大大縮短基因工程時(shí)間的新裝置

日期：2016-02-22 08:55:46

對(duì)任何生物體進(jìn)行基因改良，都需要先讓它的細(xì)胞獲得外源DNA。為了做到這一點(diǎn)，科學(xué)家們經(jīng)常會(huì)進(jìn)行一個(gè)叫做電穿孔（electroporation）的過程，在這個(gè)過程中，他們將細(xì)胞暴露于電場(chǎng)中。

如果這個(gè)電場(chǎng)的大小是正確的，它會(huì)打開細(xì)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(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間，才能找到可逆地打開膜孔的準(zhǔn)確電場(chǎng)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(chǎng)的“理想點(diǎn)”——無害的電位范圍，可暫時(shí)打開膜孔以讓DNA進(jìn)來。原則上，這種簡(jiǎn)單的裝置可用于任何微生物或細(xì)胞，從而大大加快了遺傳工程中的第一步。

MIT機(jī)械工程學(xué)副教授Cullen Buie指出：“我們正在試圖減少所需實(shí)驗(yàn)的數(shù)量。我們期望，對(duì)這個(gè)設(shè)備在未來能夠使一個(gè)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(jiǎn)單的儀器，有著一套指令，可穿透生物體的細(xì)胞膜。每個(gè)系統(tǒng)可能包含大約100種不同的生物體，如細(xì)菌和酵母菌株，每一種都需要一個(gè)獨(dú)特的電場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)條件用于滲透。然而，Buie說，適合這些已知指令的有機(jī)體數(shù)量，實(shí)際上只有一小部分。延伸閱讀：細(xì)胞轉(zhuǎn)染與分子載體新技術(shù)與產(chǎn)品；新技術(shù)巡禮：進(jìn)入細(xì)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(jìn)入，更不能使得它被有機(jī)體表達(dá)。而對(duì)于電穿孔來說，尋找可能起作用的電場(chǎng)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(chǎng)必須暫時(shí)性的足夠強(qiáng)，以刺穿膜，但不會(huì)一直那么強(qiáng)烈——這樣可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)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(gè)理想點(diǎn)，你需要找到它們，并能可逆性地打開它們，剛好足以使DNA進(jìn)入，并且它們能重新封閉自己。”

一種電場(chǎng)是否能穿透膜，也取決于細(xì)胞周圍的環(huán)境?？茖W(xué)家們也必須用一些參數(shù)（如一種細(xì)胞溶液的組成，以及電場(chǎng)被施加的方式）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

Buie說：“對(duì)于一個(gè)新的有機(jī)體來說，這會(huì)花費(fèi)你幾個(gè)月或幾年的時(shí)間，來開發(fā)適合它們細(xì)胞的新電場(chǎng)條件。”

一個(gè)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(shí)間。該設(shè)備是由一個(gè)通道組成的——使用軟光刻技術(shù)。這個(gè)通道在中間變窄。當(dāng)向該裝置施加一種電場(chǎng)時(shí)，通道的幾何形狀可使電場(chǎng)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(gè)細(xì)菌細(xì)胞品系流過該裝置，并將細(xì)胞暴露于一種電場(chǎng)中。然后，他們添加了一個(gè)熒光標(biāo)記物，當(dāng)存在DNA時(shí)標(biāo)記物會(huì)發(fā)亮。如果細(xì)胞成功地被電場(chǎng)滲透，它們會(huì)讓熒光標(biāo)記進(jìn)來，然后熒光標(biāo)記會(huì)發(fā)亮，來響應(yīng)細(xì)胞的自身遺傳物質(zhì)。為了確定能夠打開細(xì)胞膜的電位大小，研究人員只是沿著通道標(biāo)記每個(gè)熒光細(xì)胞的位置。

Buie說：“在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，你可以測(cè)試一系列的電場(chǎng)，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(yùn)行一連串不同的實(shí)驗(yàn)，也不用分別測(cè)試不同的電場(chǎng)。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(xì)菌，可導(dǎo)致結(jié)核病，Buie說，這些細(xì)菌的膜很難滲透。

該研究小組在第一組實(shí)驗(yàn)中，打開毛孔，以讓熒光標(biāo)記進(jìn)來，這個(gè)分子比DNA還小。研究人員還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他們?cè)诳股啬退幮跃幋aDNA存在時(shí)，將一種電場(chǎng)應(yīng)用于細(xì)菌細(xì)胞。研究小組將這些細(xì)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(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)程序。他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞能夠復(fù)制——DNA被成功滲透的一個(gè)標(biāo)志，并且膜關(guān)閉復(fù)原。

Garcia說：“目前，由于將DNA導(dǎo)入細(xì)胞的技術(shù)存在限制，只有有限數(shù)量的細(xì)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(duì)許多不同類型的細(xì)胞進(jìn)行基因改良。通過介導(dǎo)新細(xì)胞類型的基因工程，這項(xiàng)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。”