Features of DNA Sorption by Magnetic Nanoparticles Coated with Aminofunctionalized Silicon Dioxide from Whole Blood
- Authors: Yakobson D.E.1, Zharkov M.N.1, Akopyan R.G.1, Poletaeva A.S.1
-
Affiliations:
- Federal Center for Biothechnology and Medicine Advancement
- Issue: Vol 14, No 1 (2026)
- Pages: 74-87
- Section: Technical Sciences
- Submitted: 10.11.2025
- Accepted: 01.12.2025
- URL: https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/350488
- DOI: https://doi.org/10.15507/2311-2468.014.202601.074-087
- EDN: https://elibrary.ru/qkkgio
- ID: 350488
Cite item
Full Text
Abstract
Introduction. Magnetic nanoparticles based on iron oxide (Fe3O4) occupy a special place in modern biotechnology, in particular for DNA isolation. Methods using them are faster, simpler, and easier to automate than classical approaches. In conditions of shortage of imported reagents, the demand for the development of domestic analogues of magnetic nanoparticles is increasing. The aim of the study is to develop a technology for the synthesis and modification of magnetic nanoparticles that ensure effective isolation of DNA from whole blood.
Materials and methods. Magnetic Fe3O4 nanoparticles of spherical morphology were obtained by hydrothermal method. To impart sorption properties, the particles were coated with silicon dioxide (SiO2) or aminofunctionalized silicon dioxide (SiO2–NH2). The obtained particles were characterized using Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray energy-Dispersive X-ray (EDX), Dynamic Light Scattering (DLS) and BET (Brunauer-Emmett-Teller) methods. The sorption capacity of the nanoparticles and the integrity of the isolated DNA were determined spectrophotometrically and by electrophoresis.
Results. TEM and DLS analysis showed the spherical morphology of the resulting magnetic particles with a narrow size distribution. Fe3O4@SiO2–NH2 particles demonstrated maximum sorption capacity, surpassing both pure SiO2 coated particles and their commercial counterparts. At the same time, all synthesized particles provided a high-quality drug with DNA extracted from the blood.
Discussion and conclusion. Particles for DNA separation of spherical morphology with a multilayer coating based on SiO2 have been developed. The advantage of functionalized particles over their commercial counterparts in terms of sorption efficiency is shown. The results obtained confirm the prospects of using the developed magnetic particles in commercial kits for the isolation of nucleic acids from whole blood, which can replace foreign analogues for diagnostic and research purposes.
Full Text
Введение
Магнитные наночастицы на основе оксида железа (Fe3O4) занимают особое место в современной биотехнологии благодаря уникальному сочетанию магнитных свойств, биосовместимости и возможности функционализации поверхности. Одним из наиболее востребованных направлений их применения является выделение ДНК из биологических образцов. Методы с их использованием быстрее, проще и легче автоматизируются, чем классические подходы, включающие центрифугирование, осаждение и фильтрацию.
В условиях дефицита импортных реагентов повышается спрос на разработку отечественных аналогов магнитных наночастиц. Перспективными подходами к созданию таких сорбентов являются покрытие магнитного ядра диоксидом кремния, а также его дополнительная функционализация аминогруппами, что позволяет расширить диапазон условий сорбции и повысить эффективность выделения нуклеиновых кислот.
Цель исследования – разработка технологии синтеза и модификации магнитных наночастиц с контролируемыми физико-химическими свойствами, обеспечивающими эффективное выделение ДНК из цельной крови.
Обзор литературы
В настоящее время магнитные частицы на основе оксида железа привлекают большое внимание в научно-исследовательских работах благодаря уникальным магнитным свойствам, различной морфологии и размерам, монодисперсности, возможности функционализировать поверхность и биосовместимости [1; 2]. Магнитные частицы применяются в гетерогенном катализе [3], для доставки лекарств [4], в качестве сорбентов металлов [5], очистке ДНК/белков1 [6–8] и магнитно-резонансной томографии (МРТ) [9]. В зависимости от решаемых научных задач уделяется внимание структуре самих частиц и их поверхностному покрытию [10; 11].
Выделение ДНК из крови и других биологических образцов является ключевым этапом исследований в области медицины и молекулярной биологии. В настоящее время использование различных твердофазных носителей, среди которых большее применение нашли магнитные частицы, для выделения ДНК становится все более привлекательным из-за простоты обращения с ними и низкой стоимости [12–14].
Магнитные частицы позволяют качественно выделять ДНК из исходного образца без лишних примесей, которые могут препятствовать последующим анализом полимеразной цепной реакции. Кроме того, применение магнитных частиц исключает использование экологически вредных растворителей [15].
Метод магнитной сепарации ДНК обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами, которые включают трудоемкие этапы центрифугирования, осаждения, сушки или фильтрации. Морфология и поверхность магнитных частиц являются главным факторами для выделения ДНК.
