Zielony barwnik spożywczy wcale nie musi być zielony — bardzo często to mieszanina żółtego i niebieskiego. Żeby to udowodnić, wystarczy kawałek galaretki z agaru, szczypta sody i kilka baterii. W ten sam sposób laboratoria genetyczne rozdzielają fragmenty DNA w testach na ojcostwo i w kryminalistyce.

Co nam będzie potrzebne?

  • agar spożywczy w proszku (ok. 2 g)
  • soda oczyszczona (wodorowęglan sodu, 1 płaska łyżeczka)
  • woda destylowana lub przegotowana (ok. 1 litr)
  • 3–5 baterii 9V połączonych szeregowo (zatrzaski baterii łączą się ze sobą) i dwa przewody z krokodylkami
  • dwie elektrody: kawałki drutu ze stali nierdzewnej (np. spinacze ze stali nierdzewnej) lub grafity z ołówka
  • płaski plastikowy pojemnik (np. pudełko na żywność, ok. 15 × 10 cm)
  • „grzebień” do studzienek — kawałek tektury z wyciętymi ząbkami szerokości ok. 5 mm, owinięty folią spożywczą
  • barwniki spożywcze w płynie: zielony, czerwony, niebieski, żółty
  • gliceryna lub gęsty syrop cukrowy
  • wykałaczki lub pipetki, kubek, garnek

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotuj bufor. Rozpuść płaską łyżeczkę sody oczyszczonej w litrze wody. To jest płyn, który będzie przewodził prąd i utrzymywał stały odczyn — pod żadnym pozorem nie zastępuj go solą kuchenną. Odlej ok. 100 ml buforu do garnka, a resztę zostaw na później.

Krok 2: Odlej żel. Wsyp do garnka 2 g agaru (stężenie ok. 2%) i doprowadź do wrzenia, mieszając, aż płyn stanie się klarowny. Przelej gorący roztwór do pojemnika tak, by powstała warstwa grubości ok. 1 cm. Od razu zanurz grzebień w żelu, ok. 2 cm od jednego z krótszych brzegów — ząbki nie mogą dotykać dna. Odstaw na 20–30 minut, aż żel stężeje, a potem ostrożnie wyciągnij grzebień. Zostaną po nim małe kieszonki, czyli studzienki.

Krok 3: Przygotuj próbki. W osobnych zakrętkach wymieszaj po kilka kropel każdego barwnika z jedną kroplą gliceryny. Gliceryna sprawia, że próbka jest cięższa od buforu i opadnie na dno studzienki, zamiast się rozpłynąć.

Krok 4: Zalej żel i nałóż próbki. Zalej żel buforem tak, by przykrył go cienką warstwą 2–3 mm. Teraz pipetką lub wykałaczką wprowadź każdy barwnik do osobnej studzienki. Rób to powoli, z końcówką tuż nad otworem — to najtrudniejszy moment całego doświadczenia i warto przećwiczyć go najpierw na jednej studzience.

Krok 5: Podłącz prąd. Umieść elektrody w buforze przy dwóch krótszych brzegach pojemnika. Elektroda przy studzienkach musi być podłączona do bieguna ujemnego baterii, a elektroda po drugiej stronie — do dodatniego. Połącz baterie szeregowo (3 baterie dają ok. 27 V, 5 baterii ok. 45 V). Po chwili przy elektrodach pojawią się drobne pęcherzyki gazu — to znak, że obwód działa.

Krok 6: Obserwuj. Po 10–15 minutach zobaczysz, że barwniki wypełzają ze studzienek w stronę bieguna dodatniego. Po 30–60 minutach zielona plama rozdzieli się na dwie: żółtą, która ucieka do przodu, i niebieską, która zostaje w tyle. Odłącz baterie, zanim barwniki dojdą do końca żelu.

Wyjaśnienie naukowe

Elektroforeza to ruch naładowanych cząsteczek w polu elektrycznym. Większość syntetycznych barwników spożywczych — tartrazyna (E102), żółcień pomarańczowa (E110), czerwień Allura (E129) i błękit brylantowy (E133) — zawiera grupy sulfonowe, które w lekko zasadowym buforze z sody mają ładunek ujemny. Dlatego wszystkie wędrują w stronę elektrody dodatniej. Ten sam kierunek obiera DNA, bo jego szkielet z grup fosforanowych też jest naładowany ujemnie. W laboratoriach krąży nawet zapamiętywanka „DNA biegnie do czerwonego”, bo czerwonym kablem oznacza się biegun dodatni.

