基因槍

基因槍

基因槍技術, 又被稱為生物彈道技術(Biolistic Technology) 或微粒轟擊技術(Particle Bombardment Technology),是 用火藥爆炸或者高壓氣體加速將包裹了DNA的球狀金粉或者鎢粉顆粒直接送入完整的組織或者細胞中的一種技術。它是基因轉移技術中的一種方法。其基本原理就是採用一種微粒加速裝置,使裹著外源基因的微米級的金或鎢(它們比重大, 而且化學性質都很穩定)顆粒獲得足夠的動量打入靶細胞或組織。

簡介

基因槍:生化武器剋星

Gene gun:(基因槍)The most extraordinary system of transferring DNA into plant cells involves minute metal beads being shot into plant cells. 用火葯爆炸或者高壓氣體加速將包裹了DNA的球狀金粉或者鎢粉顆粒直接送入完整的植物組織或者胞中,這一加速設備稱為基因槍。

用途

假如你今後在新聞中看到這樣的鏡頭:美國空軍的醫務人員拔槍開火,將金色“子彈”射向他們自己人的身軀,而士兵們卻一副“求之不得”的架勢,請不要驚訝———因為這是橫空出世的基因槍。它射出的決非奪命的金屬顆粒,而是救命的DNA疫苗

原理如同“接種疫苗”

自去年炭疽恐慌席卷美國連奪人命後,位于馬裏蘭州弗雷德裏克地區的美國空軍德瑞克堡基地生化武器防治中心就如臨大敵,加緊研究如何壓製炭疽菌擴散的威脅。

以生物學家詹妮?瑞蒙斯切內德為首的軍事科研人員成功將基因疫苗製成類似子彈的膠囊,利用可在常溫下急劇升溫膨脹的高壓氦氣為推動劑發射,創造出基因槍,為在戰場上救治承受生化武器襲擊的己方及友軍人員提供了極大的便利。

工作原理

而基因槍的工作原理就來源于這兩種療法,取其所長,避其所短。

這種生物輻射式基因槍可填充12發金色“子彈”。每粒“子彈”實際上是一個膠囊,內部包含數百萬個攜帶某種病毒遺傳信息的DNA分子。當然,這些DNA分子的毒性已經被人為降低。詹妮已完成炭疽基因疫苗對兔子的活體實驗。她將10隻兔子麻醉,向它們的腹部發射了包含適量炭疽菌DNA的疫苗“子彈” 。半年後,她再對兔子註射了足以致命的炭疽菌劑量,其中9隻兔子安然無恙,顯示炭疽疫苗已成功生效。

“子彈”唾手可得

詹妮聲稱,根據她對致命病毒埃博拉等長達7年的研究,她相信,自己的研究中心研發出的基因槍是成功的。她指出:“基因槍發射的DNA片斷足以迷惑患者固有的免疫系統,令其根本不會發動針對‘外來入侵者’的戰鬥。相反,‘子彈’中的DNA將侵入患者的表皮細胞核與肌肉細胞,激活免疫系統,製造抗體。基因療法的弊端在于嘗試用外來強加的基因片斷取代人體免疫系統,而基因疫苗卻是免疫系統的‘戰友’或‘加速器’。”

詹妮信心百倍地說:“我簡直不敢相信,DNA疫苗是如此唾手可得。我們可以在幾天或幾周內生產出足夠的疫苗,而常規疫苗的培育提取要耗費幾年時間。 ”

基因槍法

定義與原理

基因槍法是一種全新的基因導入儀技術,它把遺傳物質或其他物質附著于高速微彈直接射入細胞、組織和細胞器,是目前國際上最先進的基因導入技術。氣體基因槍以壓縮氣體(氦或氮)轉換成的氣體沖擊波為動力,使氣體基因槍槍產生一種“冷”的氣體沖擊波進入轟擊室,因此可免遭由“熱”氣體沖擊波引起的細胞損傷。氣體基因槍可在廣泛的細胞型中得到瞬時的、穩定的和高效率的轉化作用。氣體基因槍有一個產生沖擊波的特殊結構,在恰當的氣壓範圍內從3.5MPa-10MPa,具有相應不同的可破裂膜,將包覆DNA的粒子穿越,射入在轟擊室底部的靶細胞中(最大靶直徑50mm)。基因槍適用于動植物、細胞培養物、胚胎、細菌及小型動物的轉基因。具有快速、簡便、安全、高效的特點、中科院遺傳所、北京大學浙江大學西北農林科技大學等有關單位均採用該設備。

基因槍歷史

基因槍的歷史可以追溯到1987年。

第一代基因槍是台式基因槍,其中火葯型台式基因槍是基因槍中最原始的類型。最早的基因槍是由美國康奈爾大學Sanford于1987年與該校工程技術專家Wolf及Kallen合作研究出的一種基因轉移的新方法。該方法一經發明便在學界嶄露頭角,Klein等人于1987年最早套用基因槍進行洋蔥表皮細胞的轉化,並獲得了成功。

基因槍自1987年誕生以來得到迅速發展。美國康乃爾大學自1988年先後申報了三個關于基因槍技術的專利(EP  0331 855A2,1988:US  Patent Number 4,945,050 July 31,1990:US Patent Number 5,036,006 July 30,1991)。1987-1990年間,高壓放電、壓縮氣體驅動等各種基因槍相繼出現,並都在重復的實踐中得到改進和發展。McCabe于1988年將目的基因包于鎢粉上,電轟擊大豆莖尖分生組織,結果約有2%的組織通過器官發生途徑獲得再生植株,在子代中檢測到了外源基因。1989年氣動式基因槍轉化煙草等植物獲得成功,並且得到了瞬時表達。大麥的轉基因技術比起其他植物相對發展速度較慢,直到1989年,Kartha等人用大麥的細胞和組織進行培養,成功檢測到報告基因的瞬時表達。

