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  • 發布時間:2022-04-26 12:00 原文鏈接: 基因槍技術的歷史

    基因槍的歷史可以追溯到1987年。

    第一代基因槍是臺式基因槍,其中火藥型臺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年最早應用基因槍進行洋蔥表皮細胞的轉化,并獲得了成功。

    臺式基因槍臺式基因槍

    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年先后申報了三個關于基因槍技術的ZL(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,并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,并且得到了瞬時表達。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。

    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”臺式基因槍,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ZL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ZL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議。隨后,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年推出了新的槍種并申請了ZL(中國ZL89109334和91207467)。與現在新型手持型基因槍不同,臺式基因槍體積偏大,實驗場所受限,不能靈活應用于田間地頭。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臺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,金粉與控制氣壓用的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,來帶動位于小塑料管內壁處預包有DNA、RNA 或其它生物材料的金粉顆粒,將其直接打入細胞內部。與第一代臺式基因槍相比,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應用范圍。在隨后的10年里,Helios手持式基因槍被廣泛應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進入細胞質后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。相比較第一代臺式基因槍而言,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應用范圍,不過與臺式基因槍互補,Helios很好地延伸了基因槍的應用領域。

    同樣是利用高壓氣體傳送基因,制作技術的改良使得基因槍從細胞轉殖到活體轉殖,從臺式到手持,一步一步將基因槍的應用范圍擴大。首先意識到并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平得到了極大提高,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,活體動物的臟器相比于皮膚、肌肉要脆弱得多,如小鼠活體的肝和脾最多只能承受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。而過低的氣體壓力并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,這個問題在之后的10年一直困擾著各大生命科學儀器廠商的研發團隊。

    GDS-80基因槍GDS-80基因槍

    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,使用氦氣或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應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,居然能夠像臺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臺式基因槍需要至少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,并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”的制備也從干式轉為濕式,節省了烘干的時間,簡化了流程。


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