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大大縮短基因工程時間的新裝置

日期:2016-02-22 08:55:46

 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。”

 

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