Only Perception: 科學家以新方法利用噴墨印表機操縱基因

2009-10-12

科學家以新方法利用噴墨印表機操縱基因

Scientists Use Inkjet Printer to Manipulate Genes in New Ways
http://www.physorg.com/news173950754.html

By Lisa Zyga, October 5th, 2009

(PhysOrg.com) -- 隨著生物化學最近的進展，研究者能控制生長中細胞的迴路，藉此影響細胞發展出特定顯型（phenotypes）。在此領域中向前邁出一步，研究者最近證明一種新技術：隨著時間過去，控制基因在二維中的表現，那先前未曾被證明過。而且他們利用一部 100 美元的噴墨印表機，經些許修改後，辦到這件事。

UCB 的 Daniel Cohen 與 Michel Maharbiz，以及瑞士 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne 的 Roberto Morfino，已將他們的新方法發表在最近一期的 PLoS ONE 上。

"在工程的層次上，我們開發一種成本超低、對使用者友善的系統，任何生物實驗室都能用它來探索生物系統的時空控制（spatiotemporal control ），" Cohen 表示。"在科學的層次上，我們證明，藉由控制某生物系統中給予（dosing）化學物質的位置與時機，我們能隨意操縱遺傳迴路，使其表現如更複雜的形態發生（morphogenetic）迴路，這種遺傳迴路調控模式（pattern）的形成，例如我們的頭在何處與我們的腳有關係，以及為何我們有五根手指。"

在他們的研究中，研究者使用商業級的 Epson R280 噴墨印表機將乳糖與葡萄糖的圖樣（patterns）噴到培養大腸桿菌的洋菜膠（瓊脂膠、石花菜膠）上，以便調控稱為 lac operon（乳糖操縱子）的路徑。如同科學家所解釋的，乳糖在這個雙穩態（bistable）的 lac operon 系統中扮演一種誘導物（inducer）而葡萄糖則成為一種抑制物（inhibitor）。lac 系統有四種狀態。如果那裡沒有乳糖或葡萄糖，它能有效地關閉。如果那裡只有葡萄糖，該系統也會關閉。如果那裡有葡萄糖與乳糖，該系統則會呈現低度開啟（low-on）狀態。如果只有乳糖，該系統則會全開（full-on）。原因是葡萄糖比乳糖提供更多能量，若葡萄糖出現在周遭，沒必要浪費資源吃乳糖。

在他們的新方法中，研究者使用使用注射幫浦手動將乳糖與葡萄糖「墨水」注入印表機的色墨儲墨器中。印表機作用完全正常，但噴出的是溶液而非墨水。Epson R280 也有能力噴在堅硬的基質上，讓研究者能將普通 CD 當成基質來用。在列印前，科學家首先直接在 CD 表面磨出 800 微米深的井狀物（wells），他們將大腸桿菌培養轉移至此。最後，他們使用 Adobe Photoshop 來創造特殊的圖樣，使用這種「墨水」將它們直接噴到這些井狀物中。

研究者在噴墨 15 小時候以數位相機拍攝大腸桿菌培養的照片。他們能看見他們列印的乳糖與葡萄糖分別呈現出黑暗與明亮的區域，這是因 lac operon 的狀態所致。lac operon 的雙穩態使得鮮明的遺傳表現邊界能夠產生，不過科學家也在葡萄糖與乳糖區域之間的邊界觀察到有趣的動態行為。

總得來說，在控制基因表現的各種應用中，利用噴墨印表機來控制細胞行為，能提供研究者一種多功能的、低成本的以及開放原碼的工具。

（後略譯）

"基礎科學倚賴在一種受控制的風格中操縱特定路徑，" Cohen 解釋。"這讓我們學到更多關於這些路徑的行為，而精確控制遺傳活動通常是回答什麼基因導致什麼活動的唯一方法。"

諸如醫學上的基因療法都依賴這種概念，而組織工程則能因精確控制基因在給定的時間與位置活化而獲益匪淺。此外，合成生物學也正在建立合成的多細胞構造，也能使用這種方法來影響圖樣的發展。

Cohen 表示，除了基礎科學之外，能夠控制基因活性對於合成生物學也能有巨大衝擊。除了能利用特殊遺傳迴路控制細菌產生藥物（如 Dr. Jay Keasling 的 artemisinin），醫療上的組織工程也相當倚重這種告訴細胞該做什麼事的能力。例如告訴幹細胞該分化成某種世系，或告訴細胞在某區域開始形成血管。這類控制可由許多方式達成，其中一種就是直接控制基因活性。

※ 相關報導：

＊ A Modified Consumer Inkjet for Spatiotemporal Control of Gene Expression
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0007086