Efficient Protocols for Forensic DNA Extraction
(2024) KMBM05 20241Applied Microbiology
- Abstract
- DNA extraction is a fundamental step in forensic analysis, directly impacting the accuracy of subsequent analysis. At the Swedish National Forensic Centre (NFC), ChelexDirect is currently the routine method for DNA extraction. Following extraction, samples are analyzed using Polymerase Chain Reaction (PCR) and Short Tandem Repeat (STR) analysis to obtain a DNA profile. The objective of this study is to develop, evaluate and identify effective and efficient DNA extraction protocols that may be applied in forensic casework. Besides Chelex-based protocols, four other extraction protocols were investigated, including extraction with QuickExtractTM DNA Extraction Solution (Biosearch Technologies), alkaline lysis, Mammalian Protein Extraction... (More)
- DNA extraction is a fundamental step in forensic analysis, directly impacting the accuracy of subsequent analysis. At the Swedish National Forensic Centre (NFC), ChelexDirect is currently the routine method for DNA extraction. Following extraction, samples are analyzed using Polymerase Chain Reaction (PCR) and Short Tandem Repeat (STR) analysis to obtain a DNA profile. The objective of this study is to develop, evaluate and identify effective and efficient DNA extraction protocols that may be applied in forensic casework. Besides Chelex-based protocols, four other extraction protocols were investigated, including extraction with QuickExtractTM DNA Extraction Solution (Biosearch Technologies), alkaline lysis, Mammalian Protein Extraction Reagent (Thermo Scientific), and guanidine thiocyanate. The protocols were assessed using dried blood and saliva stains collected with both cotton and flocked nylon swabs, followed by analysis through quantitative PCR, Qubit fluorometry, and STR analysis. Key parameters evaluated include DNA quantity and quality, PCR inhibition, user-friendliness, DNA stability, and compatibility with NFC’s analytical workflow. In a staged crime scene scenario, the practical application of each protocol was further examined. The Chelex-based protocol adjusted incubation temperatures and times, finding that lower temperatures and shorter incubation times did not affect DNA yield or stability over a three-week period in refrigerator. In alkaline lysis, proper neutralization was identified as critical for maximizing DNA yield. Notably, the alkaline lysis protocol was not compatible with STR analysis at NFC and combined with a flocked nylon swab, samples exhibited significant PCR inhibition effects. Comparative analysis revealed that the Chelex-based protocol and QuickExtract provided the highest DNA yield and demonstrated superior performance across the evaluated criteria, except that Chelex was better at extracting DNA from snuff and showed higher compatibility with STR analysis. QuickExtract gave suboptimal STR results when extracts were analyzed undiluted. However, it gave complete STR profiles for higher DNA levels, when the extracts were diluted prior to analysis. These findings support the continued use and potential optimization of ChelexDirect, with QuickExtract possibly emerging as an alternative for forensic DNA extraction of certain sample types at NFC, specifically those expected to contain medium to high DNA amounts. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Optimering av DNA-extraktion för brottsutredande analys
Har du någon gång undrat vad som händer med de prov som spårsäkrats på en brottsplats? Omkring 70 000 brottsplatsspår analyseras årligen på Nationellt forensiskt centrum (NFC) i syfte att kunna knyta det till en person genom framtagning av en DNA-profil. Detta görs via STR-analys, där korta upprepande fragment i DNA:t analyseras. Eftersom individer har olika många upprepningar kan en specifik DNA-profil tas fram. För att detta ska kunna göras med stark säkerhet behöver proven först genomgå effektiv DNA-extraktion, där DNA:t utvinns från spåret. Brottsplatsspår är dock väldigt heterogena och kan komma från olika typer av källor, såsom blod och saliv, samt återfinnas på olika ytor och... (More) - Optimering av DNA-extraktion för brottsutredande analys
Har du någon gång undrat vad som händer med de prov som spårsäkrats på en brottsplats? Omkring 70 000 brottsplatsspår analyseras årligen på Nationellt forensiskt centrum (NFC) i syfte att kunna knyta det till en person genom framtagning av en DNA-profil. Detta görs via STR-analys, där korta upprepande fragment i DNA:t analyseras. Eftersom individer har olika många upprepningar kan en specifik DNA-profil tas fram. För att detta ska kunna göras med stark säkerhet behöver proven först genomgå effektiv DNA-extraktion, där DNA:t utvinns från spåret. Brottsplatsspår är dock väldigt heterogena och kan komma från olika typer av källor, såsom blod och saliv, samt återfinnas på olika ytor och material. Av denna anledning är det viktigt att undersöka hur man kan göra DNA-extraktionen så effektiv som möjligt, med målbild att identifiera och åtala brottslingar.