Среди различных типов магнитные частицы, покрытые диоксидом кремния (SiO2), особенно широко используются для выделения ДНК благодаря большому количеству OH-групп на их поверхности2. Поверхность диоксида кремния адсорбирует ДНК тремя механизмами при добавлении хаотропной соли (гуанидина гидрохлорида) к смеси: (1) экранированные межмолекулярные электростатические силы; (2) дегидратация ДНК и поверхности SiO2; (3) образование межмолекулярных водородных связей3. Адсорбированная на поверхности ДНК может быть высвобождена добавлением Трис-ЭДТА буфера или воды, которые изменяют хаотропную солевую среду. Аналогичный механизм адсорбции ДНК используется с карбоксил-модифицированными магнитными частицами в присутствии высоких концентраций полиэтилена и соли, затем ДНК элюируется из этой матрицы добавлением TE буфера или воды [16].
Амино-модифицированные магнитные частицы также используются для экстракции ДНК, хотя и с другими требованиями к адсорбции и элюированию. Такие частицы адсорбируют ДНК в обычных условиях в отличие от частиц с SiO2 или поверхностью SiO2–NH2. Группа ученых сообщила об экстракции ДНК при нейтральном pH и низкой концентрации солей с использованием аминомодифицированного магнетита бактериального происхождения и обнаружили, что эффективность связывания ДНК растет с увеличением количества аминогрупп4. Применялись ча Магнитные наночастицы на основе оксида железа (Fe3O4) занимают особое место в современной биотехнологии благодаря уникальному сочетанию магнитных свойств, биосовместимости и возможности функционализации поверхности. Одним из наиболее востребованных направлений их применения является выделение ДНК из биологических образцов. Методы с их использованием быстрее, проще и легче автоматизируются, чем классические подходы, включающие центрифугирование, осаждение и фильтрацию.
В условиях дефицита импортных реагентов повышается спрос на разработку отечественных аналогов магнитных наночастиц. Перспективными подходами к созданию таких сорбентов являются покрытие магнитного ядра диоксидом кремния, а также его дополнительная функционализация аминогруппами, что позволяет расширить диапазон условий сорбции и повысить эффективность выделения нуклеиновых кислот.
Цель исследования – разработка технологии синтеза и модификации магнитных наночастиц с контролируемыми физико-химическими свойствами, обеспечивающими эффективное выделение ДНК из цельной крови. стицы аминомоцифицрованного магнетита в качестве твердофазного носителя для экстракции плазмидной ДНК5. Более того, и другие исследователи обнаружили, что различные аминомодифицированные магнитные материалы можно использовать для адсорбции ДНК при низкосолевых или нейтральных условиях pH6 [17–22].
Считается, что адсорбция между частицами, поверхностно модифицированными NH2-группами, и ДНК всегда основана на электростатических взаимодействиях. Кроме того, обнаружено, что данные частицы адсорбируют все больше ДНК при более высоких температурах, и было высказано предположение, что водородные связи также служат важным фактором для процесса адсорбции [23].
Часто основной целью экстракции ДНК является достижение максимальной чувствительности обнаружения независимо от присутствия компонентов экстракции, если они не влияют на анализ. Это относится к полимеразной цепной реакции при обнаружении патогенов [24–26], контроле качества пищевых продуктов [27; 28] и диагностике заболеваний [29].
Таким образом, несмотря на широкое применение магнитных частиц для выделения нуклеиновых кислот, сравнительная эффективность покрытий на основе диоксида кремния и его аминофункционализированных аналогов при работе с цельной кровью изучена недостаточно. Настоящее исследование направлено на восполнение указанного пробела.
Материалы и методы
В настоящем исследовании были получены и охарактеризованы два типа частиц с развитой поверхностью и двухслойным покрытием из диоксида кремния (SiO2) и аминофункционализированного диоксида кремния (SiO2–NH2). Проводились сравнительное исследование способности разработанных магнитных частиц выделять ДНК из цельной крови. Также была проведена оценка количества и целостности выделенной ДНК.
Для синтеза частиц использовались следующие реагенты: хлорид железа (III) гексагидрат (FeCl3∙6H2O) (99,99 %, Sigma-Aldrich); этиленгликоль (99 % Вектон); тетраэтилортосиликат (TEOS) (99,99 %, ЭКОС-1); NH3·H2O (25 %, Сигма Тек); N-[3-(триметоксисилил)пропил]этилендиамин (EDPS, 97 %, Sigma-Aldrich); ацетат натрия тригидрат (NaAc·3H2O) (99 %, Вектон); этанол (96 %, Вектон); поливинилпирролидон с Mw ≈ 12 кДа (Вектон); уксусная кислота (CH3COOH) (99 %, Вектон). Все химические вещества были аналитического качества и не подвергались дополнительной обработке.
Синтез магнитных частиц. Сферы Fe3O4 получали методом гидротермального синтеза [11]. Синтез частиц Fe3O4 проводили сольвотермальным методом. Навески FeCl3×6H2O (0,8109 г) и ацетата натрия тригидрата (2,29 г) растворяли в 32 мл этиленгликоля при активном перемешивании (10 мин). Полученную смесь помещали в автоклав и нагревали при 205 °C в течение 2,5 часов. После естественного охлаждения синтезированный темный осадок отделяли магнитной декантацией. Продукт многократно промывали деионизированной водой и этанолом, после чего сушили в сушильном шкафу (70 °С, 24 ч).
