基因传递利器 – 基因枪发展概况

1990 年，美国杜邦公司 (DuPontCompany) 推出首款商品基因枪 PDS-1000 系统。该仪器是一种「biolistic」台式基因枪, 有关的工艺技术是从一个小型的 Biolistics 公司 (负责人来自康乃尔大学) 购买的。据康乃尔研究基金会副主席和大学专利及技术市场的负责人 W.Haeussler 说, 向杜邦公司转让的这个技术是当时康乃尔发明的一次最大交易, 将总数 228 万美元的专利税和研究支持费一次性付给康乃尔大学。当时由伯乐公司 (Bio-RadLaboratories,Inc.) 与杜邦签署的的代工与分销商协议。随后，伯乐公司 1992 年推出了 PDS-1000/He 枪。国内中国科学院生物物理所和清华大学也分别于 1989 年和 1991 年推出了新的枪种并申请了专利（中国专利 89109334 和 91207467）。与现在新型手持型基因枪不同，台式基因枪体积偏大，实验场所受限，不能灵活应用于田间地头。高压气体需要抽真空，压缩机工作时噪音较大，而且过高气压推动微粒子轰击使得台式基因枪仅限于细胞转殖而不能用于活体转殖。第一代基因枪的每枪轰击成本也很高，金粉与控制气压用的 Rapture disk 均造价不菲。

 

第二代基因枪出现于 1996 年，伯乐公司推出了 Helios 手持式基因枪。这是历史上最早出现的手持式基因枪。该系统通过可调节的氦气脉冲，来带动位于小塑料管内壁处预包有 DNA、RNA 或其它生物材料的金粉颗粒，将其直接打入细胞内部。与第一代台式基因枪相比，Helios 手持式基因枪摒弃了抽真空压缩机，牺牲了一些气体压力，从而使活体动物转殖成为可能，可以对活体动物的肌肉、皮肤直接进行转殖。因其体积小巧，方便实验人员随身携带，大大地拓宽了基因枪的应用范围。在随后的 10 年里，Helios 手持式基因枪被广泛应用于由原生质体再生植株较为困难和农杆菌感染不敏感的单子叶植物的基因转殖。在基因枪以前，外源 DNA 进入细胞质后很难穿过双层膜的细胞器。用基因枪技术转化这类细胞器，转化频率高，重复性好，是目前该领域研究中最常用和最有效的 DNA 导入技术。相比较第一代台式基因枪而言，手持式基因枪由于气体压力较小（仅有 100-600 psi），而不能穿透成熟叶片的细胞壁，一定程度上影响了其在植物中转基因的应用范围，不过与台式基因枪互补，Helios 很好地延伸了基因枪的应用领域。

 

同样是利用高压气体传送基因，制作技术的改良使得基因枪从细胞转殖到活体转殖，从台式到手持，一步一步将基因枪的应用范围扩大。首先意识到并积极尝试利用基因枪的生命科学工作者在转基因工作中的科研水平得到了极大提高，转基因工作者的想象力也因此得到了解放。蒸蒸日上的基因枪技术被学界寄予厚望，视为转基因领域的明日之星。不过慢慢地人们发现，活体动物的脏器相比于皮肤、肌肉要脆弱得多，如小鼠活体的肝和脾最多只能承受 40psi 的压力，在 100psi 的高压气体冲击下器官会被严重破坏而导致实验失败。而过低的气体压力并不能令基因微载体具有足够的动量打入细胞内部。气体压力与粒子传递速度的矛盾成了基因枪发展的瓶颈，这个问题在之后的 10 年一直困扰着各大生命科学仪器厂商的研发团队。

 

直到 2009 年，Wealtec 公司推出 GDS-80 低压基因传递系统（又称：GDS-80 基因枪）（US Patent Number6,436,709B1），引领了第三代基因枪技术发展方向。GDS-80 手持式基因枪巧妙地从流体动力学与航空动力学入手，使用氦气或氮气于低压状态加速生物分子至极高的速度，完成基因传送，从一个全新的角度解决了气压与粒子速度的矛盾。第三代基因枪的超低压（10-80psi）推动，不仅没有牺牲反而大大增加了微粒子的传输动量，因此不仅使基因枪能够成功应用于仅在低压状态下才能完成的动物活体器官层面转殖；而且相比较于第二代手持式基因枪，GDS-80 射出的携基因微粒子因为其本身的高动量，居然能够像台式基因枪发射出的粒子一样穿透植物细胞壁穿入植物细胞完成转殖，而在此之前，完成这一工作的第一代台式基因枪需要至少 1000-2000psi 的高压气体。在动物细胞，尤其是活体动物转殖实验中，本身具备高动量的生物粒子毋需借由微粒子载体 (如金粒子) 的携附方式转移至目标体中，这在避免了靶细胞内异物残留问题的同时，大大降低了实验成本。第三代基因枪的低压传导，使得细胞损害与枪体轰击的噪音都大大减少，并有效地在动物实验中降低了由金粉微载体带来的昂贵开销。GDS-80 基因枪“子弹”的制备也从干式转为湿式，节省了烘干的时间，简化了流程。
 

GDS-80 基因枪