Jag har i det här arbetet undersökt fem olika protokoll för DNA-extraktion och jämfört dem baserat på DNA-utbyte, PCR-hämning, DNA-stabilitet, deras användarvänlighet och hur väl de funkar i NFCs egna analysflöde. I studien ingick även ett experiment med en iscensatt brottsplats där protokollen tillämpades. Spåren bestod av saliv och blod, och spårsäkrades med både bomullstops och flockad nylontops. Utbytet analyserades med hjälp av Polymerase Chain Reaction (PCR), vilket är samma teknik som används för all DNA-analys inklusive den som utförs på NFC i Linköping. De fem protokollen inkluderade ett protokoll baserat på NFCs nuvarande extraktionsprotokoll, kallat ChelexDirekt, samt extraktion med QuickExtract DNA Extraction Solution, alkalin lysering, Mammalian Protein Extraction Reagent (M-PER) och guanidintiocyanat (GIT).
Jag arbetade bland annat med att modifiera Chelex-protokollet och fann att en sänkning av temperatur eller tid i det andra inkubationssteget varken påverkade DNA-utbyte eller DNA-stabiliteten på proven över en treveckorsperiod. Resultaten uppmuntrar därför fortsatt forskning för eventuell optimering vid NFC. Utöver Chelex optimerades alkalin lysering, där det undersöktes vad pH har för påverkan på DNA-kvantifiering. I det alkalina protokollet sker neutralisering efter extraktion och jag fann att denna neutralisering var viktig för utbytet. Ett extrakt med pH 12.2 genererade signifikant lägre DNA-mängd än de med pH under 9.
I jämförelsen mellan protokollen visade alla fem protokoll god stabilitet efter en vecka i kylskåp, följt av en cykel av frys-tining. Jag fann att det Chelex-baserade protokollet och QuickExtract presterade bäst i DNA-utbyte, medan extraktion med M-PER och guanidintiocyanat presterade sämst. Chelex var överlägsen QuickExtract när det gällde att utvinna DNA från portionssnus och påvisade bättre kompatibilitet med STR-analys med fullgoda DNA-profiler. Alkalin lysering framstod till en början som en god kandidat, men visade tydlig PCR-hämning i kombination med nylontops samt dålig kompatibilitet med STR-analys. I experimentet med en iscensatt brottsplats kunde DNA extraheras effektivt från snuspåsar, cigarrettfilter och blodspår, medan DNA-spår lämnat som ett resultat av kontakt var svårare att identifiera. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9166107
- author
- Nihlsson, Niam LU
- supervisor
- organization
- alternative title
- Effektiva protokoll för forensisk DNA-extraktion
- course
- KMBM05 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- DNA extraction, forensic science, STR profiling, applied microbiology
- language
- English
- id
- 9166107
- date added to LUP
- 2024-06-20 14:02:56
- date last changed
- 2024-06-20 14:02:56
@misc{9166107,
abstract = {{DNA extraction is a fundamental step in forensic analysis, directly impacting the accuracy of subsequent analysis. At the Swedish National Forensic Centre (NFC), ChelexDirect is currently the routine method for DNA extraction. Following extraction, samples are analyzed using Polymerase Chain Reaction (PCR) and Short Tandem Repeat (STR) analysis to obtain a DNA profile. The objective of this study is to develop, evaluate and identify effective and efficient DNA extraction protocols that may be applied in forensic casework. Besides Chelex-based protocols, four other extraction protocols were investigated, including extraction with QuickExtractTM DNA Extraction Solution (Biosearch Technologies), alkaline lysis, Mammalian Protein Extraction Reagent (Thermo Scientific), and guanidine thiocyanate. The protocols were assessed using dried blood and saliva stains collected with both cotton and flocked nylon swabs, followed by analysis through quantitative PCR, Qubit fluorometry, and STR analysis. Key parameters evaluated include DNA quantity and quality, PCR inhibition, user-friendliness, DNA stability, and compatibility with NFC’s analytical workflow. In a staged crime scene scenario, the practical application of each protocol was further examined. The Chelex-based protocol adjusted incubation temperatures and times, finding that lower temperatures and shorter incubation times did not affect DNA yield or stability over a three-week period in refrigerator. In alkaline lysis, proper neutralization was identified as critical for maximizing DNA yield. Notably, the alkaline lysis protocol was not compatible with STR analysis at NFC and combined with a flocked nylon swab, samples exhibited significant PCR inhibition effects. Comparative analysis revealed that the Chelex-based protocol and QuickExtract provided the highest DNA yield and demonstrated superior performance across the evaluated criteria, except that Chelex was better at extracting DNA from snuff and showed higher compatibility with STR analysis. QuickExtract gave suboptimal STR results when extracts were analyzed undiluted. However, it gave complete STR profiles for higher DNA levels, when the extracts were diluted prior to analysis. These findings support the continued use and potential optimization of ChelexDirect, with QuickExtract possibly emerging as an alternative for forensic DNA extraction of certain sample types at NFC, specifically those expected to contain medium to high DNA amounts.}},
author = {{Nihlsson, Niam}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Efficient Protocols for Forensic DNA Extraction}},
year = {{2024}},
}