Формирование оболочек состава SiO2 и SiO2–NH2 проводили по оптимизированному методу [30]: 60 мг высушенных частиц диспергировали в смеси 5 мл деионизированной воды и 15 мл этанола с использованием ультразвуковой ванны (45 Вт, 15 мин). Затем к полученной суспензии частиц при перемешивании добавляли 0,5 мл 25 % NH3·H2O и 0,5 мл TEOS. Процесс гидролиза TEOS проводился при комнатной температуре и перемешивании (300 RPM, 20). По окончании времени инкубации частицы с первым слоем SiO2 очищали деионизированной водой методом магнитной декантации 5 раз.
Описанная методика использовалась для нанесения первого слоя диоксида кремния. Для создания двухслойной структуры SiO2 процедуру повторяли в идентичных условиях. Результатом синтеза стали магнитные частицы, покрытые двойной силикатной оболочкой Fe3O4@SiO2.
Для синтеза магнитных частиц со второй оболочкой из аминофункционализированного диоксида кремния использовали EDPS. Для этого 50 мг частиц с первичной оболочкой из SiO2 диспергировали в водно-спиртовом растворе, и затем к нему добавляли 0,7 мл СH3COOH и 0,5 мл EDPS. Гидролиз осуществляли при перемешивании (300 RPM) и комнатной температуре в течение 20 часов. Полученные наночастицы Fe3O4@SiO2–NH2 очищали методом магнитной декантации и диспергировали в 20 %-м растворе поливинилпирролидона.
Характеризация. Размеры, морфологию и элементное картирование синтезированных (Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@SiO2–NH2) и коммерческих частиц (Extra Gen Black (Raissol Bio)) исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai Osiris (США) с рабочим напряжением 200 кВ и приставкой для энерго-дисперсионного анализа.
Гидродинамический диаметр определялся методом динамического светорассеяния (DLS) с помощью анализатора размера частиц NANO-flex (Microtrac, Германия) при температуре 25 °C, угол детектирования – 180 °C. Измерения проводили в стандартных одноразовых кюветах.
Измерение ζ-потенциала частиц осуществляли на анализаторе Stabino (Microtrac, Германия) с использованием стандартной измерительной ячейки из политетрафторэтилена при температуре 25 °C. Удельную площадь поверхности (S, м²/г) наночастиц оценивали с помощью метода БЭТ, используя изотермы адсорбции азота при температуре 77 К. Перед измерением изотерм адсорбции азота образцы предварительно дегазировали в вакууме при температуре 120 °C в течение 4 ч для удаления адсорбированной влаги и газов.
Концентрацию частиц определяли по железу фотоколориметрическим методом, основаным на измерении оптической плотности (при λ = 425 нм) окрашенных комплексов Fe3+ с сульфосалициловой кислотой в щелочной среде с использованием кюветного спектрофотометра (Shimadzu UV-2600, Япония)7. Предварительно железо из Fe3O4 переводили в водорастворимую ионную форму Fe3+. Определение всех физико-химических характеристик проводили 5 раз.
Животные. В экспериментах использовали клинически здоровых лабораторных белых беспородных кроликов в возрасте 3–4 мес. массой 2,5–3,0 кг. Все животные были приобретены в виварии «Столбовая» Научного центра биомедицинских технологий Федерального медико-биологического агентства (Россия). Кроликов содержали в стандартных условиях вивария при температуре 20–22 °C, относительной влажности 40–60 % и 12-часовом цикле свет/темнота, кормили стандартным лабораторным комбикормом и поили водой ad libitum.
Эксперименты с животными проводили в соответствии с требованиями Директивы 2010/63/ЕС Европейского парламента и Совета Европейского Союза о защите животных, используемых в научных целях, и были одобрены локальным этическим комитетом Медицинского института Национального исследовательского Мордовского государственного университета (дата одобрения: 11 сентября 2025 г., код одобрения: 92). Забор крови осуществляли из краевой ушной вены, образцы крови собирали в пробирки, содержащие ЭДТА.
Сравнительное исследование сорбционной емкости синтезированных (Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@SiO2–NH2) и коммерческих (Extra Gen Black) частиц. Для экстракции ДНК из цельной крови кролика использовали коммерческий набор «GM Blood M 2.0» (Raissol Bio) в соответствии с инструкциями производителя. Весь процесс состоял из четырех основных этапов: лизис форменных элементов крови, сорбция ДНК, промывка и элюция [31].
