對任何生物體進行基因改良，都需要先讓它的細胞獲得外源DNA。為了做到這一點，科學(xué)家們經(jīng)常會進行一個叫做電穿孔（electroporation）的過程，在這個過程中，他們將細胞暴露于電場中。

如果這個電場的大小是正確的，它會打開細胞膜中的孔隙，DNA可以通過這些孔隙。但這需要科學(xué)家花費數(shù)月甚至數(shù)年的時間，才能找到可逆地打開膜孔的準(zhǔn)確電場條件。

最近，麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們開發(fā)出一種新型微流體裝置，可以幫助科學(xué)家們很快地確定電場的“理想點”——無害的電位范圍，可暫時打開膜孔以讓DNA進來。原則上，這種簡單的裝置可用于任何微生物或細胞，從而大大加快了遺傳工程中的第一步。

MIT機械工程學(xué)副教授Cullen Buie指出：“我們正在試圖減少所需實驗的數(shù)量。我們期望，對這個設(shè)備在未來能夠使一個通常需要數(shù)月或數(shù)年的過程，在一兩天內(nèi)完成。”

Buie和他的同事，包括博士后Paulo Garcia和研究生Zhifei Ge等人，將他們的結(jié)果發(fā)表在本周的《Scientific Reports》雜志。

“瞎猜”

目前，科學(xué)家們可以訂購各種電穿孔系統(tǒng)——簡單的儀器，有著一套指令，可穿透生物體的細胞膜。每個系統(tǒng)可能包含大約100種不同的生物體，如細菌和酵母菌株，每一種都需要一個獨特的電場和實驗條件用于滲透。然而，Buie說，適合這些已知指令的有機體數(shù)量，實際上只有一小部分。延伸閱讀：細胞轉(zhuǎn)染與分子載體新技術(shù)與產(chǎn)品；新技術(shù)巡禮：進入細胞的別樣途徑。

Buie說：“有我們無法獲得的、數(shù)量巨大的生物多樣性。問題的一部分在于，我們甚至不能讓DNA進入，更不能使得它被有機體表達。而對于電穿孔來說，尋找可能起作用的電場條件，可能就像瞎猜一樣。”

為了讓電穿孔起作用，所施加的電場必須暫時性的足夠強，以刺穿膜，但不會一直那么強烈——這樣可能會導(dǎo)致細胞死亡。

Buie說：“這就像做手術(shù)——這是相當(dāng)微創(chuàng)的。在殺死它們和不影響它們之間，存在一個理想點，你需要找到它們，并能可逆性地打開它們，剛好足以使DNA進入，并且它們能重新封閉自己。”

一種電場是否能穿透膜，也取決于細胞周圍的環(huán)境。科學(xué)家們也必須用一些參數(shù)（如一種細胞溶液的組成，以及電場被施加的方式）來進行實驗。

Buie說：“對于一個新的有機體來說，這會花費你幾個月或幾年的時間，來開發(fā)適合它們細胞的新電場條件。”

一個范圍只試一次

該研究小組所開發(fā)的新型微流體裝置，可以顯著縮短確定這些理想條件的時間。該設(shè)備是由一個通道組成的——使用軟光刻技術(shù)。這個通道在中間變窄。當(dāng)向該裝置施加一種電場時，通道的幾何形狀可使電場表現(xiàn)出一系列的電位，在通道最窄的區(qū)域，電位最高。

研究人員讓幾個細菌細胞品系流過該裝置，并將細胞暴露于一種電場中。然后，他們添加了一個熒光標(biāo)記物，當(dāng)存在DNA時標(biāo)記物會發(fā)亮。如果細胞成功地被電場滲透，它們會讓熒光標(biāo)記進來，然后熒光標(biāo)記會發(fā)亮，來響應(yīng)細胞的自身遺傳物質(zhì)。為了確定能夠打開細胞膜的電位大小，研究人員只是沿著通道標(biāo)記每個熒光細胞的位置。

Buie說：“在一個實驗中，你可以測試一系列的電場，并幾乎能立即得到一些信息，確定是否有成功開孔的條件。所以現(xiàn)在，在你的搜索過程中，你不需要運行一連串不同的實驗，也不用分別測試不同的電場。你可以一次做完它。”

研究人員成功地穿透了大腸桿菌和恥垢分枝桿菌菌株——同一家族的一種細菌，可導(dǎo)致結(jié)核病，Buie說，這些細菌的膜很難滲透。

該研究小組在第一組實驗中，打開毛孔，以讓熒光標(biāo)記進來，這個分子比DNA還小。研究人員還進行了實驗，他們在抗生素耐藥性編碼DNA存在時，將一種電場應(yīng)用于細菌細胞。研究小組將這些細胞從設(shè)備中取出，并在一張具有抗生素的板上培養(yǎng)它們——這是一種稱為劃線測試的標(biāo)準(zhǔn)程序。他們發(fā)現(xiàn)，細胞能夠復(fù)制——DNA被成功滲透的一個標(biāo)志，并且膜關(guān)閉復(fù)原。

Garcia說：“目前，由于將DNA導(dǎo)入細胞的技術(shù)存在限制，只有有限數(shù)量的細胞類型可以被基因修飾。我們已經(jīng)開發(fā)出一種微流體裝置，將有助于我們對許多不同類型的細胞進行基因改良。通過介導(dǎo)新細胞類型的基因工程，這項技術(shù)將有助于藥物發(fā)現(xiàn)、再生醫(yī)學(xué)、癌癥治療和DNA疫苗等領(lǐng)域。”