Microarray Ergebnissen durch online Messung von Kinetik und Thermodynamik gegenüber endpunktbasierten Messungen mit Standard Microarrays. Für die Auswertung der riesigen Datenmengen wurden zwei Algorithmen entwickelt, eine reaktionskinetische Modellierung der Isothermen und ein auf der Fermi-Dirac Statistik beruhende Beschreibung des Schmelzüberganges. Diese Algorithmen werden in der zweiten Publikation beschrieben. Durch die Realisierung von gleichen Sequenzen in den chemisch unterschiedlichen Nukleinsäuren (DNA, RNA und LNA) ist es möglich, definierte Unterschiede in der Konformation des Riboserings und der C5-Methylgruppe der Pyrimidine zu untersuchen. Die kompetitive Wechselwirkung dieser unterschiedlichen Nukleinsäuren gleicher Sequenz und die Auswirkungen auf Kinetik und Thermodynamik ist das Thema der dritten Publikation. Neben der molekularbiologischen und technologischen Entwicklung im Bereich der Sensorik von Hybridisierungsreaktionen oberflächengebundener Nukleinsäuremolekülen, der automatisierten Auswertung und Modellierung der anfallenden Datenmengen und der damit verbundenen besseren quantitativen Beschreibung von Kinetik und Thermodynamik dieser Reaktionen tragen die Ergebnisse zum besseren Verständnis der physikalisch-chemischen Struktur des elementarsten biologischen Moleküls und seiner nach wie vor nicht vollständig verstandenen Spezifizität bei.

Patterns of morphological changes and hybridization between sympatric whitefish morphs (Coregonus spp.) in a Swiss lake: a role for eutrophication?

Whitefish, genus Coregonus, show exceptional levels of phenotypic diversity with sympatric morphs occurring in numerous postglacial lakes in the northern hemisphere. Here, we studied the effects of human-induced eutrophication on sympatric whitefish morphs in the Swiss lake, Lake Thun. In particular, we addressed the questions whether eutrophication (i) induced hybridization between two ecologically divergent summer-spawning morphs through a loss of environmental heterogeneity, and (ii) induced rapid adaptive morphological changes through changes in the food web structure. Genetic analysis based on 11 microsatellite loci of 282 spawners revealed that the pelagic and the benthic morph represent highly distinct gene pools occurring at different relative proportions on all seven known spawning sites. Gill raker counts, a highly heritable trait, showed nearly discrete distributions for the two morphs. Multilocus genotypes characteristic of the pelagic morph had more gill rakers than genotypes characteristic of benthic morph. Using Bayesian methods, we found indications of recent but limited introgressive hybridization. Comparisons with historical gill raker data yielded median evolutionary rates of 0.24 haldanes and median selection intensities of 0.27 for this trait in both morphs for 1948-2004 suggesting rapid evolution through directional selection at this trait. However, phenotypic plasticity as an alternative explanation for this phenotypic change cannot be discarded. We hypothesize that both the temporal shifts in mean gill raker counts and the recent hybridization reflect responses to changes in the trophic state of the lake induced by pollution in the 1960s, which created novel selection pressures with respect to feeding niches and spawning site preferences.

Hybridization between distant lineages increases adaptive variation during a biological invasion: stickleback in Switzerland

The three-spined stickleback is a widespread Holarctic species complex that radiated from the sea into freshwaters after the retreat of the Pleistocene ice sheets. In Switzerland, sticklebacks were absent with the exception of the far northwest, but different introduced populations have expanded to occupy a wide range of habitats since the late 19th century. A well-studied adaptive phenotypic trait in sticklebacks is the number of lateral plates. With few exceptions, freshwater and marine populations in Europe are fixed for either the low plated phenotype or the fully plated phenotype, respectively. Switzerland, in contrast, harbours in close proximity the full range of phenotypic variation known from across the continent. We addressed the phylogeographic origins of Swiss sticklebacks using mitochondrial partial cytochrome b and control region sequences. We found only five different haplotypes but these originated from three distinct European regions, fixed for different plate phenotypes. These lineages occur largely in isolation at opposite ends of Switzerland, but co-occur in a large central part. Across the country, we found a strong correlation between a microsatellite linked to the high plate ectodysplasin allele and the mitochondrial haplotype from a region where the fully plated phenotype is fixed. Phylogenomic and population genomic analysis of 481 polymorphic amplified fragment length polymorphism loci indicate genetic admixture in the central part of the country. The same part of the country also carries elevated within-population phenotypic variation. We conclude that during the recent invasive range expansion of sticklebacks in Switzerland, adaptive and neutral between-population genetic variation was converted into within-population variation, raising the possibility that hybridization between colonizing lineages contributed to the ecological success of sticklebacks in Switzerland.

Stochastic Models Based on Molecular Hybridization Theory for Short Oligonucleotide Microarrays

High density oligonucleotide expression arrays are a widely used tool for the measurement of gene expression on a large scale. Affymetrix GeneChip arrays appear to dominate this market. These arrays use short oligonucleotides to probe for genes in an RNA sample. Due to optical noise, non-specific hybridization, probe-specific effects, and measurement error, ad-hoc measures of expression, that summarize probe intensities, can lead to imprecise and inaccurate results. Various researchers have demonstrated that expression measures based on simple statistical models can provide great improvements over the ad-hoc procedure offered by Affymetrix. Recently, physical models based on molecular hybridization theory, have been proposed as useful tools for prediction of, for example, non-specific hybridization. These physical models show great potential in terms of improving existing expression measures. In this paper we demonstrate that the system producing the measured intensities is too complex to be fully described with these relatively simple physical models and we propose empirically motivated stochastic models that compliment the above mentioned molecular hybridization theory to provide a comprehensive description of the data. We discuss how the proposed model can be used to obtain improved measures of expression useful for the data analysts.