Выход и эффективность очистки образцов ДНК измеряли с помощью УФ-микроспектрофотометра Nano-500 (Hangzhou Allsheng, Китай). Для оценки чистоты растворов ДНК использовали отношения оптических плотностей A260/A280 и A260/A230. Оптическая плотность при λ = 260 нм соответствует поглощению азотистыми основаниями в составе нуклеиновых кислот, при λ = 280 нм – поглощению радикалами ароматических аминокислот в составе белков, при λ = 230 нм – поглощению низкомолекулярными органическими примесями.
Раствор ДНК можно считать относительно чистым и пригодным для последующего анализа, если отношение A260/A280 составляет в диапазоне 1,7–2,0, а A260/A230 – не менее 1,5. Сорбционную емкость частиц рассчитывали в микрограммах ДНК на миллиграмм магнитного материала (по Fe3O4) в сорбенте.
Эксперимент по выделению ДНК из цельной крови кролика проводили по 5 раз для каждого типа магнитных частиц. Средние значения и стандартные отклонения для сорбционной емкости рассчитывали стандартными статистическими математическими методами с помощью программы GraphPad Prism 8.0.1.
Электрофоретическое исследование выделенной ДНК с помощью синтезированных (Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@SiO2–NH2) и коммерческих (Extra Gen black) частиц. Оценку качества и фрагментации геномной ДНК, полученной из образцов крови, проводили методом горизонтального электрофореза [31]. Использовали агарозные гели (концентрация 0,8 %) с TBE буфером (1×) и бромидом этидия в качестве интеркалирующего агента (0,5 мкг/мл). Перед загрузкой в лунки гелевой пластины образцы ДНК (≈ 150 нг) смешивали с красящим буфером (Gel Loading Dye, Евроген). В лунки агарозного геля загружали по 15 мкл растворов выделенной ДНК и стандартных маркеров c концентрацией 10 мкг/мл. В качестве маркеров использовали DNA Ladder 1 kb (Маркер 1) (Евроген) и DNA Ladder 100+ bp (Маркер 2) (Евроген). Разделение проводили при напряжении 130 В в течение 20 мин. Документирование результатов выполняли на системе ChemiDoc (Bio-Rad).
Результаты исследования
Исследование морфологии методом TEM показало, что разработанные магнитные наночастицы Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@SiO2–NH2 имеют сферическую форму и пористую поверхность. В свою очередь, коммерческий образец представлял собой сферические частицы диаметром 13 ± 4 нм, которые образуют полидисперсные агломераты со средним размером 1831 ± 229 нм. Результаты рентгеновской энерго-дисперсионной спектроскопии подтвердили наличие оболочки из диоксида кремния (SiO2) на поверхности частиц, а также у коммерческого образца. Данные о морфологии и элементном анализе представлены на рисунке 1.
Согласно данным DLS, получены следующие значения гидродинамического диаметра и ζ-потенциала частиц: для Fe3O4@SiO2 570 ± 287 нм и – 35 мВ; для Fe3O4@SiO2–NH2 441 ± 137 нм и + 44 мВ; для Extra Gen black 954 ± 629 нм и – 37 мВ.
Рис. 1. Светлопольные изображения, полученные с помощью TEM, и спектры EDX для магнитных частиц Fe3O4@SiO2, (A, B), Fe3O4@SiO2–NH2 (C, D) и коммерческих Extra Gen black (E, F)
Fig. 1. Bright-field TEM images and EDX spectra of Fe3O4@SiO2 (A, B), Fe3O4@SiO2–NH2 (C, D) and commercial Extra Gen black (E, F) magnetic particles
Источник: здесь и далее рисунки (кроме рис. 3) и таблицы подготовлены авторами по результатам исследования.
Source: hereinafter in the article, drawings (except Fig. 3) and the tables were prepared by the authors based on the results of the study.
БЭТ-исследование выявило значительное различие в удельной площади поверхности между синтезированными и коммерческими частицами. Показатель для Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@SiO2–NH2 достигал около 41,8 м²/г, тогда как для Extra Gen black он был на порядок ниже – 2,5 м²/г. Все характеристики магнитных частиц обобщены и представлены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические характеристики магнитных частиц
Table 1. Physicochemical characteristics of magnetic nanoparticles
Характеристика / Characteristic | Магнитная частица / Magnetic nanoparticle | ||
Fe3O4@SiO2 | Fe3O4@SiO2–NH2 | Extra Gen Black | |
ПЭМ, нм / TEM, nm | 250 ± 52 | 264 ± 38 | 13 ± 4 (для отдельных частиц / for individual particles) 1831 ± 229 (для их агломератов / for their agglomerates) |
ДРС, нм / DLS, nm | 570 ± 287 | 441 ± 137 | 954 ± 629 |
ζ-потенциал, мВ / ζ-potential, mV | – 35 | +44 | – 37 |
S, м2/г (m2/g) | 41,8 | 41,8 | 2,5 |
Результаты определения параметров сорбционной ёмкости и чистоты растворов ДНК, выделенных с использованием частиц Fe3O4@SiO2, Fe3O4@SiO2–NH2 и Extra Gen black приведены в таблице 2.
