Comparative Evaluation of DNA Extraction Methods from Fecal Samples: Statistical Analysis of Commercial Kits and Laboratory Protocols Using Real-Time PCR Data

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Emergence of new data on the association between composition of the intestinal microbiota and various human diseases have generated increasing interest in its investigation. In this context, selection of the DNA extraction method represents a critical stage in experimental design, significantly affecting the reliability and reproducibility of results. This study presents a comparative analysis of 12 DNA extraction methods applied to 46 fecal samples, including 9 commercial kits and 3 laboratory protocols. We evaluated taxonomic representation, including Gram-positive (Lactobacillaceae, Coprococcus spp., Streptococcus sp., Clostridium leptum) and Gram-negative bacteria (Enterobacteriaceae, Akkermansia muciniphila, Fusobacterium nucleatum, Bacteroides fragilis). Extraction efficiency was assessed by DNA yield, expressed in GE/μL of eluate or in GE/g of feces, as well as by the frequency of low-abundance taxa loss. Based on the lysis type, clustering of methods was demonstrated: mechanical lysis provided stable and high DNA yields, particularly for Gram-positive bacteria, while chemical and enzymatic methods showed lower efficiency. We determined that lysis type and preliminary whole-fecal sample preparation are the key factors affecting DNA extraction efficiency and preservation of the native taxonomic profile. The best results were demonstrated by the QIAamp® PowerFecal® Pro DNA Kit (Qiagen) and the combination of AmpliTest UniProb + AmpliTest RIBO-prep kits (Centre for Strategic Planning, of the Federal medical and biological agency, Russia), both of which outperformed other methods in terms of DNA yield. The QIAamp® Fast DNA Stool Mini Kit (Qiagen) showed minimal losses of low-abundance taxa. These findings can be used for the standardization of extraction methodologies and the development of domestic protocols.

作者简介

A. Kurnosov

Center for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks, Federal Medical and Biological Agency; Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia; Moscow, Russia

N. Linde

Center for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks, Federal Medical and Biological Agency; Morozov Children City Clinical Hospital

Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia; Moscow, Russia

P. Molodtsova

Center for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks, Federal Medical and Biological Agency

Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia

E. Glazunova

Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia

A. Moskalenko

Center for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks, Federal Medical and Biological Agency

Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia

A. Sheptulina

National Medical Research Center for Therapy and Preventive Medicine

Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia

N. Bodunova

The Loginov Moscow Clinical Scientific Center

编辑信件的主要联系方式.
Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia

O. Zlobovskaya

Center for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks, Federal Medical and Biological Agency

