近日，南方科技大学生物医学工程系张博副教授课题组在国际学术期刊《水研究》（Water Research）发表题为“Tunable Surface Potential Nanomaterials for Enhanced Environmental Nucleic Acid Extraction and Surveillance”的研究论文，介绍了一种基于表面电位可调材料（tunable surface potential magnetic nanoparticles, TPMP）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/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。

图1 TPMP方法提取能够从多种环境水样中提取胞内核酸和胞外核酸，助力环境核酸在多种场景下的应用

目前最常用的水环境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，然而大量胞外eNA（e-eNA）——包括游离eNA及病毒eNA——会通过滤膜进入滤液中。研究表明e-eNA携带重要生物信息，包括微生物群落结构和抗生素抗性基因（ARG）等功能特征。滤膜法对e-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。e-eNA因分子量小、浓度低等特点导致其富集更为困难。现有e-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。

针对实际应用需求，项目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100-1000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。对五类真实水样的环境DNA（eDNA）提取实验证明，相比常规方法，该技术对eNA的回收产率提升了1.2-11.8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。

图2 TPMP材料的合成与表征 a）TPMP的设计原理；b）氨基及不同金属配体修饰的磁性纳米粒子示意图；c）修饰后纳米粒子的傅里叶变换红外光谱；d）不同pH条件下与金属离子孵育前后的纳米粒子的Zeta电位变化

图3 基于TPMP的核酸提取方法性能评估 a） TPMP方法的流程；b-e）通过qPCR/RT-qPCR技术对初始溶液、上清液和洗脱液中游离RNA(b)、大肠杆菌(c)、DNA病毒(d)及RNA病毒(e)浓度的检测；f）初始溶液、上清液与洗脱液中DNA片段的凝胶电泳分析；g-h）TPMP与大肠杆菌(g)及DNA病毒(h)孵育后的扫描电镜图像；i-j）TPMP对DNA/RNA的吸附能力(i)与洗脱效率(j)；k）8HQ-MP表面电位切换过程示意图；l-m）切换过程中的表面元素(l)与Zeta电位(m)分析

此外，TPMP方法对胞外eNA（e-eNA）的高效提取帮助揭示其中常被忽视的生物信息与应用价值。本研究通过测序分析发现，e-eNA包含在环境压力下裂解的微生物信息，与细胞内eNA（i-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e-eNA中高度富集，凸显其监测的重要性。基于该方法经济高效、简单快速的优势，研究团队构建了一个常态化环境监测平台，成功追踪ARG热点区域的基线水平与季节性波动规律。这些结果表明TPMP方法能够满足eNA分析日益增长的需求，可拓展应用于生态调查、e-eNA研究、ARG及病原体筛查和常态化环境监测等领域。

图4 基于细胞内外eDNA的病毒-宿主分析（MF：滤膜法过滤水样中的完整细胞中的核酸，主要为胞内核酸；F-TPMP：用TPMP提取滤液中的核酸，主要为胞外核酸；TPMP：用TPMP法提取水样中的核酸，包含胞内核酸和胞外核酸）；a）各测序样本中病毒分类操作单元（vOTU）种类和数量（LW：湖水样本，SW：海水样本，TPE：污水处理厂出水样本）；b） 各测序样本中宏基因组组装基因组（MAG）种类和数量；c-d）不同方法提取样本中病毒和细菌读段（reads）数量的比较（*表示p<0.05，**表示p<0.01，***表示p<0.001）；e）湖水中预测病毒-宿主互作关系的冲积图：左侧色带连接病毒富集方法与病毒分类单元，右侧色带连接病毒与其预测宿主

图5 基于TPMP方法的抗生素抗性基因（ARG）常规监测 a）水环境ARG监测流程；b-c）采样点地理空间分布：(b)污水处理厂出水排放点及(c)校园内四个景观水体采样点；d-e）膜过滤法（MF）与TPMP法在(d)污水处理厂出水排放点及(e)景观水体采样点的ARG分析结果对比；f-j）采样点1(f)、2(g)、3(h)、4(i)和5(j)的ARG长期监测数据

论文共同第一作者为南方科技大学2022级博士生吕嘉晖、2023级硕士生李彤和南方科技大学研究助理教授刘莹，张博、广州医科大学教授邵攀霖为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位，合作单位为广州医科大学、清华大学深圳研究生院以及深圳技术大学。以上研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省先进生物材料重点实验室、深圳市科技计划项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124428

供稿：生物医学工程系

通讯员：肖然

主图：丘妍

编辑：曾昱雯