提纯你的DNA样本，很急、很关键！

在分子生物学实验中，提纯DNA样本是十分常见的步骤。纯净无杂质的DNA有助于下一步或几步实验的发生和成功。有时候DNA是直接从细胞提取出来的、有的时候要用到从PCR反应中来的DNA、或是在酶切反应后来的DNA；那么就有可能携带细胞裂解时的碎片、残留的蛋白质、或是残留的盐溶液。这些物质有可能影响到下一步的反应，所以需要被清除掉以获得纯净的DNA。小编在这里介绍四种提纯DNA的方法供大家讨论。

苯酚和氯仿是常见的有机溶剂，一般可以用来将蛋白杂质从DNA样本里去除。基本原理是，有机溶剂会使杂质蛋白变性，并将杂质蛋白留在有机溶剂层，而DNA分子是有水溶性的，所以会进入水溶液层【1】。这样DNA和杂质蛋白就被分开了。这个方法的好处是便宜有效，特别是在提取基因组DNA时，要去掉许多从细胞裂解液中带来的蛋白，苯酚法十分好用但苯酚和氯仿是有毒溶剂，而且有可能会残留在提纯过后的DNA样本中，对后续反应造成影响。

苯酚抽提的基本步骤

• 将同体积的苯酚和（DNA+蛋白）混合物溶液混合；
• 苯酚和水溶液不互溶，所以分层，水层在上，苯酚层在下。快速震荡，让两层充分混合；
• 静置让两液层分开，分离水层，在水层中得到的应该是大量的DNA和可能少量的蛋白质。

苯酚抽提基本原理

最核心的原理是水和苯酚作为有极性差异的溶剂，对DNA和蛋白质有不同的溶解能力。因为水分子中的氧原子有更强的电负性，共用电子对向氧原子偏离，产生了看似略带负电的氧原子端和略带正电的氢原子端，所以我们说水是很有极性的溶剂（如下图）。苯酚也有极性，但不像水分子那么明显，因为苯环也有电负性，所以苯酚的氧原子并不能太强吸引周围的电子（如下图）。

有一点我们是清楚的，DNA可溶于水，原因就是DNA也是有极性的分子（如下图，DNA分子的糖–磷骨架上的磷酸基团是带负电的）。对于一物质是否水溶，我们基本可以总结出：有极性（polar）=亲水性（hydrophilic）=可溶；无极性（non-polar）=憎水性（hydrophobic）=不溶。

还有一点我们也是清楚的，细胞液环境是水环境，里面到溶解着各种蛋白质。蛋白质作为长链氨基酸，在形成有效结构的时候，外表面多是有极性的亲水类氨基酸（如谷氨酸、Glu；赖氨酸、Lys和组氨酸、His），内核多是没那么有极性的憎水类氨基酸，所以能够稳定的存在于水溶液中。

但是，在苯酚抽提法中，蛋白质在水中的溶解度被改变了。水溶液作为极性溶剂，导致了蛋白质的极性氨基酸在外，而没那没有极性的氨基酸在内；苯酚的到来，使得这些没那么有极性的氨基酸有了出头之日，他们被翻了出来，而那些有极性的氨基酸则被塞进蛋白质内核，以适应苯酚溶剂（基本原理如下图所示）。这样一来，变性的蛋白进入苯酚层，DNA则停留在水层。这也是为什么，有机溶剂会让蛋白质变性，因为不可逆地破坏了蛋白的整体结构。

苯酚抽提的过程和蛋白质变性原理

乙醇沉降法其实就是一种盐析方法。盐阳离子（一般是Na⁺、醋酸钠盐）和70%的乙醇加入到DNA样本中后，阳离子与带负电的DNA骨架相互作用，从水分子那里将DNA抢夺出来，而乙醇改变了DNA的结构，使得DNA聚合最终沉降【2】。这个方法的好处也是便宜有效，但十分费时，而且乙醇也有可能被带入下一步反应中。

乙醇沉降法基本步骤

将盐溶液和乙醇与DNA溶液混合后，DNA会被析出形成固体，经过一定时间的离心沉淀，DNA就可以从混合溶液中分离出来。最后使用冷的70%乙醇冲洗DNA沉淀，最终获得纯净的DNA沉淀。DNA沉淀在静置晾干后可以直接溶于水溶液（如下图）。

乙醇沉降法基本原理

首先，我们要了解的是DNA分子为什么可以溶于水。作为极性分子，水分子可以被看成氧原子带部分负电，氢原子带部分正电，因此可以很好的稳定住带负电的磷酸基团。

那么，当我们向DNA水溶液中加入盐溶液（一般常用乙酸钠）时，带正电的 Na+ 会和水分子竞争去接触负电磷酸基团的机会，一旦Na+ 抢夺到了DNA分子的磷酸基团，DNA分子就不那么受水分子喜欢，所以就变得有憎水性，可以从水分子中析出。

既然 Na+ 和DNA分子接触后可以看成是有了憎水性，而我们想让这个憎水性更强，乙醇就在这时发挥作用。 Na+ 和PO3- 两基团是在动态碰撞中相互接触，并不会像共价键似得结合在一起，所以Na+ 和PO3- 之间的接触机会是由阻挡在他们之间的溶剂决定的，电容率高的水分子比电容率低的乙醇分子更容易也更喜欢阻挡Na+ 去寻找PO3- 。所以试想一下，如果我们是Na+ 和PO3-，肯定更喜欢待在乙醇环境中。因此环境改变，使得DNA分子的憎水性更强。

最后一步就是使用冷乙醇冲洗掉任何残留的盐，保证DNA的纯净度。当然，在了解过大致原理以后，我们还是有很多事项要注意，比如盐的使用、乙醇好还是异丙醇好、用多大量的乙醇等。

最常见的就是市面上各种PCR purification kit、mini-prep kit和gel extraction kit。只有被离液盐扰乱了氢键的DNA分子可以被吸附在硅胶模上，最后可以被低盐溶液析出。这个方法的优势就是快速高效，可以一次处理大量不同的DNA样本。不足之处就是成本略高。

基本原理如下图所示。在高盐环境中，盐阳离子打破硅胶负氧根和水之间的氢键，使得整体的硅胶携带正电，正好吸引携带负电的DNA分子。当DNA分子附着在硅胶上时，洗涤液可以将不能与硅胶结合的杂物分子洗掉。然后，使用低离子强度的缓冲液或者水，可以将DNA洗脱出去。加热过的洗脱液（<50°C）可以加速DNA从硅胶膜上脱离下来。不同的硅胶由于制作方法不同，会拥有不同的膜孔大小，所以可以拦截吸附不同长度的DNA分子。

这个方法的主要原理是，在携带正电的磁珠和DNA分子特定结合后，磁珠被固定在磁极上，DNA样本中的其他杂质在此时被移除，而后使用高pH的洗出液使得磁珠带负电，因此DNA分子又会脱离磁珠，被洗出。Thermo Fisher公司出的ChargeSwitch 就是用磁珠吸附法来提纯DNA的。

Reference:

【1】Kirby, K. S. (1957). A new method for the isolation of deoxyribonucleic acids: evidence on the nature of bonds between deoxyribonucleic acid and protein. Biochemical Journal, 66(3), 495.

【2】Eickbush, T. H., & Moudrianakis, E. N. (1978). The compaction of DNA helices into either continuous supercoils or folded-fiber rods and toroids.Cell, 13(2), 295-306.

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