DNA分離技術的研究進展

楊 耀

DNA分離技術的研究進展

楊 耀

（溫州大學 化學與材料工程學院，浙江 溫州 325035）

DNA是生物遺傳信息的主要攜帶者，分離和檢測DNA是生物學研究的重要組成部分。本文綜述了近年來關于DNA的分離方法，如微納毛細管的流體動力色譜、物理方法富集分離、微納米磁顆粒分離富集及電泳芯片分離DNA等方法。

DNA；分離方法；微納毛細管的流體動力色譜；微納米磁顆粒；電泳芯片

DNA，脫氧核糖核酸，是脫氧核糖核酸染色體的主要化學成分，也是自然界生物體遺傳信息的攜帶者，絕大多數生物的遺傳信息儲存在DNA中。現代醫學中，可以通過DNA檢測遺傳疾病、對犯罪嫌疑人進行確認、親子鑒定、基因治療免疫性疾病。在對DNA的研究中，分離和檢測DNA是生物基礎研究的重要組成部分，DNA的純度是保證研究順利進行的前提和基礎。但在實際分析中，由于機體組分的存在會對DNA的分析產生嚴重干擾，因此需對實際樣品進行適當的分離純化，以利于后續的DNA分析檢測。因此，DNA分離及檢測的方法尤為重要。

1 DNA分離方法

1.1 無涂層微納毛細管的流體動力色譜分離檢測

朱在方等人首次提出以基于無涂層微納毛細管的流體動力色譜快速分離和分析DNA的方法[1]。這種分離方法優點在于不需要介質存在，同時能夠重復使用，還能夠達到自動化檢測的目的。該檢測方法在自由溶液中進行，不需要篩分介質或者重新施加電場，并且可以在同一時間分離長度75~106 000 bp范圍內的DNA分子。

1.2 柱色譜分離DNA

柱色譜已發展成為一種快速有效的替代方法，可替代費力的制備高質量DNA的方法，例如CsCl梯度離心。Budelier K等介紹了一種由獨特的陰離子交換樹脂制成的色譜柱[2]，該色譜柱可以選擇性地結合核酸，從而可以從污染的RNA、蛋白質、碳水化合物和代謝產物中快速分離DNA。

1.3 物理方法分離富集

康曉燕等人用碳酸鑭分離富集DNA[3]。傳統的化學方法提取DNA將基體組分通過苯酚/氯仿萃取，然后在乙醇溶液中沉淀出DNA，再通過生物試劑盒分離純化，這種方法費時，并且氯仿及苯酚都具有一定毒性，生物試劑盒價格較貴。固定相吸附能通固定相與目標組分吸附、解吸附等物理作用達到組分的分離純化。康曉燕等通過La2O3、HCl、NaHCO3作為固定相原材料，優化條件生成純度達99%的八水合碳酸鑭，該材料對DNA有較好的吸附能力，并且在磷酸鹽條件下可使DNA解吸附，有效地實現了DNA的分離與富集。實驗通過XRD、XPS、UV、ICP-MS等方法檢測，驗證實驗方法的可行性。該方法條件簡單、無有機試劑危害、分析成本低，可用于生物實驗的使用。

1.4 微納米磁顆粒用于DNA的分離

由于磁性納米顆粒（MNP）具有化學穩定性、低成本性、顆粒表面功能化多樣性和多選擇性，因此在生物醫學中使用MNP（如氧化鐵納米顆粒（IONPs））用于DNA分離相對傳統材料來說更具研究價值。MNP的許多主要應用之一是DNA分離，在磁場下將目標DNA附著并且運輸到所需位置。因此，MNP被用于許多生物技術方法中，例如基因轉染和分子識別系統[4]。此外，MNP與DNA分子表面之間的相互作用以及所得磁性復合物能開發安全有效的基因遞送載體得以治療重大疾病，例如癌癥和神經系統疾病[5]。MNP提取分離DNA是一個簡單而快速的過程，MNP直接與DNA結合，從而通過磁引力去除復雜樣品中的雜質。

1.4.1 氧化硅磁顆粒對DNA的吸附與解離

在高鹽溶液中，如碘化鈉、高氯酸鈉、鹽酸肌、異氰酸肌等，氧化硅表面會選擇性地與DNA相結合，其他的大分子有機物、酯類、蛋白質等則保留在溶液中。高鹽以及氧化硅等結合DNA的原理主要分為以下3個方面：（1）氧化硅表面基團硅羥基與DNA分子間的靜電相互作用；（2）氧化硅表面與DNA分子的脫水作用；（3）DNA分子與氧化硅表面基團之間的氫鍵相互作用。當鹽的濃度降低的時候，便可以將DNA分子洗脫下來。通常在pH=8的低鹽溶液中，DNA會很容易洗脫。

1.4.2 氨基修飾磁顆粒用于DNA的吸附與分離

YalongBai等開發了一種基于可兼容聚合酶鏈反應（PCR）分析的氨基修飾的磁性納米顆粒（AMNP）的DNA提取方法[6]。在此方法中，繞過不兼容的DNA洗脫步驟，將帶有吸附的DNA的AMNP直接用作PCR的模板；此外，通過直接使用吸附的DNA，將DNA稀釋時的損失降至最低，從而提高了痕量DNA檢測的靈敏度。

