一种神奇的细菌,解救科研民工于水深火热

时间:2019-10-01 来源: 国际新闻

我是一名科学家2019.9.1我想分享

穆利斯是少数几位因发明技术而获得诺贝尔奖的科学家之一。他发明了聚合酶链式反应(PCR),它可以在与生物分离的人工条件下将极少量的DNA扩增数亿次,帮助人们更容易地检测DNA片段。存在,用于后续研究。该技术的发明彻底改变了现代分子生物学的发展。

Kary Mullis和PCR技术| gairdner.org; ib.bioninja.com

从复杂到简单

从1983年到1985年,PCR技术在其诞生之初实际上并不简单或优雅,而是一项非常复杂和繁琐的任务。

当时,由于生物发育的限制,在实验室中可用于DNA扩增的唯一酶是大肠杆菌I型DNA聚合酶及其一些衍生物。该酶的最佳工作温度为37℃,这是大肠杆菌的最佳生长温度。

扫描电子显微镜,大肠杆菌后约10,000次(颜色后来人工绘制,不真实)| Janice Haney Carr/flickr

DNA扩增实际上是DNA的自我复制,但是双螺旋状态的DNA不能被复制,所以我们需要打开这个双螺旋。打开的方法很简单。加热,特别是在95℃下解聚双链DNA。

然而,问题是这种加热过程将完全灭活DNA聚合酶。如果酶失去活性,它自然无法完成复制。因此,有必要及时补充酶以继续反应。

具有DNA底物的大肠杆菌I型DNA聚合酶的Klenow片段的复杂晶体结构,其中蓝色是聚合酶的蛋白质部分,红色是双链DNA | Nekout

此时进行PCR是不容易的:每次进行反应时,都需要手动加酶,然后将其置于37℃的水浴中一定时间;何时取出,转移到95°C的水浴中。设定时间;拿出来冷却一会儿,然后加入一些酶,缓冲液和必要的复制等引物,然后再来.好吧,这个循环,总需要重复30到40次。

那时,没有手机刷,等待实验间隔不愉快(你终于可以阅读文献)了。想象一下当时许多研究生的心理和意志力,以完成PCR并获得学位。

即使你每个周期都添加盐等试剂,做30或40次也会很烦人。 Nekout

人们意识到科学研究人员的救助陷入了困境。必须拥有能够承受高温的DNA聚合酶。我应该在哪里找到这种神奇的酶?

当然,在炎热的地方寻找它。

又一次细菌胜利

20世纪70年代,美籍华裔女科学家Alice Chien专注于辛辛那提大学生物系黄石国家公园温泉中的一些细菌,她的导师是John Trela。

温泉在黄石国家公园,美国| Jim Peaco,国家公园管理局

他们分离并纯化了一种DNA聚合酶 Taq DNA聚合酶,该聚合酶可以承受来自Thermus aquaticus的极高温度,该菌株通常可以在70°C繁殖。 Taq取自细菌名称Thermus首字母T和水生物种的前两个字母aq。

Taq酶操作的最佳温度为约72℃,并且需要二价镁离子作为辅助因子。最重要的是,即使加热到95°C几个小时,它仍保持一定的活性。 PCR很漂亮吗?

左图:水生养殖细菌的扫描电子显微照片(颜色是后来人工绘制的,不是真的);右:Taq DNA聚合酶的晶体结构| Diane Montpetit; Nekout

1986年,Mulhouse同事Randall Saiki成功地将Taq DNA聚合酶应用于PCR技术,最终解决了每轮补充试剂的需要,并改变了整个反应。它更简单,更容易,更稳定。同时,从大肠杆菌I型DNA聚合酶到Taq DNA聚合酶的转化对PCR效应具有巨大影响。 1988年,Mullis团队发表了两种酶之间PCR的差异在科学:PCR扩增产物中使用Taq DNA聚合酶,单一,清晰和大,使用大肠杆菌I型DNA聚合酶有许多杂质。

Biodogs希望结果位于A和B的右侧。

大肠杆菌I型DNA聚合酶和Taq DNA聚合酶在PCR实验中的作用在1988年发表在“科学”杂志上的Mullis团队进行了比较。 RK Saiki,et al。/Science(1988)/p>

