對任何生物進(jìn)行遺傳工程都需要先讓細(xì)胞吸收外來DNA。為此，科學(xué)家們經(jīng)常進(jìn)行一種稱為電穿孔的過程，在此過程中，細(xì)胞將細(xì)胞暴露在電場中。如果該區(qū)域的大小恰到好處，它將打開細(xì)胞膜內(nèi)的孔隙，DNA可以通過這些孔隙流動。但科學(xué)家可能需要幾個月甚至幾年才能找出確切的電場條件來可逆地解鎖膜的毛孔。

由麻省理工學(xué)院工程師開發(fā)的一種新型微流體裝置可以幫助科學(xué)家快速回歸電場“最佳點(diǎn)” - 電勢范圍無害，并暫時打開膜孔使DNA進(jìn)入。原則上，簡單的裝置可能是用于任何微生物或細(xì)胞，顯著加快了基因工程的第一步。

“我們正在努力減少所需的實(shí)驗(yàn)量，”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Esther和Harold E. Edgerton的Cullen Buie說。“我們對這種設(shè)備和未來迭代的重要愿景是能夠采取通常需要數(shù)月或數(shù)年的過程，并在一兩天內(nèi)完成。”

Buie和他的同事，包括博士后Paulo Garcia，研究生Zhifei Ge和講師Jeffrey Moran，本周在“ 科學(xué)報告 ”雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。“盲目猜測”

目前，科學(xué)家可以訂購各種電穿孔系統(tǒng) - 簡單的儀器，附帶一套穿透生物體細(xì)胞膜的說明。每個系統(tǒng)可以包括大約100種不同生物的指令，例如細(xì)菌和酵母菌株，每種生物都需要獨(dú)特的電場和一組滲透的實(shí)驗(yàn)條件。然而，Buie說，已知這些指令的生物數(shù)量只是實(shí)際存在于自然界中的一小部分。

“我們無法獲得大量的生物多樣性，”Buie說。“問題的一部分是，我們甚至無法獲得DNA，更不用說讓它被有機(jī)體表達(dá)。而對于電穿孔，尋找可能有效的條件就像在黑暗中拍攝一樣。”

為了使電穿孔起作用，所施加的電場必須足夠強(qiáng)以暫時刺穿膜，但不能永久地刺穿膜，這將導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

“這就像手術(shù) - 這是非常具有侵略性的，”Buie說。“殺死它們并且根本不影響它們之間有一個甜蜜的地方，你需要找到能夠可逆地打開它們，足夠讓DNA進(jìn)入它們并且它們自己重新密封。”

電場是否穿透膜還取決于細(xì)胞的周圍環(huán)境。科學(xué)家們還必須嘗試參數(shù)，例如細(xì)胞溶液的組成和電場的施加方式。

“對于一種新型生物體，可能需要幾個月或幾年的時間來開發(fā)新的條件，這樣細(xì)胞就會快樂并且能夠在穿孔過程中存活下來，并且它會吸收DNA，”Buie說。

一個范圍

該組的新型微流體裝置可以顯著縮短識別這些理想條件所需的時間。該器件由使用軟光刻技術(shù)創(chuàng)建的通道組成。通道在中間變窄。當(dāng)向器件施加電場時，通道的幾何形狀使得場具有一定范圍的電勢，最高的是在通道的最窄區(qū)域。

研究人員將幾株細(xì)菌細(xì)胞流過該裝置，并將細(xì)胞暴露在電場中。然后他們添加了熒光標(biāo)記物，在DNA存在的情況下點(diǎn)亮。如果細(xì)胞成功地被電場滲透，它們就會進(jìn)入熒光標(biāo)記物，然后熒光標(biāo)記物會響應(yīng)細(xì)胞自身的遺傳物質(zhì)而點(diǎn)亮。為了確定能夠打開細(xì)胞膜的電位的大小，研究人員簡單地標(biāo)記了每個熒光細(xì)胞沿著通道的位置。

“在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，你可以測試一系列電場并幾乎立即得到一些信息，就是否有成功的開孔來說，”Buie說。“所以現(xiàn)在，在你的搜索過程中，你不需要進(jìn)行一系列不同的實(shí)驗(yàn)，分別測試不同的電場。你可以一次完成它，它可以點(diǎn)亮它。”

研究人員成功地滲透了大腸桿菌和恥垢分枝桿菌(Mycobacterium smegmatis)菌株，這是一種細(xì)菌，與導(dǎo)致結(jié)核病的生物體屬于同一家族 - 一個家族的膜，Buie說，這是一個“眾所周知難以”穿透的家族。

該小組的第一組實(shí)驗(yàn)涉及打開毛孔以吸收熒光標(biāo)記 - 一種略小于DNA的分子。研究人員還開展了一些實(shí)驗(yàn)，他們在存在編碼抗生素抗性的DNA的情況下向細(xì)菌細(xì)胞施加電場。研究小組檢查了細(xì)胞是否從裝置中取出DNA并將其在抗生素的單獨(dú)平板上生長 - 這是一種稱為條紋測試的標(biāo)準(zhǔn)程序。他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能夠繁殖 - 這是DNA成功摻入的標(biāo)志，并且膜關(guān)閉了。

“目前，由于可用于將DNA導(dǎo)入細(xì)胞的技術(shù)有限，只有少數(shù)細(xì)胞類型可以進(jìn)行遺傳修飾，”加西亞說。“我們開發(fā)了一種微流體裝置，可以促進(jìn)許多不同細(xì)胞類型的基因工程。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疫苗接種等領(lǐng)域。”