免磁珠的电流体动力学DNA纯化获NSF超百万美元资助

NSF是美国国家科学基金会，其提供种子基金用以支持由好奇心与发现驱动的研究和以解决方案为导向的研究。

电流体动力学是流体力学和电动力学之间的交叉学科，研究不同流体介质与电场的相互作用，主要涉及场驱动流体流动和运动流体对电场的影响两方面。 

UF（弗罗里达大学）教授 Jason Butler 博士和 Tony Ladd 博士以及他们的四年级博士生和研究助理 Jiayi Wang 基于微流控和电流体动力学开发了无需离心机、磁珠或凝胶即可提取DNA的新技术 Electro-Hydrodynamic Trapping，相关论文发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。

目前常见的的提取方案通常由于离心产生的压力或流动液体拉扯蜷缩的 DNA 分子，容易将 DNA 分子分解成小片段。Butler 和 Ladd 认为他们的微流控方案更温和，可以减少DNA的片段化。

制作微流控芯片的材料是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，又称有机玻璃、亚克力）使用激光蚀刻出较宽的进样槽和收窄的的毛细通道，然后涂上PVP（聚乙烯吡咯烷酮超润滑亲水涂层）。

示意图展示了入口储液罐和出口储液罐（tank）。实验中通过储液罐高度差产生静水压，驱动缓冲液在微流控通道中流动的同时完成与样本的混合，电源会在这个过程中施加电压，磷酸基团让DNA带负电，因此DNA会向正极也就是入口方向移动，在图中标示的红色区域聚集。由于连通器的作用，液面平衡时流动停止。这个微流控芯片并不是一次性的，在每个实验之间，注射泵会以6.9mL/h的流速从进样槽抽取新鲜的缓冲液冲洗通道。

在收缩通道中，流体呈现抛物线速度分布：中心线流速最大，靠近通道壁面的流速趋近于零。这种速度梯度在流体内部形成剪切流。DNA是长链分子，可以简单看作是一条卷曲成团的麻绳，而BSA可以理解为无法伸展的硬球。在剪切流的作用下DNA分子被伸展产生各向异性，表现为不同方向电泳迁移率不同（平行长轴快，垂直慢）。而BSA此时依旧保持球形，表现为各方向电泳迁移率相同。

流体速度分布（抛物线）示意：

中心：  →→→→→ 快速

中间：  →→→   中速

近壁：  ..   ≈0

流体的推力由于剪切流形成的速度梯度导致分子不同部位受力大小不同，使分子两端速度不同形成旋转下沉，而电场力均匀作用域分子的全长，长链分子因各向异性被反向电场力灵敏地推动加速向壁面迁移，而壁面区域流速降低至接近于0的状态，反向电泳持续推动DNA分子在≈0速度区域聚集完成DNA样本的浓缩。剪切流和电场的同时作用实现了选择性抓取DNA分子的同时洗脱BSA（蛋白质）。

图中蓝色为水流方向，橙色为电场方向，绿色为DNA分子，因BSA为球型，呈现各向同性，电场无法推动，因此沿水流方向流向出口完成洗脱。这说明EHM不对蛋白质作用，它需要分子骨架的长度和柔韧，因此具有对DNA的高度选择性。

做一个简单的比喻，逆着河流的方向划船（电场驱动），若船身与水流方向成角度，桨的推力不仅会让船逆流而上，还会使其向侧面漂移（横向迁移）最终停靠在水流较缓的岸边。而球形BSA就是与船只擦肩而过的泥沙。

发表于《Analyst》的研究显示：100 次重复实验中，DNA 回收率稳定在 34-50%，设备无衰减，提取时间为15~20分钟，提取纯度与化学洗涤试剂盒相当。若单个样本运行时间超过40分钟时会发生逃逸现象，DNA浓度出现下降。

目前Jason E Butler已经作为首席技术官和Ryan J Montes首席执行官联合成立MicroPure Genomics公司。该公司于2023年获得美国国家科学基金会第一阶段SBIR资助274,199 美元和2025年美国国家科学基金会第二阶段SBIR资助1,250,000美元。这笔资金将用于加速第一个提取设备 μPrep的工程验证以便与关键意见领袖和领先的基因组研究组织进行试点部署。

这项技术对外围设备要求较低，无需离心机和磁体，创始人希望Electro-Hydrodynamic Trapping 能提供更高质量的数据、更高的可重复性和更低的成本。

 在中国，用于PCR实验的磁珠法提取试剂在自动提取仪上最快可8分钟完成提取。而用于建库的试剂盒所需时间较长，在自动建库工作站上也需要数个小时才能完成建库。一家试剂公司的在线销售网站显示一份96T规格的建库试剂盒价格为18590人民币，单测成本≈194人民币/T。

这项MicroPure Genomics公司的Electro-Hydrodynamic Trapping技术目前的50%回收率也许还有提升的空间，如果未来能方便地融入建库流程，比如在一个kit中直接完成从前处理到上机的全部流程而中途不需要任何人工干预，那么结合其速度和片段完整性的优势将是一项非常有潜力的技术。

 

参考资料：

《lectro-hydrodynamic migration drives the concentration of DNA 》

《lectro-Hydrodynamic Extraction of DNA from mixtures of DNA and Bovine Serum Albumin》

美国国家科学基金会官方网站