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7平方厘米大小的芯片一次測試超過1000種突變酶

2021-07-28 13:26:35 來源：中國科學(xué)報

研究人員開發(fā)出具有1568個微孔的芯片，能一次測試超過1000種突變酶。

人們要弄清蛋白質(zhì)或酶是如何工作的，以及了解基因突變?nèi)绾斡绊戇@些對生命至關(guān)重要的分子，往往需要數(shù)年時間。研究人員必須一個個地改變分子中的氨基酸，產(chǎn)生變異的酶，并測試變異如何影響酶的機能。

現(xiàn)在，一種蝕刻有微小通道的玻璃芯片，可以讓研究人員一次測試超千種突變酶，并將時間縮短到幾個小時。

近日，發(fā)表在《科學(xué)》上的一篇論文描述了這種名為“高通量微流體酶動力學(xué)”（HT-MEK）的新系統(tǒng)，如何為科學(xué)家研究致病蛋白質(zhì)、開發(fā)分解環(huán)境毒素的酶，以及理解不同物種之間的進化關(guān)系提供一種更快的方法。

為開發(fā)HT-MEK，美國斯坦福大學(xué)的生物工程師Polly Fordyce和生物化學(xué)家Daniel Herschlag等人工作了6年，最終制成了一個價值10美元、約7平方厘米大小的芯片。該芯片包含1568個微孔，每個孔包含一種變異的酶和一個微流控系統(tǒng)，后者可以同時向所有突變體輸送試劑。

為了測試這個系統(tǒng)，F(xiàn)ordyce和Herschlag選擇了一種叫做PafA的細菌酶，這種酶可以改變其他蛋白質(zhì)。通過設(shè)計DNA序列，他們將PafA的526個氨基酸分別替換成不同的氨基酸，從而創(chuàng)建了一個突變酶“庫”。機器人將這些DNA序列放入芯片的單個孔中并添加試劑，使蛋白質(zhì)得以生成。然后，研究人員向該芯片中添加了一種化學(xué)物質(zhì)，這種物質(zhì)經(jīng)PafA處理后會發(fā)光。他們用掃描儀測量了這種化學(xué)物質(zhì)發(fā)出的光量——使PafA效力降低的突變會減少光量。

這一系統(tǒng)并非簡單地告訴研究人員這個實驗成功與否，而是能讓他們檢查每個突變酶進行反應(yīng)的速度，并確定化學(xué)物質(zhì)或pH值的變化如何影響酶折疊和功能。“這就像剝下蛋白質(zhì)的外殼往里面看，看到一幅建筑圖。”Fordyce說。

此外，由于一次可篩選如此多的突變體，該系統(tǒng)能讓研究人員關(guān)注活性位點突變之外的區(qū)域。其他區(qū)域的突變?nèi)钥赡芡ㄟ^改變酶折疊或與其他蛋白質(zhì)結(jié)合的方式影響酶的功能。HT-MEK在PafA上確定了161個這樣的位點。多年研究這種酶的Herschlag說，突變的影響程度令人驚訝。

標簽：玻璃芯片基因突變微流控系統(tǒng) 化學(xué)物質(zhì)