DNA磁珠纯化技术的历史和发展

DNA磁珠纯化是一种简单而可靠的DNA分离方法。

这种DNA纯化方法有着广泛的应用。事实上，基因组测序和分子分析已经成为生物研究中不可或缺的一部分，以至于现在它们几乎是在高级期刊上发表工作的必要条件。

在科学研究之外，DNA磁珠纯化也是刑事司法系统中法医分析，以及临床分子检测基础。这需要有能力从各种组织中快速提取和纯化高质量的DNA和RNA。在这种需求的驱动下，DNA磁珠纯化技术也得到了迅猛的发展。

自从Friederich Miescher在1869年进行了第一次DNA提取以来，我们对遗传物质的了解已经大大增加。第一次提取导至了一个简单的发现，即细胞内存在一种从酸性溶液中析出并溶解于碱性溶液的物质。此后，直到1953年，DNA的完整结构才被揭开。此后不久，分离核酸的标准实验室程序开始出现，但现代用于DNA纯化的方法是什么？

核酸分离和纯化包括三个基本步骤：

➤ 破坏（或裂解）细胞

➤ 去除蛋白质和污染物

➤ 回收DNA

细胞的破坏是一个机械过程，组织通常被冷冻在液氮中，并被粉碎，以打破宏观结构并使细胞壁破裂。然后将这种组织浆液与溶剂和盐类混合，以洗掉不需要的蛋白质、禁用DNAses，并将DNA收集到可用的溶液中。最后，使用苯酚-氯仿有机溶剂将DNA浓缩在亲水相中。然后，这种亲水溶液可以被收集、离心和洗涤，直到回收纯净的DNA。

早期的方法是将DNA收集在试管底部的颗粒中，然后将其溶于水并收集。为了提高产量和简化实验室之间的协议，开发了固相系统。目前，使用溶剂和固相柱组合的商业试剂盒被广泛用于分离和纯化DNA和RNA [2]。

这种方法使用专有的柱子，在隔离试剂盒中商业化销售，这些柱子由硅石基质、玻璃颗粒、硅藻土或阴离子交换树脂制成。DNA或RNA会与柱子相结合，而蛋白质和污染物则用离心机用乙醇洗掉。重复这一过程，最后用水收集剩余的核酸。

由于这些商业试剂盒的广泛供应和成本低廉，DNA分离是相对容易、快速和标准化的。然而，这个过程仍然需要许多缓冲剂、溶剂、昂贵的离心机、实验室空间和时间来完成。

所以，对提高这一过程效率的需求导至了DNA磁珠纯化方法的发展。在过去20年中，纳米技术的进步使磁珠DNA提取成为一种可行的、越来越有吸引力的核酸纯化方法。DNA磁珠纯化不需要柱子或离心机，并使该过程能够自动化。

磁珠是一组均匀的颗粒，直径为500纳米到500微米之间，用磁性材料制成的。这些磁性材料通常是含有磁铁矿纳米颗粒的复合材料。在有外部磁铁的情况下，这些颗粒会被磁化，从而使它们容易被操纵。

第一个磁珠专利，「使用磁性颗粒进行DNA纯化和分离」，于1998年获得美国专利局的批准。这种早期的磁分离技术使用了由涂有硅烷的氧化铁核心组成的颗粒。然后颗粒的表面与含有游离羧酸的分子结合，这些分子又与DNA或RNA结合。

盐的浓度决定了官能团和核酸之间的结合强度，这使得可控的可逆结合成为可能。在正确的盐浓度下，核酸会与磁性颗粒结合。接下来，一个磁铁被放置在含有溶液的管子外面，以创造一个强大的外部磁场。与核酸结合的磁性颗粒被吸引到磁场中，并「粘」到管子的外边缘。

另一种技术是在管子的底部使用一块磁铁来吸引颗粒向下。在这两种情况下，在交换不需要的溶液和洗去污染的蛋白质时，磁场都被保持。洗涤步骤结束后，DNA或RNA用洗脱缓冲液从磁珠中释放出来，留下纯净的样品准备进行定量和分析。

近年来，对专利的DNA磁珠纯化方法的修改已经被开发出来。现在的磁珠可以由嵌入氧化铁「颜料」的合成聚合物制成，或由金属核心的氧化铁包覆聚合物表面以实现功能性。这些均匀的颗粒可以被涂上功能基团，也可以不被涂上。

一些功能涂层通过静电相互作用（带正电的胺或咪唑分子）起作用，而另一些则通过盐或pH值介导的吸引力起作用（二氧化硅和羧基）。通过将目标寡核苷酸引入磁珠表面，可以进行更具体的DNA（或RNA）分离。这些目标寡核苷酸对于提取ssDNA或RNA的特定序列很有用。

在使用半自动或全自动系统时，DNA磁珠纯化对依赖离心机的分离技术是一个明显的改进。这些系统在需要快速纯化许多样品时使用。

在没有DNA磁珠分离的情况下，需要将样品移入和移出离心机的效率很低，而且会增加分析时间。相比之下，使用磁性颗粒可以使试管在整个过程中保持在一台机器中。

磁珠被用来在广泛的不同情况下纯化DNA，具体包括：

➤ 质粒DNA分离

磁珠用于从粗制的提取物中分离质粒DNA。这可以通过精心优化的溶液将质粒DNA从基因组DNA和蛋白质中分离出来，然后让质粒DNA与磁珠结合并将其引入磁场中。

➤ 基因组DNA分离

磁珠还可用于从蛋白质中分离基因组DNA，从粗提物中分离RNA。溶液中盐分、pH值和电荷的优化意味着只有基因组DNA能与磁珠结合，然后可将其置于磁场中进行分离。

➤ DNA片段分离

有许多类型的DNA分离试剂盒可供选择，包括DNA片段的分离。DNA片段可能需要为下一代测序协议进行分离，在这种情况下，可以用能选择分子大小的磁珠来分离片段。

➤ 磁珠使DNA纯化变得简单

随着科学家们越来越深入地挖掘可观察表型的复杂分子基础，DNA磁珠纯化技术的易用性和可扩展性将越来越有用。遗传分析和操作是未来的方向，而使用磁铁分离纯的DNA和RNA将有助于加快发现的步伐。