这是一个飞跃,这是每个人的福利

尽管补充试剂很麻烦,但操作者仍需要在不同温度的水浴之间来回定期地来回切换反应管。那时,一些专门为PCR开发的水浴。 PCR浴实际上用于排出三个独立的水浴。

PCR浴,三个独立的水浴连接在一起,三个温度可供选择| nstructables.com

为了提高生产力,Mullis的PE-Cetus公司在20世纪80年代后期开创了自动PCR仪器,使整个PCR反应过程得以完全操作。

在接下来的30年中,PCR技术迅速发展。毫不夸张地说,如果没有PCR技术,现代生物技术将不会带来各种好处。我们将无法快速识别流感病原体的类型,也无法快速诊断导致疾病的基因突变。亲子鉴定,更难以拥有现代基因工程来帮助我们制造药物,精细化学品等。

水生的Torogen和人类的交集不会停留在PCR。进入21世纪后,随着合成生物学的发展,对大规模DNA装配的需求也在增加。 2009年,Daniel Gibson使用来自Aquatic Thermophils的Taq连接酶与其他两种热稳定聚合酶和外酶组合设计Gibson组装,可在短短30分钟内组装。一个超长的DNA片段。这为合成酵母染色体和病毒基因组的未来研究提供了可靠的基础。

现代自动化PCR仪,告别水浴加热,采用半导体温控技术| 26Isabella/wikimedia

话虽如此,你可能仍然觉得这些离你很远。但事实上,水生舒缓细菌不仅生活在温泉中,而且研究发现它们可能存在于你的茶杯和家用热水器中。

事实上,我们生活在一个充满细菌的环境中,这些微小的生物无处不在,无论是在体内还是体外。对于人们来说,他们中的大多数人都是沉默的,对我们的健康无私奉献,或者为我们的生活带来一些浪潮,绝大多数人只是生活在那里。其中只有少数被发现,命名,并为我们的科学发展而发光。当然,我们也要感谢那些发现它们的人。

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穆利斯是少数几位因发明技术而获得诺贝尔奖的科学家之一。他发明了聚合酶链式反应(PCR),它可以在与生物分离的人工条件下将极少量的DNA扩增数亿次,帮助人们更容易地检测DNA片段。存在,用于后续研究。该技术的发明彻底改变了现代分子生物学的发展。

Kary Mullis和PCR技术| gairdner.org; ib.bioninja.com

从复杂到简单

从1983年到1985年,PCR技术在其诞生之初实际上并不简单或优雅,而是一项非常复杂和繁琐的任务。

当时,由于生物发育的限制,在实验室中可用于DNA扩增的唯一酶是大肠杆菌I型DNA聚合酶及其一些衍生物。该酶的最佳工作温度为37℃,这是大肠杆菌的最佳生长温度。

扫描电子显微镜,大肠杆菌后约10,000次(颜色后来人工绘制,不真实)| Janice Haney Carr/flickr

DNA扩增实际上是DNA的自我复制,但是双螺旋状态的DNA不能被复制,所以我们需要打开这个双螺旋。打开的方法很简单。加热,特别是在95℃下解聚双链DNA。

然而,问题是这种加热过程将完全灭活DNA聚合酶酶,如果失活,自然仍然无法完成的复制,因此有必要及时补充酶以继续反应。

大肠杆菌I型DNA聚合酶和DNA底物的Klenow片段的复杂晶体结构,其中蓝色是聚合酶的蛋白质部分,红色是双链DNA Nekout

当时,做PCR不容易:每一轮反应,我们都需要人工添加一种酶,然后将其放入37℃的水浴锅中,定时;什么时候把它拿出来,把它转移到95℃的水浴锅里,再设一次;把它冷却一段时间,加入一些酶,缓冲液并复制必要的引物等。等等,然后再来.好吧,这个循环可能需要大约30到40次重复。

当时,没有手机刷,所以等待实验之间的差距是不愉快的(最后,我们可以很好地阅读文献)。想想许多研究生依靠什么样的精神和意志来完成PCR,以获得他们的学位。

即使在每个循环中添加盐等试剂,也要添加30或40倍的无聊| Nekout

人们认识到,拯救农民工的紧迫任务是拥有能够承受高温的DNA聚合酶。我在哪里可以找到这种神奇的酶?

