新方法可在1小时内实现水样本90％核酸回收率

近日，南方科技大学生物医学工程系副教授张博团队在《水研究》发表最新研究，他们介绍了一种基于表面电位可调材料的高效核酸富集方法，可在1小时内实现水样本中90%的DNA/RNA回收，针对环境水样本中不同形式核酸如游离DNA、游离RNA、胞内核酸、病毒核酸等，均有优异的提取能力。该技术具有快速高效、可复用、低成本等特点，在环境核酸监测领域具有重要的应用价值。

环境核酸（eNA）是指生物释放到环境中的DNA或RNA，蕴含丰富的生物信息。基于水环境eNA的技术具有非侵入性、采样便捷、信息量大等优势，目前已广泛应用于生态学研究、人类或动物病原体监测以及环境污染溯源等领域，在保护环境和公共卫生方面展现出巨大潜力，并为相关管理政策制定提供依据。与此同时，响应型的环境管理政策需要持续获取环境中的实时信息反馈，这要求对eNA进行大规模、高频率的分析检测，因而亟需操作简便、成本低廉、高效可靠的eNA分析技术。

研究示意图。南科大供图

然而，样本体积大，eNA浓度低、存在形态多样等特点对当前环境核酸提取技术而言充满了挑战性。当前，最常用的水环境eNA提取方法是膜过滤法，通过0.2微米孔径滤膜捕获水样中的完整细胞，但滤膜法对携带重要生物信息的胞外eNA的回收率较低，导致关键生物信息缺失，限制了其在水传播病毒监测中的应用。

此外，胞外eNA因分子量小、浓度低等特点导致其富集更为困难。现有胞外eNA富集方法包括化学沉淀法、超速离心法、超滤法以及柱吸附-沉淀联用法，均存在操作复杂、依赖昂贵专用设备、难以规模化等问题。

为此，研究团队开发了基于表面电位可调磁性纳米粒子（TPMP）的水环境eNA提取方法，可在60分钟内实现水中90%的核酸回收率及100至1000倍富集效果。该方法对不同片段长度的游离DNA/RNA、胞内核酸及病毒核酸等不同种类核酸均具有高效回收能力，相比常规方法，该技术对eNA的回收产率提升了1.2至11.8倍，耗时从数小时缩短至60分钟以内，并且TPMP材料可循环使用多次且保持性能稳定。

此外，研究人员发现，胞外eNA包含在环境压力下裂解的微生物信息，与细胞内eNA的微生物组成具有差异显著，还包含从裂解宿主中释放的病毒的生物信息，为病毒-宿主相互作用研究提供更全面的数据支撑。更重要的是，高风险ARG（如病毒与病原体相关ARG）在胞外eNA中高度富集，凸显其监测的重要性，研究团队为此构建了一个常态化环境监测平台，成功追踪了ARG热点区域的基线水平与季节性波动规律。

这些研究结果表明，构建的基于表面电位可调材料的高效核酸富集方法，能够满足环境核酸分析日益增长的需求，可拓展应用于生态调查、胞外eNA研究、ARG及病原体筛查和常态化环境监测等领域。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124428