Email: ozlobovskaya@cspfmba.ru
Moscow, Russia

参考

  1. Dore J., Ehrlich S.D., Levenez F., Roume H., Morabito C. and IHMS Consortium (2020) IHMS_SOP 06 V3: Standard operating procedure for fecal samples DNA extraction, Protocol Q. International Human Microbiome Standards.Dore J., Ehrlich S.D., Levenez F., Pelletier E., Alberti A., Bertrand L., Bork P., Costea P.I., Sunagawa S., Guarner F., Manichanh C., Santiago A., Zhao L., Shen J., Zhang C., Versalovic J., Luna R.A., Petrosino J., Yang H., Li S., Wang J., Allen-Verece, E. Gloor G., Singh B., IHMS Consortium (2015) IHMS_SOP 07 V2: Standard operating procedure for fecal samples DNA extraction, Protocol H. International Human Microbiome Standards.Chen C.C., Wu W.K., Chang C.M., Panyod S., Lu T.P., Liou J.M., Fang Y.J., Chuang E.Y., Wu M.S. (2020) Comparison of DNA stabilizers and storage conditions on preserving fecal microbiota profiles. J. Formos. Med. Assoc. 119, 1791–1798.
  2. Dore J., Ehrlich S., Levenez F., Pelletier E., Alberti A., Bertrand L., Bork P., Costea P.I., Sunagawa S., Guarner F., Manichanh C., Santiago A., Zhao L., Shen J., Zhang C., Versalovic J., Luna R.A., Petrosino J., Yang H., Li S., Wang J., Allen-Verece, E., Gloor G., Singh B., IHMS Consortium (2015) IHMS_SOP 07 V2: Standard operating procedure for fecal samples DNA extraction, Protocol H. International Human Microbiome Standards.Zhang B.W., Li M., Ma L.C., Wei F.W. (2006) A widely applicable protocol for DNA isolation from fecal samples. Biochem. Genet. 44, 494–503.
  3. Isokafantā H., Tomnikov N., Vanhatalo S., Munukka E., Huovinen P., Hakanea A.J., Kallonen T. (2024) High-throughput DNA extraction strategy for fecal microbiome studies. Microbiol. Spectr. 12, e02932–23.
  4. Yu Z., Morrison M. (2004) Improved extraction of PCR-quality community DNA from digesta and fecal samples. BioTechniques. 36, 808–812.
  5. Galla G., Praeg N., Rzehak T., Sprecher E., Colla F., Seeber J., Illmer P., Hauffe H.C. (2024) Comparison of DNA extraction methods on different sample matrices within the same terrestrial ecosystem. Sci. Rep. 14, 8715.
  6. Yang F., Sun J., Luo H., Ren H., Zhou H., Lin Y., Han M., Chen B., Liao H., Brix S., Li J. (2020) Assessment of fecal DNA extraction protocols for metagenomic studies. GigaScience. 9, giaa071.
  7. Li X., Bosch-Tijhof C.J., Wei X., de Soet J.J., Crieland W., Loveren C.V., Deng D.M. (2020) Efficiency of chemical versus mechanical disruption methods of DNA extraction for the identification of oral Gram-positive and Gram-negative bacteria. J. Int. Med. Res. 48, 300060529925594.
  8. Zhang C., Thakkar P.V., Powell S.E., Sharma P., Vennelaganti S., Betel D., Shah M.A. (2018) A comparison of homogenization vs. enzymatic lysis for microbiome profiling in clinical endoscopic biopsy tissue samples. Front. Microbiol. 9, 3246.
  9. Chapuis M.P., Benoit L., Galan M. (2023) Evaluation of 96-well high-throughput DNA extraction methods for 16S rRNA gene metalbarcoding. Mol. Ecol. Resour. 23, 1509–1525.
  10. Elwick K., Zeng X., King J., Budowle B., Hughes-Stamm S. (2018) Comparative tolerance of two massively parallel sequencing systems to common PCR inhibitors. Int. J. Legal. Med. 132, 983–995.
  11. Li S., Liu X., Li Z., Liu H., Hu D. (2023) Combination of direct boiling and glass beads increases the purity and accuracy of bacterial DNA extraction. Biotechnol. J. 18, e2300135.
  12. Mateos C., Nieves-Remacha M.J., Rincón J.A. (2019) Automated platforms for reaction self-optimization in flow. React. Chem. Eng. 4, 1536–1544.
  13. Gandhi H., Jain M., Gupta S., Singh A.K., Kumar A., Sohal J.S. (2023) Comparative evaluation of various in-house protocols on diagnostic performance for paratuberculosis IS900 PCR. Mol. Biol. Rep. 50(1), 943–947.
  14. Drapkina O.M., Ashniev G.A., Zlobovskaya O.A., Yafarova A.A., Dementeva E.V., Kaburova A.N., Meshkov I.O., Sheptulina A.F., Kiselev A.R., Kontsevaya A.V., Zhamalov L.M. (2022) Diversities in the gut microbial patterns in patients with atherosclerotic cardiovascular diseases and certain heart failure phenotypes. Biomedicines. 10, 2762.
  15. Ness T.E., Meiwes L., Kay A., Mejia R., Lange C., Farhat M., Mandalakas A., DiNardo A. (2023) Optimizing DNA extraction from pediatric stool for diagnosis of tuberculosis and use in next-generation sequencing applications. Microbiol. Spectr. 11, e02269–22.
  16. Ma Z.Y., Zhang X.M., Wang R., Wang M., Liu T., Tan Z.L. (2020) Effects of chemical and mechanical lysis on microbial DNA yield, integrity, and downstream amplicon sequencing of rumen bacteria and protozoa. Front. Microbiol. 11, 581227.
  17. Cozzolino A., Vergalito F., Tremonte P., Iorizzo M., Lombardi S.J., Sorrentino E., Luongo D., Coppola R., Di Marco R., Succi M. (2020) Preliminary evaluation of the safety and probiotic potential of Akkermansia muciniphila DSM 22959 in comparison with Lactobacillus rhamnosus GG. Microorganisms. 8, 189.
  18. Reunanen J., Kainulainen V., Huuskonen L., Ottman N., Belzer C., Huhtinen H., de Vos W.M., Satokari R. (2015) Akkermansia muciniphila adheres to enterocytes and strengthens the integrity of the epithelial cell layer. Appl. Environ. Microbiol. 81, 3655–3662.
  19. Fancy N., Kniffen D., Melvin M., Kazemian N., Sadeghi J., Letef C.A., D’Aloisio L., Copp A.G., Inaba R., Hans G., Jafaripour S. (2024) Fecal-adherent mucus is a non-invasive source of primary human MUC2 for structural and functional characterization in health and disease. J. Biol. Chem. 300, 105675.
  20. Sleytr U.B., Glauert A.M. (1976). Ultrastructure of the cell walls of two closely related clostridia that possess different regular arrays of surface subunits. J. Bacteriol. 126, 869–882.
  21. Ogata S., Hongo M. (1973). Bacterial lysis of Clostridium species I. Lysis of Clostridium species by univalent cation. J. Gen. Appl. Microbiol. 19, 251–261.
  22. Shi Z., Chen L., Li B., Zhu B., Lyu N. (2022) Comparative analysis of different fecal DNA extraction methods. Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao. 38 (9), 3542–3550.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2. Сравнительная оценка методов выделения ДНК из фекалий: статистический анализ коммерческих наборов и лабораторных протоколов по данным ПЦР-РВ
下载 (1MB)

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».