DNA磁珠純化技術(shù)的歷史和發(fā)展

DNA磁珠純化是一種簡(jiǎn)單而可靠的DNA分離方法。
這種DNA純化方法有著廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上，基因組測(cè)序和分子分析已經(jīng)成為生物研究中不可或缺的一部分，以至于現(xiàn)在它們幾乎是在高級(jí)期刊上發(fā)表工作的必要條件。
在科學(xué)研究之外，DNA磁珠純化也是刑事司法系統(tǒng)中法醫(yī)分析，以及臨床分子檢測(cè)基礎(chǔ)。這需要有能力從各種組織中快速提取和純化高質(zhì)量的DNA和RNA。在這種需求的驅(qū)動(dòng)下，DNA磁珠純化技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。
DNA純化的歷史
自從Friederich Miescher在1869年進(jìn)行了第一次DNA提取以來(lái)，我們對(duì)遺傳物質(zhì)的了解已經(jīng)大大增加。第一次提取導(dǎo)致了一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)，即細(xì)胞內(nèi)存在一種從酸性溶液中析出并溶解于堿性溶液的物質(zhì)。此后，直到1953年，DNA的完整結(jié)構(gòu)才被揭開。此后不久，分離核酸的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室程序開始出現(xiàn)，但現(xiàn)代用于DNA純化的方法是什么？
使用核酸分離的DNA磁珠純化是如何進(jìn)行的？
核酸分離和純化包括三個(gè)基本步驟：

• 破壞（或裂解）細(xì)胞
• 去除蛋白質(zhì)和污染物
• 回收DNA

細(xì)胞的破壞是一個(gè)機(jī)械過(guò)程，組織通常被冷凍在液氮中，并被粉碎，以打破宏觀結(jié)構(gòu)并使細(xì)胞壁破裂。然后將這種組織漿液與溶劑和鹽類混合，以洗掉不需要的蛋白質(zhì)、禁用DNAses，并將DNA收集到可用的溶液中。最后，使用苯酚-氯仿有機(jī)溶劑將DNA濃縮在親水相中。然后，這種親水溶液可以被收集、離心和洗滌，直到回收純凈的DNA。
早期的方法是將DNA收集在試管底部的顆粒中，然后將其溶于水并收集。為了提高產(chǎn)量和簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室之間的協(xié)議，開發(fā)了固相系統(tǒng)。目前，使用溶劑和固相柱組合的商業(yè)試劑盒被廣泛用于分離和純化DNA和RNA [2]。

什么是柱基DNA分離？
這種方法使用專有的柱子，在隔離試劑盒中商業(yè)化銷售，這些柱子由硅石基質(zhì)、玻璃顆粒、硅藻土或陰離子交換樹脂制成。DNA或RNA會(huì)與柱子相結(jié)合，而蛋白質(zhì)和污染物則用離心機(jī)用乙醇洗掉。重復(fù)這一過(guò)程，最后用水收集剩余的核酸。
由于這些商業(yè)試劑盒的廣泛供應(yīng)和成本低廉，DNA分離是相對(duì)容易、快速和標(biāo)準(zhǔn)化的。然而，這個(gè)過(guò)程仍然需要許多緩沖劑、溶劑、昂貴的離心機(jī)、實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間來(lái)完成。
所以，對(duì)提高這一過(guò)程效率的需求導(dǎo)致了DNA磁珠純化方法的發(fā)展。在過(guò)去20年中，納米技術(shù)的進(jìn)步使磁珠DNA提取成為一種可行的、越來(lái)越有吸引力的核酸純化方法。DNA磁珠純化不需要柱子或離心機(jī)，并使該過(guò)程能夠自動(dòng)化。

