[高分子材料] 天津大学仰大勇课题组- 生物高分子-质粒DNA复合微球应用于环境水文多污染源示踪
水热法制备磁性微球及其在植物基因组DNA提取分离中的应用
水热法制备磁性微球及其在植物基因组DNA提取分离中的应用杜鲜;孙培培;张虹;张富昌;石峰【摘要】[目的]建立一种适用于多种植物组织快速提取基因组DNA的方法。
[方法]以水热反应制备出Fe3 O4磁性纳米微球,并对其粒径、形貌、磁学性质等进行表征分析,并以此作为核酸提取载体,对多种新疆特色经济作物和植物的叶片、根、茎、籽粒等组织进行DNA的提取分离,并优化分离纯化过程的各环节。
[结果]通过OD260紫外吸收值的检测、琼脂糖凝胶电泳,结果显示,用该方法纯化得到的植物基因组DNA纯度高、完整性好,能够满足下游分子生物学操作对基因组DNA质量的要求。
[结论]建立了一种简便、快速、普适的从多种植物组织中获得高产量和高纯度的基因组DNA,为全自动化、规模化提取DNA提供了理论和实践基础。
%[ Objective] The aim was to establish a method for rapidly extracting genomic DNA from several kinds of plant tissues. [ Method] Fe3 O4 magnetic nano-microsphere was prepared by solvothermal synthesis, the surface features of particle size, morphology, magnetic proper-ties were analyzed. With Fe3 O4 magnetic nano-microsphere as nucleic acid extraction vector, DNA of leaves, roots, stems, grains and other tissues of several kinds of Xinjiang special economic crops and plants were extracted and seperated;links of purification and seperation process were optimized. [ Result] Through detection of OD260 UV absorption value, agarose gel electrophoresis, the results showed that the obtained genomic DNA with high purity and integrity can meet the requirements of the downstream molecular biology operation. [ Conclusion] A simple and rapid method forobtaining high yield and high quality genomic DNA from several kinds of plant tissues is established, which will provide theoretical and practical basis for automation and large-scale extraction of DNA.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2016(044)013【总页数】5页(P149-152,170)【关键词】磁性纳米微球;水热法;基因组DNA;纯化;植物组织【作者】杜鲜;孙培培;张虹;张富昌;石峰【作者单位】石河子大学生命科学学院，新疆石河子832000;石河子大学生命科学学院，新疆石河子832000;石河子大学生命科学学院，新疆石河子832000;石河子大学生命科学学院，新疆石河子832000;石河子大学生命科学学院，新疆石河子832000【正文语种】中文【中图分类】R318.08随着植物分子生物学的快速发展，用简便、快速、普适的方法从多种植物组织中获得高产量和高品质的基因组DNA，是核酸提取需要解决的关键问题[1]。
用于软骨修复的水凝胶 - 浙江大学高分子科学与工程学系
骨移植 。虽然这些方法成功地减轻了患者的痛苦 、 提高了软骨的功能 ,但是上述方法存在供体来源不 足 、手术过程复杂 、排异 、修复的软骨缺乏天然软骨 结构等缺点 。这些缺陷甚至可能阻碍这些治疗方法 在临床上的长期应用[3] 。
