华裔研究组Nature子刊:更快,更便宜基因芯片

【字体: 时间:2011年07月12日 来源:生物通

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  来自美国杜克大学生物医药工程及基因科学政策研究所等处的研究人员研发了一种新型技术,能在两天时间内完成一种大小为3英寸的基因芯片,大大的缩短了芯片制作的时间和成本,而且这种基因芯片还具有自我校对的功能,这种技术将可以用于新药筛选,和基因克隆,对于这些领域的发展具有重要的意义。这一研究成果公布在Nature Biotechnology杂志上。

  

生物通报道:来自美国杜克大学生物医药工程及基因科学政策研究所等处的研究人员研发了一种新型技术,能在两天时间内完成一种大小为3英寸的基因芯片,大大的缩短了芯片制作的时间和成本,而且这种基因芯片还具有自我校对的功能,这种技术将可以用于新药筛选,和基因克隆,对于这些领域的发展具有重要的意义。这一研究成果公布在Nature Biotechnology杂志上。

文章的通讯作者是杜克大学的田敬东(Jingdong Tian,音译)助理教授,其他研究人员包括杜克大学的Jiayuan Quan(第一作者),Hui Gong等人。

DNA是生物体遗传物质,是蛋白表达的蓝图,也是生命的基石,这一物质由碱基对组成。目前的技术要制作基因芯片中的DNA碱基对需要0.5-1美元,而且制作周期长——通常需要两周时间,其中还需要利用大型设备及大量人力。除此之外获得的芯片还会出现许多碱基对错误,因此后期还要进行检测鉴别。

在这篇文章中,研究人员成功开发了一种大小为1×3平方英寸的基因芯片,这一芯片上可以包含30个基因(或基因变异池),制作这种芯片的时间只需两天,节约了大量的人力物力,成本也降至不足1美分。而且更重要的是,这种芯片具有自我校对的功能,无论何时发现复制错误,它都能自动进行修正。

这对于新药生产和筛选以及基因克隆研究具有重要意义。比如说近期花费四年时间完成的单细菌基因组克隆,这个计划的费用是4000万美元,如果采用新基因芯片系统,那么就能大量降低成本和减少人力物力。

基因合成包括三个步骤:寡核苷酸合成,纯化和排列,这每一个步骤都要花费1-2天才能完成,而最新的这种芯片将三步操作并为一步,整个过程可在两天内完成,而且由于这一芯片中的孔比较小,因此花费的化学试剂也少,降低了成本。

最后为了确保不出现碱基对错配,研究人员添加了一种能识别碱基对错误位置的酶,利用这种酶将错配的碱基对消化,从而保证精确性。研究人员还生成并测试了74个黑腹果蝇转录因子的密码子变异库。实验证明高度表达的变通过抗体的产生,并且根据绿色荧光蛋白(GFP)融合蛋白标记物的荧光强度,这些变异被成功鉴别出来。

近期Science还报道了一种新型芯片技术,这种技术能在极短的时间内检测出病原体基因片段的存在,并且准确度高于现有的其他方法。这种新技术平台就是EFADchip®(Electric Field Assisted Diagnostic chip,电场辅助杂交芯片)技术平台,这种平台的原理是将电场辅助的杂交方法以及纳米微粒的信号处理方法结合起来,应用电子控制流体技术,将样本的杂交、信号的收集和处理等一整套检测实验高度集成到一张小小的芯片上进行,使整个检测过程即可在一台仪器上完成。

相信这些技术未来的前景将不可限量。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Parallel on-chip gene synthesis and application to optimization of protein expression

Low-cost, high-throughput gene synthesis and precise control of protein expression are of critical importance to synthetic biology and biotechnology1, 2, 3. Here we describe the development of an on-chip gene synthesis technology, which integrates on a single microchip the synthesis of DNA oligonucleotides using inkjet printing, isothermal oligonucleotide amplification and parallel gene assembly. Use of a mismatch-specific endonuclease for error correction results in an error rate of ~0.19 errors per kb. We applied this approach to synthesize pools of thousands of codon-usage variants of lacZα and 74 challenging Drosophila protein antigens, which were then screened for expression in Escherichia coli. In one round of synthesis and screening, we obtained DNA sequences that were expressed at a wide range of levels, from zero to almost 60% of the total cell protein mass. This technology may facilitate systematic investigation of the molecular mechanisms of protein translation and the design, construction and evolution of macromolecular machines, metabolic networks and synthetic cells.

 

 

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