化繁为简,游刃有余-探索核酸提取纯化的底层技术革命

3月18 - 19日，EBC第八届易贸生物产业大会于苏州金鸡湖畔成功召开，本站编辑有幸在北京中生柏奥生物科技有限公司展台了解到了一种全新的核酸提取技术—EchoLUTION™。中生柏奥的郭威博士与我们分享了这项新技术的更多细节。
   
据了解，EchoLUTION™技术是德国BioEcho团队开发的一种基于逆向色谱优化原理的核酸提取技术。不同于传统技术绑定核酸洗去杂质的基本思路，该技术开创性地利用独特的材料和表面处理技术反向过滤，一步过柱，吸附杂质，核酸通过，可快速高效地提取核酸，得率高，同时可保证更高的纯度和完整性，平均片段长度在30K到50K，特别适合二代和三代测序。
 
一步过柱，5分钟提纯
“现在市面上绝大多数都是基于硅胶膜的方法，利用DNA与硅的结合来进行绑定，然后过滤掉杂质后反复地清洗，最后再通过离子置换将DNA洗脱下来，从而获得纯化的产物。这些方法一般都需要七、八个步骤，而EchoLUTION™技术只需要在细胞裂解后进行一次过柱就能吸附所有杂质，仅使核酸通过，从底层原理上与传统方法截然相反。”郭威博士说。“这项技术从底层上颠覆了核酸提取的传统思路，一步就能代替原来的七、八个步骤，以我们的试剂盒来说，通常整个提取过程不超过10分钟，在不牺牲质量的情况，最快5分钟即可完成。而其他方法则普遍需要近半个小时，最快也能缩短至十几分钟，但产物质量往往会大打折扣。”
 
复杂修饰的色谱柱
作为一种反向提取方法，如何将细胞裂解后溶液中复杂的组分快速、彻底地“绑定”并去除是这项新技术的核心之一。据郭威博士介绍，该技术中所使用的柱子是真正的“色谱柱”填充了1厘米左右的色谱填料，其中做了大量的化学修饰，包括物理层面上的无目的吸附，以及针对蛋白质、糖类、糖蛋白、脂类等杂质的特异性吸附，同时填料表面也进行了排斥核酸的特殊处理，可保证核酸的顺利通过。“可以说任何方法都不可能做到100%的核酸纯化，或多或少都会存在杂质，但EchoLUTION™的过柱步骤能够将有可能影响后续过程的杂质全部吸附，也包括一些无意义的核酸碎片，比如50bp以下的DNA片段，所得的产物的质量是非常高的。另一方面，色谱柱排斥核酸的特性也使得所有长片段核酸都能通过，对于痕量样品具有较高的灵敏度。”郭博士补充说。
   
温和的保护性前处理
不仅在纯化原理上，该技术的前处理，也就是细胞裂解机制也与其他方法的完全不同，主要由短暂的温浴震荡裂解和相当温和的离心过程构成，且完全在保护DNA的水相生理条件下进行。离心过程只需要1G，大大降低了对DNA分子的剪切力。更重要的是，整个裂解体系中都不存在传统裂解方法中使用的硫酸胍、盐酸胍等物质。郭博士着重介绍说：“传统方法中，这些用于裂解的物质或多或少地会留存在最终的产物中，而在后续的过程，比如QPCR或者测序中，这些都是阻遏作用的因素。我们的裂解体系完全没有这方面的问题，并且，相比于动辄几万、几十万的离心转速来说，我们产物的平均片段长度更长，对后续过程来说，具有一定的质量优势。”
 
高通量vs 极简化
得益于简单的步骤和操作，EchoLUTION™技术既能朝着大规模、高通量的方向扩大，也能向便携式、快应用的方向缩小。
 
郭博士举例说，在德国，已有不少客户在没有自动化工作站的情况下，仅使用价格在10万左右的96孔移液器就达到了单人一天处理上万个样品，且员工的劳动强度并不高。该方法也能够轻松地移植到各类自动化平台上来实现高通量、自动化的核酸提取流程。“这方面的案例已经有很多了，比如我们为默克和伯林格・英格尔海姆等公司开发了很多应用方案，将我们技术中的核心元件整合到他们的平台中来支持其数量庞大的检测提取工作；对于有些平台来说，也可以直接通过增加正压设备来代替离心步骤，只需要分液、温浴、正压三个步骤就可以实现了。”
 
