新方法可在1小時內實現水樣本90％核酸回收率

近日，南方科技大學生物醫學工程系副教授張博團隊在《水研究》發表最新研究，他們介紹了一種基于表面電位可調材料的高效核酸富集方法，可在1小時內實現水樣本中90%的DNA/RNA回收，針對環境水樣本中不同形式核酸如游離DNA、游離RNA、胞內核酸、病毒核酸等，均有優異的提取能力。該技術具有快速高效、可復用、低成本等特點，在環境核酸監測領域具有重要的應用價值。

環境核酸（eNA）是指生物釋放到環境中的DNA或RNA，蘊含豐富的生物信息。基于水環境eNA的技術具有非侵入性、采樣便捷、信息量大等優勢，目前已廣泛應用于生態學研究、人類或動物病原體監測以及環境污染溯源等領域，在保護環境和公共衛生方面展現出巨大潛力，并為相關管理政策制定提供依據。與此同時，響應型的環境管理政策需要持續獲取環境中的實時信息反饋，這要求對eNA進行大規模、高頻率的分析檢測，因而亟需操作簡便、成本低廉、高效可靠的eNA分析技術。

研究示意圖。南科大供圖

然而，樣本體積大，eNA濃度低、存在形態多樣等特點對當前環境核酸提取技術而言充滿了挑戰性。當前，最常用的水環境eNA提取方法是膜過濾法，通過0.2微米孔徑濾膜捕獲水樣中的完整細胞，但濾膜法對攜帶重要生物信息的胞外eNA的回收率較低，導致關鍵生物信息缺失，限制了其在水傳播病毒監測中的應用。

此外，胞外eNA因分子量小、濃度低等特點導致其富集更為困難。現有胞外eNA富集方法包括化學沉淀法、超速離心法、超濾法以及柱吸附-沉淀聯用法，均存在操作復雜、依賴昂貴專用設備、難以規模化等問題。

為此，研究團隊開發了基于表面電位可調磁性納米粒子（TPMP）的水環境eNA提取方法，可在60分鐘內實現水中90%的核酸回收率及100至1000倍富集效果。該方法對不同片段長度的游離DNA/RNA、胞內核酸及病毒核酸等不同種類核酸均具有高效回收能力，相比常規方法，該技術對eNA的回收產率提升了1.2至11.8倍，耗時從數小時縮短至60分鐘以內，并且TPMP材料可循環使用多次且保持性能穩定。

此外，研究人員發現，胞外eNA包含在環境壓力下裂解的微生物信息，與細胞內eNA的微生物組成具有差異顯著，還包含從裂解宿主中釋放的病毒的生物信息，為病毒-宿主相互作用研究提供更全面的數據支撐。更重要的是，高風險ARG（如病毒與病原體相關ARG）在胞外eNA中高度富集，凸顯其監測的重要性，研究團隊為此構建了一個常態化環境監測平臺，成功追蹤了ARG熱點區域的基線水平與季節性波動規律。

這些研究結果表明，構建的基于表面電位可調材料的高效核酸富集方法，能夠滿足環境核酸分析日益增長的需求，可拓展應用于生態調查、胞外eNA研究、ARG及病原體篩查和常態化環境監測等領域。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124428