Таблица 2. Показатели чистоты растворов ДНК и сорбционной емкости магнитных частиц
Table 2. Parameters of DNA solution purity and magnetic particle sorption capacity
Магнитная частица / Magnetic nanoparticle | Параметр / Parameter | ||
A260/A280 | A260/A230 | Сорбционная емкость, мкг ДНК/мг (МЧ по Fe3O4) / Sorption capacity, µg DNA/mg (Fe3O4 MP) | |
Fe3O4@SiO2 | 1,71 ± 0,10 | 1,51 ± 0,05 | 6,81 ± 1,15 |
Fe3O4@SiO2–NH2 | 1,78 ± 0,11 | 1,60 ± 0,09 | 10,54 ± 0,58 |
Extra Gen black | 1,75 ± 0,14 | 1,54 ± 0,10 | 6,43 ± 1,10 |
Сравнительный анализ, результаты которого представлены на рисунке 2, выявил, что наибольшей сорбционной емкостью обладают частицы с внешним покрытием из аминофункционализированного диоксида кремния Fe3O4@SiO2–NH2 – 10,54 ± 0,52 мкг ДНК/мг (МЧ по Fe3O4). При этом магнитные частицы Extra Gen Black и Fe3O4@SiO2 продемонстрировали сопоставимые значения данного параметра, которые составили 6,43 ± 0,58 и 6,81 ± 1,15 мкг ДНК/мг (МЧ по Fe3O4) соответственно.
Для оценки качества ДНК, выделенных из крови c использованием различных частиц, проводили электрофоретическое разделение образцов (рис. 3).
Рис. 2. (A) Сравнительное исследование сорбционной емкости магнитных частиц в отношении цельной крови кролика; (B) спектры поглощения раствора ДНК
Fig. 2. (A) Comparative study of the adsorption capacity of magnetic particles in relation to whole rabbit blood; (B) absorption spectra of DNA solution
Рис. 3. Электрофоретический анализ продуктов выделения ДНК в 0,8 % агарозном геле из крови с помощью магнитных частиц Extra Gen black, Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@SiO2–NH2. Дорожки: 1 – маркер молекулярной массы ДНК 1 kb (Маrker 1); 2 – ДНК, выделенная с использованием коммерческих магнитных частиц Extra Gen black (Raissol Bio); 3 – ДНК, выделенная с использованием частиц Fe3O4@SiO2; 4 – ДНК, выделенная с использованием частиц Fe3O4@SiO2–NH2; 5 – раствор дезоксирибонуклеата натрия (контроль); 6 – маркер молекулярной массы ДНК 100+ bp (Мarker 2)
Fig. 3. Electrophoretic analysis of DNA extraction products in a 0.8% agarose gel from blood samples using magnetic particles Extra Gen black, Fe3O4@SiO2, and Fe3O4@SiO2–NH2. Lanes: 1 – DNA molecular weight marker of 1 kb (Marker 1); 2 — DNA extracted using commercial magnetic particles Extra Gen black (Raissol Bio); 3 – DNA extracted using Fe3O4@SiO2 particles; 4 – DNA extracted using Fe3O4@SiO2–NH2 particles; 5 – sodium deoxyribonucleate solution (control); 6 – DNA molecular weight marker of 100+ bp (Marker 2)
Источник: изображение получено в программе GraphPad Prism 8.0.1.
Source: the image was obtained in the program GraphPad Prism 8.0.1.
Обсуждение и заключение
Гидротермальный метод позволил получить магнитные частицы Fe3O4 сферической формы с достаточно узким распределением по размерам. Двухэтапное формирование обеспечило получение равномерной оболочки из диоксида кремния на магнитных частицах. Толщина оболочки на поверхности обоих типов частиц (Fe3O4@SiO2–NH2 и Fe3O4@SiO2) составила от 4 до 8 нм. На ТЕМ-изображениях видно, что оболочка имеет аморфную структуру, т.е. отсутствуют периодически повторяющиеся полосы, соответствующие материалам с кристаллической решеткой.
Полученные в настоящей работе магнитные частицы показали сопоставимую для Fe3O4@SiO2 и большую для Fe3O4@SiO2–NH2 сорбционную емкость по сравнению с коммерческими частицами Extra Gen Black при использовании одинаковых концентраций частиц. В первую очередь это можно связать с большей удельной поверхностью разработанных частиц. Кроме того, частицы Fe3O4@SiO2–NH2 содержат внешний слой из аминофункционализированного диоксида кремния, что также подтверждается положительным значением зета-потенциала частиц. Амино-группы протонируются в растворах и приобретают положительный заряд, в результате чего могут электростатически взаимодействовать с отрицательно заряженными фосфатными группами в составе нуклеотидов ДНК, что способствует повышению сорбционной способности частиц. Важно отметить, что данное взаимодействие является обратимым, ионную связь можно нарушить при изменении pH среды (обеспечивается промывочными и элюирующими растворами в процессе выделения ДНК из цельной крови).
