DNA分离技术的研究进展

杨 耀

DNA分离技术的研究进展

杨 耀

（温州大学 化学与材料工程学院，浙江 温州 325035）

DNA是生物遗传信息的主要携带者，分离和检测DNA是生物学研究的重要组成部分。本文综述了近年来关于DNA的分离方法，如微纳毛细管的流体动力色谱、物理方法富集分离、微纳米磁颗粒分离富集及电泳芯片分离DNA等方法。

DNA；分离方法；微纳毛细管的流体动力色谱；微纳米磁颗粒；电泳芯片

DNA，脱氧核糖核酸，是脱氧核糖核酸染色体的主要化学成分，也是自然界生物体遗传信息的携带者，绝大多数生物的遗传信息储存在DNA中。现代医学中，可以通过DNA检测遗传疾病、对犯罪嫌疑人进行确认、亲子鉴定、基因治疗免疫性疾病。在对DNA的研究中，分离和检测DNA是生物基础研究的重要组成部分，DNA的纯度是保证研究顺利进行的前提和基础。但在实际分析中，由于机体组分的存在会对DNA的分析产生严重干扰，因此需对实际样品进行适当的分离纯化，以利于后续的DNA分析检测。因此，DNA分离及检测的方法尤为重要。

1 DNA分离方法

1.1 无涂层微纳毛细管的流体动力色谱分离检测

朱在方等人首次提出以基于无涂层微纳毛细管的流体动力色谱快速分离和分析DNA的方法[1]。这种分离方法优点在于不需要介质存在，同时能够重复使用，还能够达到自动化检测的目的。该检测方法在自由溶液中进行，不需要筛分介质或者重新施加电场，并且可以在同一时间分离长度75~106 000 bp范围内的DNA分子。

1.2 柱色谱分离DNA

柱色谱已发展成为一种快速有效的替代方法，可替代费力的制备高质量DNA的方法，例如CsCl梯度离心。Budelier K等介绍了一种由独特的阴离子交换树脂制成的色谱柱[2]，该色谱柱可以选择性地结合核酸，从而可以从污染的RNA、蛋白质、碳水化合物和代谢产物中快速分离DNA。

1.3 物理方法分离富集

康晓燕等人用碳酸镧分离富集DNA[3]。传统的化学方法提取DNA将基体组分通过苯酚/氯仿萃取，然后在乙醇溶液中沉淀出DNA，再通过生物试剂盒分离纯化，这种方法费时，并且氯仿及苯酚都具有一定毒性，生物试剂盒价格较贵。固定相吸附能通固定相与目标组分吸附、解吸附等物理作用达到组分的分离纯化。康晓燕等通过La2O3、HCl、NaHCO3作为固定相原材料，优化条件生成纯度达99%的八水合碳酸镧，该材料对DNA有较好的吸附能力，并且在磷酸盐条件下可使DNA解吸附，有效地实现了DNA的分离与富集。实验通过XRD、XPS、UV、ICP-MS等方法检测，验证实验方法的可行性。该方法条件简单、无有机试剂危害、分析成本低，可用于生物实验的使用。

1.4 微纳米磁颗粒用于DNA的分离

由于磁性纳米颗粒（MNP）具有化学稳定性、低成本性、颗粒表面功能化多样性和多选择性，因此在生物医学中使用MNP（如氧化铁纳米颗粒（IONPs））用于DNA分离相对传统材料来说更具研究价值。MNP的许多主要应用之一是DNA分离，在磁场下将目标DNA附着并且运输到所需位置。因此，MNP被用于许多生物技术方法中，例如基因转染和分子识别系统[4]。此外，MNP与DNA分子表面之间的相互作用以及所得磁性复合物能开发安全有效的基因递送载体得以治疗重大疾病，例如癌症和神经系统疾病[5]。MNP提取分离DNA是一个简单而快速的过程，MNP直接与DNA结合，从而通过磁引力去除复杂样品中的杂质。

1.4.1 氧化硅磁颗粒对DNA的吸附与解离

在高盐溶液中，如碘化钠、高氯酸钠、盐酸肌、异氰酸肌等，氧化硅表面会选择性地与DNA相结合，其他的大分子有机物、酯类、蛋白质等则保留在溶液中。高盐以及氧化硅等结合DNA的原理主要分为以下3个方面：（1）氧化硅表面基团硅羟基与DNA分子间的静电相互作用；（2）氧化硅表面与DNA分子的脱水作用；（3）DNA分子与氧化硅表面基团之间的氢键相互作用。当盐的浓度降低的时候，便可以将DNA分子洗脱下来。通常在pH=8的低盐溶液中，DNA会很容易洗脱。

