评估商业试剂盒和从大气样品中提取 DNA 的净化方法，以实现无需扩增的第三代测序

我们呼吸的空气为何藏有未被发掘的线索

我们周围的空气充满了看不见的生命：花粉颗粒、真菌孢子、细菌，甚至病毒的痕迹。这些随空气移动的微粒可能引发过敏、传播疾病，并在不知不觉中影响生态系统。为了了解它们，科学家希望直接从空气样品中读取它们的 DNA——但可用的生物物质通常非常少。本研究提出了一个切实的问题且影响广泛：如何最好地从日常空气过滤器中提取脆弱的 DNA，使其能被现代长读长测序设备读取而无需额外的扩增步骤？

在无形尘埃中捕捉生命

全球的空气质量网络已经使用大尺寸玻璃纤维滤膜来收集颗粒以监测污染。作者看到了一个机会：利用这些相同的滤膜来研究大气中的生物物质。问题在于，与土壤或水体相比，这些滤膜上通常只含有极少量的 DNA，而且许多空气中的生物（例如花粉或干燥的细菌）难以裂解。研究团队此前建立了一种强效但笨重的方法，使用强烈的化学品来净化滤膜中的 DNA。该方法即便在 DNA 稀少时也能奏效，但它耗时、劳动强度大，并依赖于不适合日常监测的危险试剂。

构建更安全更快捷的实验室流程

新工作集中于改进早期的方案，使之更安全、简便并更适合大规模研究。作者设计了一种改良的自制方法，保持了对细胞进行多步温和破碎的原则——使用酶、去污剂和温和加热——但用磁性微珠取代了危险的溶剂净化步骤。这些微小的磁珠经过包被，可结合 DNA 分子并用磁铁从溶液中提取，从而留下许多污染物。研究者随后将该改进方法与原始方案以及五种常用的商业试剂盒（这些试剂盒的柱式净化方法最初为植物或土壤样品优化）进行了比较。

对比提取方法的性能

为确保比较公平，团队使用在芬兰气象研究所屋顶生物气溶胶活动期间采集并存档的滤膜。他们选择了一块已知含较高 DNA 的滤膜和另一块含量较低的滤膜，然后将其裁切成相同的小片，以便每种方法处理相同的起始材料。通过测量每种方法产生的 DNA 量、DNA 的纯度以及重复测试之间结果的一致性来评估各方法。在含 DNA 丰富的滤膜上，两种自制方法——原先的溶剂法和新的磁珠法——以及一种土壤试剂盒在产量上表现突出。然而，当初始 DNA 含量较低时，只有原始的、更苛刻的溶剂法能可靠地回收足够的遗传物质。

提取出的 DNA 真能反映真实情况吗？

数量并非唯一关注点：DNA 还必须是完整且能代表大气中群落的。团队通过光吸收测定检查样品的清洁度，然后将选定的提取物直接送入 Oxford Nanopore 的长读长测序仪，未进行任何 DNA 扩增步骤。这一点很重要，因为扩增可能会扭曲物种的相对比例。测序结果表明，磁珠法和原始溶剂法都能产生长度较长且多样的读取，涵盖广泛的碱基组成，这是 Nanopore 技术擅长处理的。同时，两种方法恢复的生物群落比例并不相同：磁珠法倾向于偏好更坚韧的颗粒（如花粉），而溶剂法捕获了更多细菌 DNA，这可能与不同细胞在滤膜上的裂解和保存难易程度有关。

这对监测我们共用的空气意味着什么

对于公共卫生监测和环境调查，本研究给出了一条清晰的信息。若采样器收集到足够的生物物质，新的磁珠法提供了一种更安全、更快捷的方式来将空气滤膜准备为最先进的长读长测序样品。在 DNA 稀少的情况下，仍需使用更苛刻的溶剂法以避免几乎全部信号丢失。现成的商业试剂盒虽然使用方便，但对这些具有挑战性的大气样品而言表现不足。两种自制方法合起来提供了一个实用的工具箱：一种适合高产量、常规工作，另一种用于检测我们呼吸的空气中最微弱的生物信号。

引用: Salokas, J., Sofieva-Rios, S., Paatero, J. et al. Evaluation of commercial kits and purification approaches for DNA extraction from atmospheric samples for 3rd generation sequencing without amplification. Sci Rep 16, 8402 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38534-3

关键词: 空气中 DNA, 空气生物气溶胶, 宏基因组学, 长读长测序, 环境监测