Зарегистрированные УФ-спектры растворов выделенной ДНК соответствуют характерному спектру нуклеиновых кислот (азотистых оснований в их составе). Показатели чистоты (соотношения оптических плотностей при длинах волн А260/A230 и A260/A280) выделенной ДНК для разработанных частиц сопоставимы с таковыми для коммерческих частиц. Сходные показатели чистоты выделенной ДНК можно объяснить тем, что применялись одинаковые буферные и промывочные растворы. Действительно чистота растворов выделенной ДНК преимущественно определяется химическим составом и количеством растворов, используемых для сепарации нуклеиновых кислот [31].
Электрофореграмма демонстрирует наличие выраженных полос в диапазоне, характерном для высокомолекулярной ДНК. В образцах, обработанных частицами Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@SiO2–NH2, отчетливо видны сигналы, свидетельствующие об успешном выделении нуклеиновых кислот (см. рис. 2). В конце диффузных полос наблюдаются «шлейфы», которые могут говорить о выделение низкомолекулярных соединений, таких как РНК или малоцепочная ДНК, что подтверждает контроль в виде чистого раствора дезоксирибонуклеата натрия. Однако основные (высокомолекулярные) полосы достаточно точно просматриваются, что говорит о сохранившейся структуре ДНК.
Таким образом, в рамках данной работы были успешно синтезированы магнитные наночастицы с контролируемой морфологией и поверхностной функционализацией. На основании полученных данных количественного и качественного анализа растворов ДНК, выделенных из цельной крови, было показано, что аминофункционализированные магнитные частицы Fe3O4@SiO2–NH2 продемонстрировали высокую эффективность связывания и сохранение целостности структуры ДНК. В свою очередь, частицы с немодифицированным амино-группами покрытием из оксида кремния близки по сорбционным свойствам к коммерческому образцу Extra Gen Black. Полученные магнитные частицы продемонстрировали значительный потенциал для создания конкурентоспособных систем выделения нуклеиновых кислот из цельной крови.
Исследование ограничено оценкой сорбционной эффективности частиц in vitro без изучения их стабильности при длительном хранении.
Дальнейшие исследования будут направлены на адаптацию разработанных частиц для выделения ДНК из других биологических образцов (например, ткани органов, слюны), а также на создание на их основе готовых наборов реагентов.
Разработанные магнитные наночастицы могут найти применение в коммерческих наборах для выделения нуклеиновых кислот из цельной крови и использоваться в диагностических и исследовательских лабораториях.
Дополнительная информация
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов:
Д. Э. Якобсон – осуществление научно-исследовательского процесса, включая выполнение экспериментов или сбор данных.
М. Н. Жарков – формулирование замысла / идеи исследования, целей и задач.
Р. Г. Акопян – создание и подготовка рукописи: написание черновика рукописи, включая его перевод на иностранный язык.
А. С. Полетаева – создание и подготовка рукописи: написание черновика рукописи, включая его перевод на иностранный язык.
1 Can K., Ozmen M., Ersoz M. Immobilization of Albumin on Aminosilane Modified Superparamagnetic Magnetite Nanoparticles and its Characterization. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2009;71:154–159. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2009.01.021
2 Hawkins T.L., O’Connor-Morin T., Roy A., Santillan C. DNA Purification and Isolation Using a Solid-Phase. Nucleic Acids Research. 1994;22:4543–4544. https://doi.org/10.1093/nar/22.21.4543
3 Melzak K.A., Sherwood C.S., Turner R.F.B., Haynes C. A. Driving Forces for DNA Adsorption to Silica in Perchlorate Solutions. Journal of Colloid and Interface Science. 1996;181:635–644. https://doi.org/10.1006/jcis.1996.0421
4 Yoza B., Matsumoto M., Matsunaga T. DNA Extraction Using Modified Bacterial Magnetic Particles in the Presence of Amino Silane Compound. Journal of Biotechnology. 2002;94: 217–224. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(01)00427-8
5 He X., Huo H., Wang K., Tan W., Gong P., Ge J. Plasmid DNA Isolation Using Amino-Silica Coated Magnetic Nanoparticles (ASMNPs). Talanta. 2007;73:764–769. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2007.04.056
6 Yoza B., Arakaki A., Matsunaga T. DNA Extraction Using Bacterial Magnetic Particles Modified with Hyperbranched Polyamidoamine Dendrimer. Journal of Biotechnology. 2003;101:219–228. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(02)00342-5
7 Pozdnyakov I.P. et al. Photochemistry of Fe (III) and Sulfosalicylic Acid Aqueous Solutions. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2006;182(1): 75–81. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2006.01.017
About the authors
Denis E. Yakobson
Federal Center for Biothechnology and Medicine Advancement
Email: ykbsn@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7675-0823
SPIN-code: 5690-5996
Scopus Author ID: 57212466449
ResearcherId: AGY-4442-2022
Junior Researcher of the Educational and Scientific Laboratory of Preclinical and Clinical Trials of Targeted Pharmaceutical Formulations
Russian Federation, 25A Ulyanova St., Saransk, 430032Mikhail N. Zharkov
Federal Center for Biothechnology and Medicine Advancement
Email: mikhail.zharkov.92@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8272-1973
SPIN-code: 6948-3305
Scopus Author ID: 57193334865
ResearcherId: L-6995-2017
Head of the Laboratory of Pharmacokinetics and Targeted Pharmacotherapy
Russian Federation, 25A Ulyanova St., Saransk, 430032Razmik Gegamovich Akopyan
Federal Center for Biothechnology and Medicine Advancement
Email: ramzik_aga@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-3612-8225
Student at the Medical Instityte
Russian Federation, 430032, Saransk, Ulyanova Street, 25A.Anastasia S. Poletaeva
Federal Center for Biothechnology and Medicine Advancement
Author for correspondence.