1.4.2 氨基修饰磁颗粒用于DNA的吸附与分离

YalongBai等开发了一种基于可兼容聚合酶链反应（PCR）分析的氨基修饰的磁性纳米颗粒（AMNP）的DNA提取方法[6]。在此方法中，绕过不兼容的DNA洗脱步骤，将带有吸附的DNA的AMNP直接用作PCR的模板；此外，通过直接使用吸附的DNA，将DNA稀释时的损失降至最低，从而提高了痕量DNA检测的灵敏度。

1.4.3 金属陶瓷纳米复合材料对DNA的分离

Michele Pansini等通过以Fe交换的沸石为前体，在相对中等的温度（750~800 ℃）和还原性气体作用下，通过短时间（2 h）热处理，获得了金属陶瓷纳米复合材料[7]。所获得的材料通过X射线粉末衍射分析、在196 ℃下的N2吸附和高分辨率透射电子显微镜进行了表征。这些分析的结果表明，纳米复合材料由金属铁纳米颗粒在多孔陶瓷基体中的分散体组成，主要基于非晶态二氧化硅和氧化铝。将获得的金属陶瓷纳米复合材料用于从粗细胞裂解物中分离大肠杆菌DNA，能够提取分离出高浓度的DNA，达到良好的分离效果。

1.5 电泳芯片对DNA的分离

Sergiy Oleksandrov等提出了一种方便快速且高效的无缓冲凝胶电泳芯片（BGEC）[8]。该芯片由琼脂糖凝胶组成，该琼脂糖凝胶被安装在带有电极的一次性塑料体内。它不需要大量的缓冲液来填充容器，也不需要将凝胶浸入缓冲液中并且可以承受高达28.4 V/cm的电压，从而可以在10 min内分离出DNA，具有与标准凝胶电泳相似的分离能力。同时，该设备非常适用于现场无法使用标准凝胶电泳设备而又需要快速结果的情况下，如法医、流行病学环境和犯罪现场的原位凝胶电泳，该方法为DNA快速检测和分离提供了新的研究思路。

1.6 中空纤维膜对DNA的分离

Doo Li Kim等通过两种离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二磷酸二乙酯与1,3-二甲基咪唑二甲基磷酸二甲酯中的聚醚砜（PES）溶液制备了中空纤维膜[9]。该溶剂是非挥发性的，并且比有机溶剂毒性更低。将该中空纤维膜应用于DNA分离中发现，该膜能使不同质量大小的DNA的分离，并达到良好的分离效果[8]。

1.7 新型琼脂糖凝胶电泳对DNA的分离

Jialiang Li等开发了一种新颖的琼脂糖凝胶电泳策略，可通过将氧化石墨烯（GO）掺入琼脂糖凝胶中来分离DNA片段[9]。结果表明，在琼脂糖凝胶中添加GO可以通过增加单个DNA片段和相邻DNA片段的移位距离来显着提高DNA片段的分离分辨率，并完全消除了过量溴化乙锭扩散所产生的背景噪声。GO掺杂琼脂糖凝胶中DNA片段分辨率的提高可能归因于DNA片段与GO片之间的连续吸附-解吸过程，而消除背景噪声的原因可能是由于过量的EB染料在GO片材表面上的吸附以及GO的高荧光猝灭效率。这些结果为石墨烯及其衍生物在各种电泳技术中用于分离和检测DAN片段及其他生物分子提供了新的思路。

2 结束语

DNA是生物信息的主要携带者，分离提纯DNA的方法目前还比较繁琐。在生物医学高度发展的今天，DNA的用途越来越广，高纯度的DNA需求也越来越大，因此操作简单、生物毒性小、费用低、检测灵敏度高的方法亟需解决。

［1］朱在方，陈煌，刘绍荣. 基于无涂层微纳毛细管的流体动力色谱:一种快速分离和分析DNA的新方法[J]. 玉林师范学院学报，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］康晓燕，贺安琪，王泾丹，等. 碳酸镧分离富集DNA的研究[J]. 高等学校化学学报，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

杨耀（1995-），硕士在读，四川南充人，研究方向：生物材料。

何华成（1985-），男，讲师，博士，生物材料的研究与开发。

TQ028.8

A

1004-0935（2020）05-0556-03