基因槍

1990年,美國杜邦公司(DuPont Company)推出首款商品基因槍PDS-1000系統。該儀器是一種“biolistic”台式基因槍,有關的工藝技術是從一個小型的Biolistics公司(負責人來自康乃爾大學)購買的。據康乃爾研究基金會副主席和大學專利及技術市場的負責人W.Haeussler說,向杜邦公司轉讓的這個技術是當時康乃爾發明的一次最大交易,將總數228萬美元的專利稅和研究支持費一次性付給康乃爾大學。當時由伯樂公司(Bio-Rad Laboratories, Inc.)與杜邦簽署的的代工與分銷商協定。隨後,伯樂公司1992年推出了PDS-1000/He槍。國內中國科學院生物物理所和清華大學也分別于1989年和1991年推出了新的槍種並申請了專利(中國專利89109334和91207467)。與現在新型手持型基因槍不同,台式基因槍體積偏大,實驗場所受限,不能靈活套用于田間地頭。高壓氣體需要抽真空,壓縮機工作時噪音較大,而且過高氣壓推動微粒子轟擊使得台式基因槍僅限于細胞轉殖而不能用于活體轉殖。第一代基因槍的每槍轟擊成本也很高,金粉與控製氣壓用的Rapture disk均造價不菲。

第二代基因槍出現于1996年,伯樂公司推出了Helios手持式基因槍。這是歷史上最早出現的手持式基因槍。該系統通過可調節的氦氣脈沖,來帶動位于小塑膠管內壁處預包有DNA、RNA 或其它生物材料的金粉顆粒,將其直接打入細胞內部。與第一代台式基因槍相比,Helios手持式基因槍摒棄了抽真空壓縮機,犧牲了一些氣體壓力,從而使活體動物轉殖成為可能,可以對活體動物的肌肉、皮膚直接進行轉殖。因其體積小巧,方便實驗人員隨身攜帶,大大地拓寬了基因槍的套用範圍。在隨後的10年裏,Helios手持式基因槍被廣泛套用于由原生質體再生植株較為困難和農桿菌感染不敏感的單子葉植物的基因轉殖。在基因槍以前,外源DNA進入細胞質後很難穿過雙層膜的細胞器。用基因槍技術轉化這類細胞器,轉化頻率高,重復性好,是目前該領域研究中最常用和最有效的DNA導入技術。相比較第一代台式基因槍而言,手持式基因槍由于氣體壓力較小(僅有100-600 psi),而不能穿透成熟葉片的細胞壁,一定程度上影響了其在植物中轉基因的套用範圍,不過與台式基因槍互補,Helios很好地延伸了基因槍的套用領域。

同樣是利用高壓氣體傳送基因,製作技術的改良使得基因槍從細胞轉殖到活體轉殖,從台式到手持,一步一步將基因槍的套用範圍擴大。首先意識到並積極嘗試利用基因槍的生命科學工作者在轉基因工作中的科研水準得到了極大提高,轉基因工作者的想象力也因此得到了解放。蒸蒸日上的基因槍技術被學界寄予厚望,視為轉基因領域的明日之星。不過慢慢地人們發現,活體動物的髒器相比于皮膚、肌肉要脆弱得多,如小鼠活體的肝和脾最多隻能承受40psi的壓力,在100psi的高壓氣體沖擊下器官會被嚴重破壞而導致實驗失敗。而過低的氣體壓力並不能令基因微載體具有足夠的動量打入細胞內部。氣體壓力與粒子傳遞速度的矛盾成了基因槍發展的瓶頸,這個問題在之後的10年一直困擾著各大生命科學儀器廠商的研發團隊。

直到2009年,Wealtec公司推出GDS-80低壓基因傳遞系統(又稱:GDS-80基因槍)(US Patent Number 6,436,709 B1),引領了第三代基因槍技術發展方向。GDS-80手持式基因槍巧妙地從流體動力學與航空動力學入手,使用氦氣氮氣于低壓狀態加速生物分子至極高的速度,完成基因傳送,從一個全新的角度解決了氣壓與粒子速度的矛盾。第三代基因槍的超低壓(10-80 psi)推動,不僅沒有犧牲反而大大增加了微粒子的傳輸動量,因此不僅使基因槍能夠成功套用于僅在低壓狀態下才能完成的動物活體器官層面轉殖;而且相比較于第二代手持式基因槍,GDS-80射出的攜基因微粒子因為其本身的高動量,居然能夠像台式基因槍發射出的粒子一樣穿透植物細胞壁穿入植物細胞完成轉殖,而在此之前,完成這一工作的第一代台式基因槍需要至少1000-2000psi的高壓氣體。在動物細胞,尤其是活體動物轉殖實驗中,本身具備高動量的生物粒子毋需借由微粒子載體(如金粒子)的攜附方式轉移至目標體中,這在避免了靶細胞內異物殘留問題的同時,大大降低了實驗成本。第三代基因槍的低壓傳導,使得細胞損害與槍體轟擊的噪音都大大減少,並有效地在動物實驗中降低了由金粉微載體帶來的昂貴開銷。GDS-80基因槍“子彈”的製備也從幹式轉為濕式,節省了烘幹的時間,簡化了流程。

基因槍

相關研究

1.基因轉殖于目標細胞,組織,器官或活體

2.基因功能短暫表現之研究

3.功能穩定性表現之研究

4.遺傳或癌症相關之研究

5.DNA疫苗的研究與套用

6.基因治療相關之研究

7.基因轉殖植物之研究

8.基因工程或葯物相關研究

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