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新的微流体筛选装置可能加速细菌中的DNA插入

发布时间:2018-05-16  点击数:[8]

em为了寻找微生物燃料电池中使用的理想细菌,麻省理工学院的研究人员开发了一种新型微流体装置,以快速分选和鉴定各种菌株。这项技术可能导致碳中和方法从废水中为电网收集能源,这对于医生更快地识别致命感染也可能是有用的。 / em

对任何有机体进行遗传改造需要首先让细胞吸收外来的DNA。为此,科学家经常执行一个称为电穿孔的过程,在这个过程中他们将细胞暴露于电场。

如果这个领域恰到好处,它将打开细胞膜内的孔,DNA可以通过它流动。但科学家可能需要数月甚至数年才能找出确切的电场条件以可逆地解开膜的孔隙。

麻省理工学院工程师开发的一种新型微流控装置可以帮助科学家们快速回到电场“最佳位置” - 这种电位范围将无害地暂时打开膜孔让DNA进入。原则上,简单装置可以是用于任何微生物或细胞,显着加速了基因工程的第一步。

“我们试图减少所需的实验数量,”Esther和Harold E. Edgerton机械工程副教授Cullen Buie说。 “我们对这种设备和未来迭代的巨大愿景是能够采取一个通常需要几个月或几年的过程,并在一两天内完成。”

Buie和他的同事们,包括博士后Paulo Garcia,研究生Geiferi Ge和讲师Jeffrey Moran,本周在科学报告杂志上发表了他们的结果。

em听取麻省理工学院副教授Cullen Buie的研究成为一种快速分类和鉴定各种细菌菌株的新方法,这可能有助于更快速地识别致命感染。视频:机械工程系/ MIT / em

“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书。每个系统可能包含大约100种不同生物体的说明,例如细菌和酵母菌株,每种细菌都需要一个独特的电场和一组渗透实验条件。然而,Buie说,这些指令已知的有机体数量只是实际存在的一小部分。

Buie说:“我们无法访问大量的生物多样性。 “问题的部分原因是,我们甚至无法获取DNA,更不用说让它通过生物体来表达。而对于电击来说,寻找可能起作用的条件就像是在黑暗中拍摄的。“

为了使电穿孔工作,所施加的电场必须足够强以暂时刺穿膜,但是不能如此永久地刺穿膜,这会导致细胞死亡。

“这就像手术 - 这是非常有创意的,”Buie说。 “在杀死它们之间有一个甜蜜的地方,而且根本不会影响它们,你需要找到能够可逆地打开它们的东西,这样才能让DNA进入并且它们自己重新密封。”

电场是否穿透膜也取决于细胞的周围条件。科学家们还不得不尝试一些参数,如细胞溶液的组成和电场施加方式。

Buie说:“对于一种新型生物体,需要几个月或几年的时间才能开发出新的条件,以便细胞感到快乐,并能在生殖过程中幸存下来,并能吸收DNA。”

一个范围

该团队的新型微流控装置可能会显着缩短识别这些理想条件所需的时间。该设备由使用软光刻创建的通道组成。频道在中间变窄。当电场施加到器件时,通道的几何形状会使场显示一定范围的电位,最高位于通道最窄的区域。

研究人员将几种细菌细胞穿过装置并将细胞暴露于电场。然后他们添加了一个荧光标记,在DNA存在的情况下点亮。如果细胞被电场成功渗透,它们会进入荧光标记,荧光标记会响应细胞自身的遗传物质而亮起。为了确定能够打开细胞膜的电势的大小,研究人员简单地标记了沿着通道的每个荧光细胞的位置。

“在一个实验中,您可以测试一系列电场,并且几乎可以即时获取一些信息,从毛孔开放是否有成功的角度来看,”Buie说。 “所以,现在,在你的搜索过程中,你不需要运行一堆不同的实验并分别测试不同的电场。你可以一口气做到,而且从字面上看起来很亮。 ”

研究人员成功地渗透了大肠杆菌和耻垢分枝杆菌菌株,这是与导致结核病的机体同一家族的一种细菌 - Buie说,这个家族的膜“非常难以穿透”。

该小组的第一组实验涉及开放孔隙以吸收荧光标记 - 一种比DNA稍小的分子。研究人员还进行了一些实验,在这些实验中,他们在编码抗生素抗性的DNA的存在下向细菌细胞施加电场。研究小组检查了这些细胞通过将它们从设备中取出并将它们放在与抗生素分开的平板上 - 一种被称为条纹测试的标准程序来吸收DNA。他们发现细胞能够繁殖 - 这是DNA成功整合的标志,并且膜封闭了。

“目前,由于可用于将DNA导入细胞的技术限制,只有有限数量的细胞类型可以进行基因修饰,”Garcia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。通过介导新型细胞类型的基因工程,该技术将有助于药物发现,再生医学,癌症治疗和DNA疫苗接种领域。“

这项研究得到了DARPA和国家科学基金会的部分支持。

出版物:Paulo A. Garcia等人,“Microfluidic Sc​​reening of Electric Fields for Electroporation,”Scientific Reports 6,Article number:21238(2016); DOI:10.1038 / srep21238

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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