Email: nastya.poletaeva8@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-6359-9260
Student ath the Medical Institute
Russian Federation, 430032, Saransk, Ulyanova Street, 25A.References
- Kango S., Kalia S., Celli A., Njuguna J., Habibi Y., Kumar R. Surface Modification of Inorganic Nanoparticles for Development of Organic–Inorganic Nanocomposites – A Review. Progress in Polymer Science. 2013;38:1232–1261. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.02.003
- Wierucka M., Biziuk M. Application of Magnetic Nanoparticles for Magnetic Solid-Phase Extraction in Preparing Biological, Environmental and Food Samples. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2014;59:50–58. https://doi.org/10.1016/j.trac.2014.04.007
- Wang H., Covarrubias J., Prock H., Wu X., Wang D., Bossmann S.H. Acid-Functionalized Magnetic Nanoparticle as Heterogeneous Catalysts for Biodiesel Synthesis. The Journal of Physical Chemistry C. 2015;119:26020–26028. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b08743
- Patra S., Roy E., Karfa P., Kumar S., Madhuri R., Sharma P.K. Dual-Responsive Polymer Coated Superparamagnetic Nanoparticle for Targeted Drug Delivery and Hyperthermia Treatment. ACS Applied Materials and Interfaces. 2015;7:9235–9246. https://doi.org/10.1021/acsami.5b01786
- Wang T., Zhang L., Li C., Yang W., et al. Synthesis of Core–Shell Magnetic Fe3O4@Poly(m-Phenylenediamine) Particles for Chromium Reduction and Adsorption. Environmental Science and Technology. 2015;49:5654–5662. https://doi.org/10.1021/es5061275
- Tiwari A.P., Satvekar R.K., Rohiwal S.S., et al. Magneto-Separation of Genomic Deoxyribonucleic Acid Using pH Responsive Fe3O4@Silica@Chitosan Nanoparticles in Biological Samples. RSC Advances. 2015;5:8463–8470. https://doi.org/10.1039/C4RA15806G
- Zheng J., Ma C., Sun Y., et al. Maltodextrin-Modified Magnetic Microspheres for Selective Enrichment of Maltose Binding Proteins. ACS Applied Materials and Interfaces. 2014;6:3568–3574. https://doi.org/10.1021/am405773m
- Xu L., Feng L., Dong S., Hao J. Magnetic Controlling of Migration of DNA and Proteins Using One-Step Modified Gold Nanoparticles. Chemical Communications. 2015;51:9257–9260. https://doi.org/10.1039/C5CC01738F
- Hola K., Markova Z., Zoppellaro G., Tucek J., Zboril R. Tailored Functionalization of Iron Oxide Nanoparticles for MRI, Drug Delivery, Magnetic Separation and Immobilization of Biosubstances. Biotechnology Advances. 2015;33:1162–1176. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2015.02.003
- Namgung R., Singha K., Yu M.K., et al. Hybrid Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticle–Branched Polyethylenimine Magnetoplexes for Gene Transfection of Vascular Endothelial Cells. Biomaterials. 2010;31:4204–4213. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.01.123
- Zhang X., Wang J., He X., Chen L., Zhang Y. Tailor-Made Boronic Acid Functionalized Magnetic Nanoparticles with a Tunable Polymer Shell-Assisted for the Selective Enrichment of Glycoproteins/Glycopeptides. ACS Applied Materials and Interfaces. 2015;7:24576–24584. https://doi.org/10.1021/acsami.5b06445
- Shen L.H., Bao J.F., Wang D., et al. One-Step Synthesis of Monodisperse, Water-Soluble Ultra-Small Nanoparticles for Potential Bio-Application. Nanoscale. 2013;5:2133–2141. https://doi.org/10.1039/C2NR33840H
- Zheng J., Li Y., Sun Y., et al. A Generic Magnetic Microsphere Platform with “Clickable” Ligands for Purification and Immobilization of Targeted Proteins. ACS Applied Materials and Interfaces. 2015;7:7241–7250. https://doi.org/10.1021/acsami.5b00313
- Rahman M.M., Elaissari A. Nucleic Acid Sample Preparation for In Vitro Molecular Diagnosis: From Conventional Techniques to Biotechnology. Drug Discovery Today. 2012;17:1199–1207. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2012.07.001
- Shi B., Shin Y.K., Hassanali A.A., Singer S.J. DNA Binding to the Silica Surface. Journal of Physical Chemistry B. 2015;119:11030–11040. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b01983
