近日，南方科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系副教授張博團(tuán)隊(duì)在《水研究》發(fā)表最新研究，他們介紹了一種基于表面電位可調(diào)材料的高效核酸富集方法，可在1小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)水樣本中90%的DNA/RNA回收，針對環(huán)境水樣本中不同形式核酸如游離DNA、游離RNA、胞內(nèi)核酸、病毒核酸等，均有優(yōu)異的提取能力。該技術(shù)具有快速高效、可復(fù)用、低成本等特點(diǎn)，在環(huán)境核酸監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。
環(huán)境核酸（eNA）是指生物釋放到環(huán)境中的DNA或RNA，蘊(yùn)含豐富的生物信息。基于水環(huán)境eNA的技術(shù)具有非侵入性、采樣便捷、信息量大等優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究、人類或動物病原體監(jiān)測以及環(huán)境污染溯源等領(lǐng)域，在保護(hù)環(huán)境和公共衛(wèi)生方面展現(xiàn)出巨大潛力，并為相關(guān)管理政策制定提供依據(jù)。與此同時，響應(yīng)型的環(huán)境管理政策需要持續(xù)獲取環(huán)境中的實(shí)時信息反饋，這要求對eNA進(jìn)行大規(guī)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(shù)。
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(tài)多樣等特點(diǎn)對當(dāng)前環(huán)境核酸提取技術(shù)而言充滿了挑戰(zhàn)性。當(dāng)前，最常用的水環(huán)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(xì)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(dǎo)致關(guān)鍵生物信息缺失，限制了其在水傳播病毒監(jiān)測中的應(yīng)用。
此外，胞外eNA因分子量小、濃度低等特點(diǎn)導(dǎo)致其富集更為困難。現(xiàn)有胞外eNA富集方法包括化學(xué)沉淀法、超速離心法、超濾法以及柱吸附-沉淀聯(lián)用法，均存在操作復(fù)雜、依賴昂貴專用設(shè)備、難以規(guī)模化等問題。
為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于表面電位可調(diào)磁性納米粒子（TPMP）的水環(huán)境eNA提取方法，可在60分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(guī)方法，該技術(shù)對eNA的回收產(chǎn)率提升了1.2至11.8倍，耗時從數(shù)小時縮短至60分鐘以內(nèi)，并且TPMP材料可循環(huán)使用多次且保持性能穩(wěn)定。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，胞外eNA包含在環(huán)境壓力下裂解的微生物信息，與細(xì)胞內(nèi)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(shù)據(jù)支撐。更重要的是，高風(fēng)險ARG（如病毒與病原體相關(guān)ARG）在胞外eNA中高度富集，凸顯其監(jiān)測的重要性，研究團(tuán)隊(duì)為此構(gòu)建了一個常態(tài)化環(huán)境監(jiān)測平臺，成功追蹤了ARG熱點(diǎn)區(qū)域的基線水平與季節(jié)性波動規(guī)律。
這些研究結(jié)果表明，構(gòu)建的基于表面電位可調(diào)材料的高效核酸富集方法，能夠滿足環(huán)境核酸分析日益增長的需求，可拓展應(yīng)用于生態(tài)調(diào)查、胞外eNA研究、ARG及病原體篩查和常態(tài)化環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124428
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