针对有特定自动化需求的用户，中生柏奥也开发了专门的自动化工作站，配备了机械臂、离心机等功能单元，目前设备和体系仍然在验证中，顶级通量为1536样品。未来还将加入配套的机器视觉系统，可与样本库等系统无缝对接。
 
另一方面，以临场快检为例，比如突发环境污染事件、畜牧疫情爆发等等，只需要简单的加热设备，甚至是暖手宝，就能完成温浴裂解，手动震荡、正压过柱就能得到核酸提取物，结合便携式的快检设备，不到30分钟就能得到结果。相比于采样直扩的检测方法，灵敏度更高，结果更具参考意义。
   
适用广泛，解决难提取样品
EchoLUTION™技术对样品的适应性很强，而且由于底层原理的区别，EchoLUTION™还能够解决很多常规方法提不纯，或者干脆提不出的样品。郭博士分享说“我们曾经帮助北京协和医学院药用植物研究所做过一个中药药材的核酸提取项目，当时有大量的植物样本，无论是磁珠法还是柱法，或者二者结合都提不出来。而我们几乎完成了全部样品的提取。从原理上讲，由于填料对杂质的吸附能力更强，EchoLUTION™对粘稠、多糖多酚或者次生代谢物较多的样品的处理效果也更好。”
 
在应用方面，郭博士表示，目前国内还不多，但在德国已经比较普遍，比如农业、畜牧业以及水产等领域的基因工程和育种研究，已经大范围地应用了这种技术来进行筛选中的提取过程。我国作为这些领域的产业大国，未来的应用前景很广阔。
 
当谈及成本时，郭博士说：“目前由于产品都在德国生产，成本相比其他进口提取方法的优势还不明显，但就像磁珠法一样，随着应用范围的扩展，成本肯定会大幅下降。”
 
最后，郭博士与我们分享了对于提取技术发展的观点，与我们的想法不谋而合——提取技术的迭代速度并没有跟上测序等分析手段的发展。我们也期待EchoLUTION™技术的广泛应用，弥补二者之间的巨大差距。
 
 

北京中生柏奥生物科技有限公司
 
北京中生柏奥生物科技有限公司（Ebaiao）成立于2012年，是一家专注于生物样本前处理、生物样本库（种子库）等领域自动化设备、试剂、耗材、软件（1+3四位一体）的高新技术企业。自成立之初，就依托于国内外高科技创新技术，以产品代理、自主研发相结合的方式为用户提供差异化、便捷化、革新化的解决方案。公司涉足核酸提取相关产品的生产和研发，其中旗舰产品涵盖高通量核酸提取平台、全自动封板机、定位离心机、96移液头、工作站用金属浴；下一代柱法高通量提取试剂盒；微流控芯片；自动化枪头、深孔板等耗材；生物样本库/种子库整体设计咨询、样本储存空间装修改造、管理软件定制服务、高通量自动化设备、液氮罐超低温冰箱储存设备、冻存试剂耗材、样本的冷链运输、以及样本后续研究服务及大数据分析等环节。
 
目前，公司共有员工30多人，合作方数百人。通过线上线下相结合的方式，构建起了互联网、物联网、新媒体、大数据、元宇宙为核心的现代经营生态体系。业务涵盖全国各个大学、科研机构、医院、研发型企业、政府机关，包括： 中国科学院、军科院、医科院、国家实验室、清华大学、北京大学、解放军301医院、协和医院、湘雅医院、复旦大学、中山大学、武汉大学、硕世生物、药明康德等上千家单位 。公司旨在科技创新、技术突破，用新技术新工具赋能用户，为用户需求设计高效解决方案和高品质的产品。
 
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Ebaiao的愿景： 成为中国生命科学领域的创新者，成为中国领先的生物网络渠道平台，成为生物从业者最值得加入的生物公司。