- Sheng W., Wei W., Li J., et al. Amine-Functionalized Magnetic Mesoporous Silica Nanoparticles for DNA Separation. Applied Surface Science. 2016;387:1116–1124. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.061
- Rahman M.M., Elaissari A. Temperature and Magnetic Dual Responsive Microparticles for DNA Separation. Separation and Purification Technology. 2011;81:286–294. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.07.030
- Sosa-Acosta J., Silva J., Fernández-Izquierdo L., et al. Iron Oxide Nanoparticles (IONPs) with Potential Applications in Plasmid DNA Isolation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2018;545:167–178. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.02.062
- Wang Y., Ma X., Ding C., Jia L. pH-Responsive Deoxyribonucleic Acid Capture/Release by Polydopamine Functionalized Magnetic Nanoparticles. Analytica Chimica Acta. 2015;862:33–40. https://doi.org/10.1016/j.aca.2015.01.009
- Jiang C., Xu S., Zhang S., Jia L. Chitosan Functionalized Magnetic Particle-Assisted Detection of Genetically Modified Soybeans Based on Polymerase Chain Reaction and Capillary Electrophoresis. Analytical Biochemistry. 2012;420:20–25. https://doi.org/10.1016/j.ab.2011.09.004
- Bai Y., Song M., Cui Y., et al. A Rapid Method for the Detection of Foodborne Pathogens by Extraction of a Trace Amount of DNA from Raw Milk Based on Amino-Modified Silica-Coated Magnetic Nanoparticles and Polymerase Chain Reaction. Analytica Chimica Acta. 2013;787:93–101. https://doi.org/10.1016/j.aca.2013.05.043
- Menu E., Mary C., Toga I., Raoult D., Ranque S., Bittar F. Evaluation of Two DNA Extraction Methods for the PCR-Based Detection of Eukaryotic Enteric Pathogens in Fecal Samples. BMC Research Notes. 2018;11:206. https://doi.org/10.1186/s13104-018-3300-2
- Morgenstern C., Cabric S., Perka C., Trampuz A., Renz N. Synovial Fluid Multiplex PCR Is Superior to Culture for Detection of Low-Virulent Pathogens Causing Periprosthetic Joint Infection. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease. 2018;90:115–119. https://doi.org/10.1016/j.diagmicrobio.2017.10.016
- Connor B.A., Rogova M., Whyte O. Use of a Multiplex DNA Extraction PCR in the Identification of Pathogens in Travelers’ Diarrhea. Journal of Travel Medicine. 2018;25(1):tax087. https://doi.org/10.1093/jtm/tax087
- López-Calleja I.M., García A., Madrid R., García T., Martín R., González I. Multiplex Ligation-Dependent Probe Amplification (MLPA) for Simultaneous Detection of DNA From Sunflower, Poppy, Flaxseed, Sesame and Soy Allergenic Ingredients in Commercial Food Products. Food Control. 2017;71:301–310. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2016.06.014
- Hossain M.A.M., Ali M.E., Hamid S.B.A., Mustafa S., Mustafa M.N.M., Zaidul I.S.M. Targeting Double Genes in Multiplex PCR for Discriminating Bovine, Buffalo and Porcine Materials in Food Chain. Food Control. 2017;73:175–184. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2016.08.008
- Cagnoli C., Brussino A., Mancini C., et al. Spinocerebellar Ataxia Tethering PCR: A Rapid Genetic Test for the Diagnosis of Spinocerebellar Ataxia Types 1, 2, 3, 6, and 7 by PCR and Capillary Electrophoresis. Journal of Molecular Diagnostics. 2018;20:289–297. https://doi.org/10.1016/j.jmoldx.2017.12.006
- Sheng W., Wei W., Li J., et al. Amine-Functionalized Magnetic Mesoporous Silica Nanoparticles for DNA Separation. Applied Surface Science. 2016;387:1116–1124. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.061
- Ma C., Li C., Wang F., et al. Magnetic Nanoparticles-Based Extraction and Verification of Nucleic Acids from Different Sources. Journal of Biomedical Nanotechnology. 2013;9(4):703–709. https://doi.org/10.1166/jbn.2013.1566
- Green M.R., Sambrook J. Analysis of DNA by Agarose Gel Electrophoresis. Cold Spring Harbor Protocols. 2019;2019(1). https://doi.org/10.1101/pdb.top100388
- Dilhari A., Sampath A., Gunasekara C., et al. Evaluation of the Impact of Six Different DNA Extraction Methods for the Representation of the Microbial Community Associated with Human Chronic Wound Infections Using a Gel-Based DNA Profiling Method. AMB Express. 2017;7:Article 179. https://doi.org/10.1186/s13568-017-0477-z
Supplementary files