随着组织工程和再生医学技术的出现和逐步完 善 ,软骨修复技术出现了新的选择 。事实上 ,软骨修 复也是组织工程技术的最成功范例之一 。采用组织 工程技术修复软骨的过程一般是 :将体外分离扩增 的软骨细胞和生长因子或生物活性物质复合 ,然后 导入某种支架 ,再通过手术或微创注射的方法修复 缺损的软骨[4] 。除了种子细胞和活性因子外 ,支架 材料对于修复的软骨的质量起到至关重要的作用 。 除具有良好的机械物理性能外 ,更重要的是支架需 提供适于软骨组织再生的微环境[4] 。目前 ,已有包 括多孔支架 、纤维支架 、水凝胶和微载体在内的多种 结构的支架被用于软骨修复的研究和应用 。不同种 类的支架对软骨细胞的功能产生不同的影响 。由于 软骨细胞属于锚着依赖型细胞 ,它们在多孔支架和 微米纤维支架中需黏附在这些材料的表面才能生 长 ,通常呈现出铺展的扁平样形态[5] 。然而 ,软骨细 胞在纳米纤维支架和水凝胶支架中则成圆形或椭圆 形形态[5] ,这与其在天然软骨基质中更为接近 ,因而 更有利于维持软骨细胞的正常表型 。有研究表明 , 生长状态呈圆形或椭圆形的干细胞更倾向于向软骨 细胞分化[5] 。此外 ,水凝胶支架的水溶液环境更有 利于保护细胞以及易失活的药物如多肽 、蛋白质 、寡 聚核苷酸和 DNA 等 ,也有利于运输营养和细胞分泌 产物等 。由于水凝胶可以在一定条件下保持流动状 态而在外部物理或化学刺激下形成具有一定形状和 强度的体型材料 ,因此可以利用这种智能性来制备 注射型支架 ,发而 ,水凝胶也有机械强度 低 、消毒比较困难等缺点[6] 。近年来在水凝胶及其 复合物修复软骨方面已经取得了较大进展 ,并显示 出了良好的应用前景 。
DNA信息存储中关键生化方法的研究
与传统存储介质相比，DNA 凭借保存时间 长 、 ［1-2］ 存储密度高 、 ［3-4］ 易复制等优势，为大规 模的数据备份提供了可能 ， ［5-7］ 并有极大的潜力成
为新一代存储和检索数据的介质 。 ［8-9］ DNA 信息 存储的发展已有 50 多年的历史，发展史如图 1 所 示 。 ［10-27］ 早 在 20 世 纪 60 年 代 ， 由 计 算 机 科 学 家
收稿日期：2020-11-30 修回日期：2021-02-08 基金项目：国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项 （2020YFA0712104）；国家自然科学基金 （21778039 和 21621004） 引用本文：郜艳敏，唐梦童，刘倩，乔宏艳，王桃雪，齐浩 . DNA 信息存储中关键生化方法的研究［J］. 合成生物学，2021，2（3）：384-398 Citation： GAO Yanmin，TANG Mengtong，LIU Qian，QIAO Hongyan，WANG Taoxue，QI Hao. The pivotal biochemical methods in DNA data storage［J］. Synthetic Biology Journal，2021，2（3）：384-398
Synthetic Biology Journal 2021，2（3）：384-398
特约评述
2021 年 第 2 卷 第 3 期 |
DOI: 10.12211/2096-8280.2020-085
DNA 信息存储中关键生化方法的研究
郜艳敏，唐梦童，刘倩，乔宏艳，王桃雪，齐浩
第 2 卷
385
oligo pool, we have summarized the causes of biochemical problems such as heterogeneity of oligo copy number, mutation, and DNA decay in the process of microarray DNA synthesis, storage and amplification. And we have summed up a series of biochemical methods developed to address these problems, from oligo synthesis to amplification. These methods include improved synthesis process, adjusted chemical process parameters, modified oligo pool normalization method, optimized PCR condition, variant PCR (emulsion PCR) and novel isothermal amplification (strand displacement amplification). In addition, some measures should be taken in the encoding strategy to mitigate the oligo copy unevenness and aid the error correction. Moreover, we have proved the feasibility and efficiency of these biochemical methods in reducing the abovementioned problems in DNA data storage. Finally, we have discussed and analyzed the challenges in the existing DNA data storage. With the development of biotechnology and strategies of encoding and decoding, we believe that these bottle-neck issues will be solved and DNA data storage will be applied in real-world application in the near future.
