美開發(fā)出細胞編程新方法

美國研究人員開發(fā)出一種稱為多重自動基因工程技術（MAGE）的細胞編程新方法，通過平行編輯多重基因，可快速進行細胞定制。他們僅用3天時間就將大腸桿菌細胞轉變成一個生產化合物的高效工廠，而大多數生物科技公司要完成這一任務需要幾個月或幾年的時間。該研究成果刊登在7月26日的《自然》雜志網絡版上。     　　隨著生物技術的發(fā)展，高通量基因測序技術使得生物學家可以每小時掃描數百萬個DNA字母或堿基。但當他們要修正一個基因組時，往往會遇到阻礙，而過時的細胞編程技術更加大了修正的難度。   
　　為了縮小DNA測序技術和細胞編程技術之間的差距，加快細胞編程速度，以快速設計出細胞的新功能或提高現有細胞功能，美國哈佛醫(yī)學院遺傳學教授喬治·丘奇領導的研究小組尋求利用基因和基因組信息，來開發(fā)新的細胞編程工具。新技術的關鍵在于，如何擺脫線性基因工程技術的束縛，超越目前的串行操縱單個基因模式。      
　　研究人員選定大腸桿菌作為實驗對象。他們將幾個基因引入到大腸桿菌的環(huán)狀染色體中，誘使其產生番茄紅素——胡蘿卜素的一種，具有極強的抗氧化活性。接下來的任務就是想辦法調整細胞來增加這種化合物的產量。   
　　傳統(tǒng)上，可利用DNA重組技術，也稱為基因克隆技術，來完成該類轉化。但這種技術的程序相當復雜，包括分、切、連、轉等多個環(huán)節(jié)。丘奇教授領導的研究小組則采取了不同的方法。研究論文的作者之一哈里斯·王強調，基因功能不是孤立的，而是相互依存的。克隆經常會使研究人員忽略了基因的相互依存性，以至于過于簡單地看待細胞系統(tǒng)。他們有可能忘記，某一個突變可能會增強或削弱另一個突變的效果。而該論文的另一位作者法倫·艾薩克斯則指出，要預測哪一種變異組合會帶來預期的性能幾乎是不可能的，生物學如此復雜，根本無法找到這個問題的最優(yōu)解。
　　因此，研究小組將工程師的邏輯性與生物學家對復雜事物的理解力有效結合起來。他們重組了進化路徑，以前所未有的速度創(chuàng)造出遺傳多樣性，從而增加了發(fā)現具有特定屬性細胞的幾率。   
　　研究人員從大腸桿菌4500個基因中選取了24個基因，將它們的DNA序列分成易于處理的90個字母片段，然后對每一個片段進行修改，以產生一系列的基因變異。接下來，利用這些特定的序列，研究人員制成數千個獨特的基因結構，將它們重新插回細胞，以使自然的細胞機制能吸收這些改進了的遺傳物質。   
　　實驗表明，有些細菌會和一個新結構融合，有些細菌則可以和多個新結構融合。在所產生的細胞中，有些比其他細胞能產生更多的番茄紅素。研究小組從這些細胞中提取出最好的“生產者”，不斷重復同樣的過程，以使這一“生產機械”更加精細完善。而為了使實驗更容易，所有這些步驟都是自動操作進行的。   
　　通過加速進化，研究小組在3天內創(chuàng)造出多達150億個基因變異，而番茄紅素的產量則提高了5倍。而如使用傳統(tǒng)的克隆技術創(chuàng)造這150億個基因變異，需花費數年的時間。   
　　報道指出，該研究小組的新路徑在合成多種寶貴化合物的過程中會起到很重要的作用，那些經過重新編程的細菌也具有多種用途。MAGE平臺將會給生物技術學，尤其是合成生物學的發(fā)展，帶來強有力的推動。正如丘奇教授所言，MAGE這種自動化、多元化的技術將有助于研究人員設計出完整的研究路徑和基因組，將把細胞編程技術帶到一個全新的水平。