磁珠DNA提取是如何工作的？
磁珠是一組均勻的顆粒，直徑為500納米到500微米之間，用磁性材料制成的。這些磁性材料通常是含有磁鐵礦納米顆粒的復(fù)合材料。在有外部磁鐵的情況下，這些顆粒會(huì)被磁化，從而使它們?nèi)菀妆徊倏v。
第一個(gè)磁珠專利，「使用磁性顆粒進(jìn)行DNA純化和分離」，于1998年獲得美國(guó)專利局的批準(zhǔn)。這種早期的磁分離技術(shù)使用了由涂有硅烷的氧化鐵核心組成的顆粒。然后顆粒的表面與含有游離羧酸的分子結(jié)合，這些分子又與DNA或RNA結(jié)合。
鹽的濃度決定了官能團(tuán)和核酸之間的結(jié)合強(qiáng)度，這使得可控的可逆結(jié)合成為可能。在正確的鹽濃度下，核酸會(huì)與磁性顆粒結(jié)合。接下來(lái)，一個(gè)磁鐵被放置在含有溶液的管子外面，以創(chuàng)造一個(gè)強(qiáng)大的外部磁場(chǎng)。與核酸結(jié)合的磁性顆粒被吸引到磁場(chǎng)中，并「粘」到管子的外邊緣。
另一種技術(shù)是在管子的底部使用一塊磁鐵來(lái)吸引顆粒向下。在這兩種情況下，在交換不需要的溶液和洗去污染的蛋白質(zhì)時(shí)，磁場(chǎng)都被保持。洗滌步驟結(jié)束后，DNA或RNA用洗脫緩沖液從磁珠中釋放出來(lái)，留下純凈的樣品準(zhǔn)備進(jìn)行定量和分析。

功能性磁珠如何用于核苷酸提��？
近年來(lái)，對(duì)專利的DNA磁珠純化方法的修改已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)�，F(xiàn)在的磁珠可以由嵌入氧化鐵「顏料」的合成聚合物制成，或由金屬核心的氧化鐵包覆聚合物表面以實(shí)現(xiàn)功能性。這些均勻的顆�？梢员煌可瞎δ芑鶊F(tuán)，也可以不被涂上。
一些功能涂層通過(guò)靜電相互作用（帶正電的胺或咪唑分子）起作用，而另一些則通過(guò)鹽或pH值介導(dǎo)的吸引力起作用（二氧化硅和羧基）。通過(guò)將目標(biāo)寡核苷酸引入磁珠表面，可以進(jìn)行更具體的DNA（或RNA）分離。這些目標(biāo)寡核苷酸對(duì)于提取ssDNA或RNA的特定序列很有用。
在使用半自動(dòng)或全自動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，DNA磁珠純化對(duì)依賴離心機(jī)的分離技術(shù)是一個(gè)明顯的改進(jìn)。這些系統(tǒng)在需要快速純化許多樣品時(shí)使用。
在沒(méi)有DNA磁珠分離的情況下，需要將樣品移入和移出離心機(jī)的效率很低，而且會(huì)增加分析時(shí)間。相比之下，使用磁性顆�？梢允乖嚬茉谡麄�(gè)過(guò)程中保持在一臺(tái)機(jī)器中。

有哪些磁珠分離DNA的例子？
磁珠被用來(lái)在廣泛的不同情況下純化DNA，具體包括：
質(zhì)粒DNA分離：磁珠用于從粗制的提取物中分離質(zhì)粒DNA。這可以通過(guò)精心優(yōu)化的溶液將質(zhì)粒DNA從基因組DNA和蛋白質(zhì)中分離出來(lái)，然后讓質(zhì)粒DNA與磁珠結(jié)合并將其引入磁場(chǎng)中。
基因組DNA分離：磁珠還可用于從蛋白質(zhì)中分離基因組DNA，從粗提物中分離RNA。溶液中鹽分、pH值和電荷的優(yōu)化意味著只有基因組DNA能與磁珠結(jié)合，然后可將其置于磁場(chǎng)中進(jìn)行分離。
DNA片段分離：有許多類型的DNA分離試劑盒可供選擇，包括DNA片段的分離。DNA片段可能需要為下一代測(cè)序協(xié)議進(jìn)行分離，在這種情況下，可以用能選擇分子大小的磁珠來(lái)分離片段。

磁珠使DNA純化變得簡(jiǎn)單
隨著科學(xué)家們?cè)絹?lái)越深入地挖掘可觀察表型的復(fù)雜分子基礎(chǔ)，DNA磁珠純化技術(shù)的易用性和可擴(kuò)展性將越來(lái)越有用。遺傳分析和操作是未來(lái)的方向，而使用磁鐵分離純的DNA和RNA將有助于加快發(fā)現(xiàn)的步伐。

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