加速蛋白质进化

所有的生物都需要蛋白质,一个巨大的家人分子性质的“秩序”是根据DNA蓝图。

通过进化的自然过程,DNA突变产生新的或更有效的蛋白质。人类已经发现很多选择使用这些分子,食品,工业酶,抗癌药物——科学家们渴望更好地了解工程师蛋白质变异为特定用途而设计的。

现在斯坦福大学的工程师们发明了一种技术来显著加速蛋白质进化为这个目的。这种技术允许研究人员测试数百万变体的一个给定的蛋白质,选择最好的一些任务,确定创建这种变体的DNA序列。

“进化,适者生存,发生在几千年的时间,但是我们现在可以直接蛋白质进化在几小时或几天,”詹妮弗·科克伦说,生物工程副教授合著的论文中托马斯·贝尔,斯坦福大学光子学研究中心执行主任。

“这是一个实用、多功能系统广泛应用,研究人员会发现容易使用,”贝尔说。

通过结合科克伦与贝尔的蛋白质工程技术在激光仪器方面的专长,团队创建了一个工具,可以测试数百万蛋白质变异在几小时内。

“游行令人印象深刻,我期待着看到这项技术更广泛地采用,”弗朗西斯·阿诺德说,加州理工学院的化学工程教授没有隶属于这项研究。

使一百万突变体

µSCALE研究者称他们的工具,或单个细胞分析和激光提取。

“µ”代表了微细管载玻片保存蛋白质样品。幻灯片是大约一分钱的大小和厚度,然而在那个空间一百万毛细管排列像稻草一样,打开顶部和底部。

µSCALE的力量是如何使研究人员能够建立当前生化技术来同时运行一百万蛋白质实验,然后提取,进一步分析最有希望的结果。

研究人员首先使用一种称为“突变”的过程来创建随机变化在一个特定的基因。这些突变插入批次酵母或细菌细胞,表达改变的基因和产生数以百万计的随机变异的蛋白质。

µSCALE用户和数以百万计的微小的不透明玻璃珠为样本包含数以百万计的酵母或细菌和息差微细管幻灯片上的混合物。微量的液体滴到每个管,单个细胞。表面张力的陷阱在每个毛细管液体和细胞。

滑动轴承这些百万酵母或细菌,产生的蛋白变体,插入µSCALE设备。软件控制显微镜同行到每个毛细管和生化反应发生在其中的图像。

一旦µSCALE用户识别感兴趣的毛细管,研究者可以直接提取的内容的激光管没有破坏其邻国,使用一个巧妙的方法由贝尔发明的。

“珠子是什么使萃取,”贝尔说。“激光能源供应将珠子,这打破了表面张力和释放从毛细管样品。”

因此µSCALE清空一个毛细管的内容到一个收集器板,在孤立的细胞的DNA测序和基因变异负责感兴趣的蛋白质可以被识别。

“µSCALE独特的特性之一是它允许研究人员迅速隔离一个所需的细胞从成千上万的其他细胞,”鲍勃Chen说博士生在科克伦的实验室谁写的软件检查和检测试管内的有趣的蛋白质活动迹象。

有前途的变异可以通过µSCALE收集和再加工,进一步发展和优化蛋白质。

“这是一个令人兴奋的新工具来回答关于蛋白质的重要问题,”科克伦说,比喻µSCALE高通量基因分析工具的方式允许研究人员开启关键特性人类疾病的生物学基础。

《创世纪》和证明

五年前开始这个项目当贝尔和合作者伊凡Dimov开发第一个乐器。他们展示了如何识别细胞类型微细管阵列和提取一个毛细管使用玻璃珠和聚焦激光的内容。

大约三年前,科克伦和贝尔联手开发µSCALE蛋白质工程,和团队设计了三个实验来展示µSCALE的效用和灵活性。

在一个实验中,研究人员筛选蛋白质库在酵母细胞生产选择癌症抗体结合最紧密的目标。约束性目标高的抗体亲和力,有效对抗癌症。

在第二个例子中,他们设计了一个明亮的橙色荧光蛋白生物传感器。使用µSCALE,他们这样做几乎比先前的方法快10倍。这类生物传感器通常用作标记在各种各样的生物学实验。

第三个实验,进行了斯坦福大学生物化学教授丹尼尔•HerschlagµSCALE用来改进模型酶。

“该系统将允许我们探索酶的进化和功能之间的关系,指导工程的新酶,可以进行小说有益的反应,“Herschlag说。