新型疏水性磁性离子液体选择性分离纯化DNA及机理研究

A comprehensive analysis of DNA is a foundational task for research in molecular biology and life science. It requires very high purity of DNA samples. However, the purification process of DNA is extremely complicated. Therefore, developing a novel separation/purification method, which can be highly efficient, selective, environment friendly and easily operated, are very important in DNA related applications. The key to the development of such technique is to design a novel media for selective DNA separation. Ionic liquids, as green extraction solvent, are ideal separation medium. But the viscosity of ionic liquids is very large, which makes it difficult to be separated. Magnetic ionic liquids are functionalized ionic liquids with strong paramagnetism and are expected to solve this problem of traditional ionic liquids. The proposed project will synthesize a series of new hydrophobic ionic liquids and investigate their promising capability in selectively separating DNA from complex samples. The interaction between DNA and ionic liquids and their binding mechanism will be systematically analyzed, to explore the insights of DNA separation/purification from a molecular perspective. The success of this project will provide important reference to future development of novel purification technique for all biomacromolecules.

基于DNA的分析是分子生物学和生命科学研究的基本任务，其对DNA样品的纯度要求非常高。然而，DNA的纯化分离过程十分复杂。建立高效、高选择性、绿色环保、操作简便的复杂生物/环境样品中DNA的纯化分离方法具有重要意义。分离纯化方法的发展依赖于新型分离介质的开发。离子液体作为优良的绿色萃取溶剂是理想的介质材料，但其粘度大难分离也是普遍认为存在的问题。磁性离子液体是具有较强顺磁性的新兴功能化离子液体，预期能解决传统离子液体的这一问题。本项目将在前期研究基础上，开发一系列新型的疏水性磁性离子液体，对其进行结构性能研究，进而用于实际复杂样品中DNA的纯化分离分析。通过对磁性离子液体与DNA的相互作用和缔合特征进行系统性解析，探索DNA纯化分离的内在机理，为复杂样品中DNA的纯化分离提供一定的理论和研究基础，也为生物大分子的快速分离富集提供新材料。

建立高效、高选择性、绿色环保、操作简便的复杂生物/环境样品中DNA的纯化分离方法具有重要意义。分离纯化方法的发展依赖于新型分离介质的开发。离子液体作为优良的绿色萃取溶剂是理想的介质材料，但其粘度大难分离也是普遍认为存在的问题。本项目在此背景下研制了一系列不同阴/阳离子结构的疏水性磁性离子液体，其热稳定性好、磁响应强、疏水性佳，能在水溶液中被普通外加磁铁于几秒钟内吸附，适用于亲水性样品（如生物样品或环境样品中的DNA）的纯化分离，解决了传统离子液体在萃取应用中难分离的问题，为离子液体的功能化提供了新思路。基于磁性离子液体，本项目建立了磁性离子液体-分散液滴萃取法、磁性离子液体-涡旋辅助萃取法、磁性离子液体-石墨烯固相萃取法、磁性离子液体-机械振动萃取法等一系列新型提取方法用于DNA的纯化分离，这些方法操作简便、萃取速度快、萃取率高、对DNA的选择性高，能从不同的复杂/实际样品中提取出高纯度的DNA，提取效果可与商用试剂盒媲美，却比其更便捷。萃取后，DNA能从离子液体中重获，利于下游应用，而磁性离子液体则可以回收重复利用，绿色环保。实现了DNA的选择性萃取后，本项目进而研制了一种寡核苷酸修饰的疏水性磁性离子液体，能识别并特异性提取特定序列的DNA，即“指哪提哪”。提取后只需要一块普通外加磁铁即可分离回收DNA和离子液体，该离子液体已成功应用于不同水环境中eDNA的特异性提取分离。离子液体上的寡核苷酸链可根据目标DNA序列的不同而进行设计更换，为离子液体的功能化提供了新方向，也为DNA的特异性提取提供了新材料和新方法。由于萃取DNA后不能将DNA从萃取材料中回收是阻碍较多新型萃取方法实际应用的一大问题，因此本项目建立了一种DNA的快速回收法，仅需两分钟便可将DNA从离子液体中反萃取出来，便于下游应用。此外，本项目系统考察了DNA纯化分离过程中的各种影响因素，分析了离子液体与DNA的相互作用与结合方式，可供新型DNA萃取方法的开发及萃取条件的优化作一些参考。