Dlaczego barwniki się rozdzielają? Żel z agaru to gęsta, trójwymiarowa sieć włókien polisacharydowych, przez którą cząsteczki muszą się przeciskać. O prędkości decyduje stosunek ładunku do rozmiaru: tartrazyna jest stosunkowo mała i silnie naładowana, więc pędzi do przodu, a błękit brylantowy jest dużą cząsteczką o niewielkim ładunku netto, więc porusza się wolniej. Gdy zielony barwnik okazuje się mieszaniną E102 i E133, rozdziela się na dwa pasma. To bardzo podobna idea jak w chromatografii barwników z liści , tylko siłą napędową nie jest wsiąkająca woda, a prąd.

Bufor z sody pełni dwie role: zawiera jony, które przewodzą prąd, i utrzymuje stały odczyn, mimo że na elektrodach zachodzi elektroliza wody. Pęcherzyki, które widzisz, to wodór na elektrodzie ujemnej i tlen na dodatniej — dokładnie ten proces opisujemy w artykule o wytwarzaniu wodoru . Gdyby zamiast sody użyć soli kuchennej, na elektrodzie dodatniej wydzielałby się trujący chlor, a duże natężenie prądu podgrzewałoby i topiło żel.

Metodę opracował szwedzki chemik Arne Tiselius, który w latach 30. XX wieku rozdzielał w ten sposób białka surowicy krwi — w 1948 roku dostał za to Nagrodę Nobla. Na początku lat 70. zaczęto używać żeli agarozowych (agaroza to oczyszczony składnik agaru) do rozdzielania DNA. Dziś elektroforeza jest podstawą testów genetycznych, ustalania ojcostwa, kryminalistyki i diagnostyki — to od niej w 1984 roku zaczął Alec Jeffreys, twórca „genetycznych odcisków palców”.

Warianty

Barwniki z cukierków. Zamocz kolorowe drażetki (np. Skittles lub M&M’s) w kilku kroplach wody, aż spłynie z nich polewa, i nałóż ten roztwór do studzienek. Porównaj wyniki ze składem na opakowaniu — czy brązowy cukierek to jeden barwnik, czy mieszanina kilku?

Gęstość żelu. Odlej dwa żele: z 1% i 3% agaru (1 g i 3 g na 100 ml buforu). Nałóż ten sam barwnik i mierz linijką co 10 minut, jak daleko dotarł. W gęstszym żelu sieć jest ciaśniejsza, więc barwniki zwalniają — dokładnie tak dobiera się żele do rozdzielania małych i dużych fragmentów DNA.

Napięcie a prędkość. Puść ten sam żel raz z trzema, a raz z pięcioma bateriami i porównaj czas potrzebny do rozdzielenia zielonego barwnika. Przy wyższym napięciu pole elektryczne jest silniejsze, a cząsteczki poruszają się szybciej. Zanotuj też, czy bufor się nagrzewa — za mocny prąd potrafi rozmyć pasma.

Często zadawane pytania

Czy mogę w ten sposób rozdzielić DNA z truskawki? Możesz spróbować, ale efekt będzie skromny. DNA, które otrzymasz w doświadczeniu ekstrakcja DNA z truskawki , jest bezbarwne i porwane na fragmenty różnej długości, więc w żelu utworzy rozmytą smugę, a nie wyraźne pasma. Żeby ją zobaczyć, trzeba żel po rozdziale zabarwić, np. błękitem metylenowym z apteki lub sklepu akwarystycznego. W laboratoriach DNA najpierw tnie się enzymami restrykcyjnymi na konkretne kawałki, dlatego pasma są tam ostre.

Czy 45 woltów z baterii jest bezpieczne? Napięcie stałe do 60 V uznaje się za bezpieczne dla suchej skóry, ale nie warto tego sprawdzać na sobie. Zawsze odłączaj baterie, zanim włożysz palce do buforu albo przesuniesz elektrody, i nie zostawiaj działającego układu bez nadzoru. Pilnuj też, żeby bieguny baterii nie zetknęły się bezpośrednio — zwarcie szybko je rozgrzewa.

Dlaczego moje barwniki prawie się nie ruszają? Najczęstsza przyczyna to odwrotnie podłączone elektrody — wtedy barwniki wędrują w złą stronę i od razu wypadają ze studzienek do buforu. Drugą przyczyną bywa za słaby prąd: rozładowane baterie, luźny krokodylek albo bufor z czystej wody, która niemal nie przewodzi. Sprawdź, czy przy obu elektrodach pojawiają się pęcherzyki; jeśli nie, obwód jest przerwany.