1.4.3 金屬陶瓷納米復合材料對DNA的分離

Michele Pansini等通過以Fe交換的沸石為前體，在相對中等的溫度（750~800 ℃）和還原性氣體作用下，通過短時間（2 h）熱處理，獲得了金屬陶瓷納米復合材料[7]。所獲得的材料通過X射線粉末衍射分析、在196 ℃下的N2吸附和高分辨率透射電子顯微鏡進行了表征。這些分析的結果表明，納米復合材料由金屬鐵納米顆粒在多孔陶瓷基體中的分散體組成，主要基于非晶態二氧化硅和氧化鋁。將獲得的金屬陶瓷納米復合材料用于從粗細胞裂解物中分離大腸桿菌DNA，能夠提取分離出高濃度的DNA，達到良好的分離效果。

1.5 電泳芯片對DNA的分離

Sergiy Oleksandrov等提出了一種方便快速且高效的無緩沖凝膠電泳芯片（BGEC）[8]。該芯片由瓊脂糖凝膠組成，該瓊脂糖凝膠被安裝在帶有電極的一次性塑料體內。它不需要大量的緩沖液來填充容器，也不需要將凝膠浸入緩沖液中并且可以承受高達28.4 V/cm的電壓，從而可以在10 min內分離出DNA，具有與標準凝膠電泳相似的分離能力。同時，該設備非常適用于現場無法使用標準凝膠電泳設備而又需要快速結果的情況下，如法醫、流行病學環境和犯罪現場的原位凝膠電泳，該方法為DNA快速檢測和分離提供了新的研究思路。

1.6 中空纖維膜對DNA的分離

Doo Li Kim等通過兩種離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二磷酸二乙酯與1,3-二甲基咪唑二甲基磷酸二甲酯中的聚醚砜（PES）溶液制備了中空纖維膜[9]。該溶劑是非揮發性的，并且比有機溶劑毒性更低。將該中空纖維膜應用于DNA分離中發現，該膜能使不同質量大小的DNA的分離，并達到良好的分離效果[8]。

1.7 新型瓊脂糖凝膠電泳對DNA的分離

Jialiang Li等開發了一種新穎的瓊脂糖凝膠電泳策略，可通過將氧化石墨烯（GO）摻入瓊脂糖凝膠中來分離DNA片段[9]。結果表明，在瓊脂糖凝膠中添加GO可以通過增加單個DNA片段和相鄰DNA片段的移位距離來顯著提高DNA片段的分離分辨率，并完全消除了過量溴化乙錠擴散所產生的背景噪聲。GO摻雜瓊脂糖凝膠中DNA片段分辨率的提高可能歸因于DNA片段與GO片之間的連續吸附-解吸過程，而消除背景噪聲的原因可能是由于過量的EB染料在GO片材表面上的吸附以及GO的高熒光猝滅效率。這些結果為石墨烯及其衍生物在各種電泳技術中用于分離和檢測DAN片段及其他生物分子提供了新的思路。

2 結束語

DNA是生物信息的主要攜帶者，分離提純DNA的方法目前還比較繁瑣。在生物醫學高度發展的今天，DNA的用途越來越廣，高純度的DNA需求也越來越大，因此操作簡單、生物毒性小、費用低、檢測靈敏度高的方法亟需解決。

［1］朱在方，陳煌，劉紹榮. 基于無涂層微納毛細管的流體動力色譜:一種快速分離和分析DNA的新方法[J]. 玉林師范學院學報，2015，36 （5）：8-17.

［2］K Budelier, J Schorr. Purification of DNA by anion-exchange chro- mategraphy[J]..https://doi.org/10.1002/ 0471142727.mb0201bs42.

［3］康曉燕，賀安琪，王涇丹，等. 碳酸鑭分離富集DNA的研究[J]. 高等學校化學學報，2016，37（1）:7-11.

［4］N He, F Wang, C Ma, et al. Chemiluminescence analysis for HBV- DNA hybridization detection with magnetic nanoparticles based DNA extraction from positive whole blood samples[J].,2013,9(2) : 267-273.

［5］J R Sosa-Acosta, C Iriarte-Mesa, G A Ortega, et al.DNA-Iron Oxide Nanoparticles Conjugates: Functional Magnetic Nanoplatforms in Biomedical Applications[J].,2020, 378(1): 13.

［6］Y Bai, D Roncancio, Y Suo, etal. A method based on amino-modified magnetic nanoparticles to extract DNA for PCR-based analysis[J]., 2019,179: 87-93.

［7］M Pansini, G Dell'Agli, A Marocco, et al. Preparation and Character- ization of Magnetic and Porous Metal-Ceramic Nanocomposites from a Zeolite Precursor and Their Application for DNA Separation[J].,2017,13(3): 337-48.

［8］S Oleksandrov, A Aman, W Lim, et al. Development of bufferless gel electrophoresis chip for easy preparation and rapid DNA separation[J].2018,39(3): 456-461.

［9］J Li, Y Yang, Z Mao, et al. Enhanced Resolution of DNA Separation Using Agarose Gel Electrophoresis Doped with Graphene Oxide[J].,2006,33(4):37-40．

Research Progress of DNA Isolation Technology

（School of Chemical and Materials Engineering, Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 325035, China）

DNA is the main carrier of biological genetic information. The isolation and detection of DNA are an important part of biological research. In this article, recent DNA separation methods were reviewed, such as micro-nanocapillary hydrodynamic chromatography, physical method enrichment and separation, micro nanometer magnetic particle separation and enrichment, electrophoresis chip separation and so on.

DNA; separation method; micro-nano capillary hydrodynamic chromatography; micro-nano magnetic particles; electrophoresis chip

2020-01-18

楊耀（1995-），碩士在讀，四川南充人，研究方向：生物材料。

何華成（1985-），男，講師，博士，生物材料的研究與開發。

TQ028.8

A

1004-0935（2020）05-0556-03