新的微流体装置可以加速细菌中的DNA插入 这是基因工程的第一步

对任何生物进行遗传工程都需要先让细胞吸收外来DNA。为此，科学家们经常进行一种称为电穿孔的过程，在此过程中，细胞将细胞暴露在电场中。如果该区域的大小恰到好处，它将打开细胞膜内的孔隙，DNA可以通过这些孔隙流动。但科学家可能需要几个月甚至几年才能找出确切的电场条件来可逆地解锁膜的毛孔。

由麻省理工学院工程师开发的一种新型微流体装置可以帮助科学家快速回归电场“最佳点” - 电势范围无害，并暂时打开膜孔使DNA进入。原则上，简单的装置可能是用于任何微生物或细胞，显着加快了基因工程的第一步。

“我们正在努力减少所需的实验量，”麻省理工学院机械工程副教授Esther和Harold E. Edgerton的Cullen Buie说。“我们对这种设备和未来迭代的重要愿景是能够采取通常需要数月或数年的过程，并在一两天内完成。”

Buie和他的同事，包括博士后Paulo Garcia，研究生Zhifei Ge和讲师Jeffrey Moran，本周在“ 科学报告 ”杂志上发表了他们的研究结果。“盲目猜测”

目前，科学家可以订购各种电穿孔系统 - 简单的仪器，附带一套穿透生物体细胞膜的说明。每个系统可以包括大约100种不同生物的指令，例如细菌和酵母菌株，每种生物都需要独特的电场和一组渗透的实验条件。然而，Buie说，已知这些指令的生物数量只是实际存在于自然界中的一小部分。

“我们无法获得大量的生物多样性，”Buie说。“问题的一部分是，我们甚至无法获得DNA，更不用说让它被有机体表达。而对于电穿孔，寻找可能有效的条件就像在黑暗中拍摄一样。”

为了使电穿孔起作用，所施加的电场必须足够强以暂时刺穿膜，但不能永久地刺穿膜，这将导致细胞死亡。

“这就像手术 - 这是非常具有侵略性的，”Buie说。“杀死它们并且根本不影响它们之间有一个甜蜜的地方，你需要找到能够可逆地打开它们，足够让DNA进入它们并且它们自己重新密封。”

电场是否穿透膜还取决于细胞的周围环境。科学家们还必须尝试参数，例如细胞溶液的组成和电场的施加方式。

“对于一种新型生物体，可能需要几个月或几年的时间来开发新的条件，这样细胞就会快乐并且能够在穿孔过程中存活下来，并且它会吸收DNA，”Buie说。

一个范围

该组的新型微流体装置可以显着缩短识别这些理想条件所需的时间。该器件由使用软光刻技术创建的通道组成。通道在中间变窄。当向器件施加电场时，通道的几何形状使得场具有一定范围的电势，最高的是在通道的最窄区域。

研究人员将几株细菌细胞流过该装置，并将细胞暴露在电场中。然后他们添加了荧光标记物，在DNA存在的情况下点亮。如果细胞成功地被电场渗透，它们就会进入荧光标记物，然后荧光标记物会响应细胞自身的遗传物质而点亮。为了确定能够打开细胞膜的电位的大小，研究人员简单地标记了每个荧光细胞沿着通道的位置。

“在一项实验中，你可以测试一系列电场并几乎立即得到一些信息，就是否有成功的开孔来说，”Buie说。“所以现在，在你的搜索过程中，你不需要进行一系列不同的实验，分别测试不同的电场。你可以一次完成它，它可以点亮它。”

研究人员成功地渗透了大肠杆菌和耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)菌株，这是一种细菌，与导致结核病的生物体属于同一家族 - 一个家族的膜，Buie说，这是一个“众所周知难以”穿透的家族。

该小组的第一组实验涉及打开毛孔以吸收荧光标记 - 一种略小于DNA的分子。研究人员还开展了一些实验，他们在存在编码抗生素抗性的DNA的情况下向细菌细胞施加电场。研究小组检查了细胞是否从装置中取出DNA并将其在抗生素的单独平板上生长 - 这是一种称为条纹测试的标准程序。他们发现细胞能够繁殖 - 这是DNA成功掺入的标志，并且膜关闭了。

“目前，由于可用于将DNA导入细胞的技术有限，只有少数细胞类型可以进行遗传修饰，”加西亚说。“我们开发了一种微流体装置，可以促进许多不同细胞类型的基因工程。通过介导新细胞类型的基因工程，这项技术将有助于药物发现，再生医学，癌症治疗和DNA疫苗接种等领域。”