烷基化壳聚糖纳米微球的制备及其XPS光谱分析
2 实验部分
2.1 原材料与仪器 壳聚糖 (山东海得贝公司)，脱乙酰化度 90%，平均分子量 8500；透析袋 (鼎国生物技
术有限公司)，D36mm，截留分子量 6000~8000；氯代十六烷 (上海医药公司)，化学纯； 氯代十二烷 (上海化学试剂三厂)，化学纯；溴代正辛烷 (军事医学科学院药材供应站)，化 学纯；溴代正丁烷 (常州市光明生物化学研究所)，分析纯；其余试剂均为分析纯。
3 南开大学功能高分子材料教育部重点实验室，高分子化学研究所，天津 300071
摘要：在碱性条件下通过卤代烃的 N-烷基取代反应制备得到烷基壳聚糖衍生物，红外光谱表 明，烷基取代反应主要发生在壳聚糖的氨基上，并通过 x 射线光电子能谱测试定量分析了烷基 在壳聚糖各个官能团上的分布。动态光散射研究表明，该衍生物在水中可自动形成粒径在 10nm~200nm 范围的纳米微粒。 关键词：壳聚糖；烷基壳聚糖；纳米微球；X 射线光电子能谱 中图分类号：TQ425 文献标识码：A
都以污染物为内标物，以其 C1s 在 285.00eV
5000
的结合能为标准，对样品的所有吸收峰进行电
荷校正[14]，由于本文是用饱和烷烃对壳聚糖进
4000
行改性，最终在壳聚糖分子中引入主链为 C-C
3000
C/S
键的取代基，因此亦采用以饱和烷烃污染物为
2000
1
内标的方法对所有样品的 XPS 谱图进行电荷
编号 12Fra bibliotekTable 3 N1s XPS Spectroscopy Result of Chitosan
可能的键合情况
结合能 (eV)
半峰宽 (eV)
C－N*
401.03
3.0989
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天津大学仰大勇课题组: 生物高分子/质粒DNA复合微球
应用于环境水文多污染源示踪
2020-06-27
近期，天津大学化工学院仰大勇教授课题组在化学工程
与技术学科国际权威期刊《
Chemical Engineering
Journal
》上发表关于DNA示踪剂在环境水文污染源示
踪方面的最新成果。该研究以质粒DNA为模板，采用生
物高分子进行物理保护，并添加磁性纳米颗粒增强其回
收能力，所制造的DNA示踪剂具有极高的检测灵敏性和
特异性，为环境水文多污染源的示踪提供了新思路。相
关成果已申请中国发明专利，并在河道污染源探测中进
行示范应用。天津大学化工学院博士后廖人宽、硕士研
究生张姣姣和硕士研究生李涛涛为共同第一作者。该研
究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助
支持。
图 1. 聚乳酸/质粒DNA复合微球示踪剂的制造、应
用和检测过程
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近年来，污染物肆意向环境水体中排放，严重污染了水
资源，对生存环境和健康造成重大威胁。不同水体之间
通过渗流、抽提、灌溉等复杂水文地质过程和人为活动
发生相互交换，导致水环境中污染源的识别极为困难，
加大了水环境保护的难度。示踪系统可定位污染源，但
传统示踪剂（如卤化物）存在诸多问题和局限。比如，
天然示踪剂会与环境水体中的背景值相混淆；人造示踪
剂虽克服了环境背景值的影响，但种类有限，难以进行
多污染源示踪；应用多个示踪剂时，运移特性和降解速
率难以统一控制；当示踪剂应用于大尺度流域时，浓度
太稀会导致测试困难，而投入较高浓度的示踪剂则可能
会对环境造成潜在的污染和破坏。
DNA是存储和编码基因信息的重要生物大分子。从化学
角度来看，DNA的分子结构具有可设计性、多样性和多
功能性等优点。这些特性使得基于DNA分子来构建示踪
系统能够克服传统示踪系统存在的不足。例如，DNA分
子序列组合具有数量无限且独立可彼此区分、无环境背
景值影响、检测灵敏度高、运移和降解特性一致等诸多
传统示踪剂所不具备的优点，并且环境友好，十分适合
于研究复杂水文地质条件下的多污染源识别难题。
基于DNA分子的上述特性，他们以质粒DNA分子为模
板，通过大肠杆菌扩增DNA，以廉价的方法获得了大量
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目标DNA。在此基础上，进一步添加磁性纳米颗粒以增
强在水环境中应用的回收率（借助磁性回收装置）。最
后将质粒DNA和磁性纳米颗粒包裹在生物高分子（聚乳
酸）中进行物理保护。聚乳酸形成的微球漂浮在水面，
避免了示踪剂沉入水底，起到了很好的浓缩效果，且方
便收集。DNA示踪剂在极端环境条件（高温、高盐、高
紫外线和降解酶）中仍然能够发挥示踪作用。通过聚合
酶链式扩增反应，不同示踪剂之间彼此可区分且检测灵
敏度极高，理论上，收集到单个微球，即可准确检测出
信号。最后，通过模拟试验，提出了DNA示踪剂在真实
环境场景中的应用策略。该DNA示踪系统对于促进环境
示踪技术的发展起到了积极的推动作用，有望应用于环
境水文过程表征和水土环境评价及保护等领域。
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料、表征技术、车用高分子、发泡、聚酰亚胺、抗菌、
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