当然,去热门的地方。

另一种细菌的胜利

20世纪70年代,美籍华裔科学家爱丽丝钱恩(Alice Chien)跟随他的导师约翰特雷拉(John Trela)在辛辛那提大学生物系学习黄石国家公园温泉中的细菌。

温泉在黄石国家公园,美国| Jim Peaco,国家公园管理局

他们分离并纯化了一种DNA聚合酶 Taq DNA聚合酶,该聚合酶可以承受来自Thermus aquaticus的极高温度,该菌株通常可以在70°C繁殖。 Taq取自细菌名称Thermus首字母T和水生物种的前两个字母aq。

Taq酶操作的最佳温度为约72℃,并且需要二价镁离子作为辅助因子。最重要的是,即使加热到95°C几个小时,它仍保持一定的活性。 PCR很漂亮吗?

左图:水生养殖细菌的扫描电子显微照片(颜色是后来人工绘制的,不是真的);右:Taq DNA聚合酶的晶体结构| Diane Montpetit; Nekout

1986年,Mulhouse同事Randall Saiki成功地将Taq DNA聚合酶应用于PCR技术,最终解决了每轮补充试剂的需要,并改变了整个反应。它更简单,更容易,更稳定。同时,从大肠杆菌I型DNA聚合酶到Taq DNA聚合酶的转化对PCR效应具有巨大影响。 1988年,Mullis团队发表了两种酶之间PCR的差异在科学:PCR扩增产物中使用Taq DNA聚合酶,单一,清晰和大,使用大肠杆菌I型DNA聚合酶有许多杂质。

Biodogs希望结果位于A和B的右侧。

在Journal Science上发表的1988年论文中,Mullis团队在PCR实验中比较了大肠杆菌I型DNA聚合酶与Taq DNA聚合酶的功效。 R.K. Saiki,et al。/Science(1988)。

这是一个飞跃,这是每个人的福利。

虽然已经解决了添加试剂的麻烦,但操作者仍需要定期在不同温度下在水浴锅中来回切换反应管。那时,还开发了一些专门用于PCR的水浴,称为PCR浴。实际上,三个独立的水浴盆并排排出。

PCR浴缸,三个独立的水浴锅连接,三个温度供您选择| nstructables.com

为了提高生产力,Moulis的PE-Cetus公司在20世纪80年代后期率先制造了自动PCR,使PCR反应的整个过程完全是手动的。

在接下来的30年里,PCR技术迅速发展。毫不夸张地说,没有PCR技术,现代生物技术将不会带来任何好处。我们将无法快速识别流感病原体类型,快速诊断流感的基因突变,实现准确的亲子鉴定,甚至更少有现代基因工程来帮助我们制造药物。东西,精细化学品等。

水生的Torogen和人类的交集不会停留在PCR。进入21世纪后,随着合成生物学的发展,对大规模DNA装配的需求也在增加。 2009年,Daniel Gibson使用来自Aquatic Thermophils的Taq连接酶与其他两种热稳定聚合酶和外酶组合设计Gibson组装,可在短短30分钟内组装。一个超长的DNA片段。这为合成酵母染色体和病毒基因组的未来研究提供了可靠的基础。

现代自动化PCR仪,告别水浴加热,采用半导体温控技术| 26Isabella/wikimedia

话虽如此,你可能仍然觉得这些离你很远。但事实上,水生舒缓细菌不仅生活在温泉中,而且研究发现它们可能存在于你的茶杯和家用热水器中。

事实上,我们生活在一个充满细菌的环境中,这些微小的生物无处不在,无论是在体内还是体外。对于人们来说,他们中的大多数人都是沉默的,对我们的健康无私奉献,或者为我们的生活带来一些浪潮,绝大多数人只是生活在那里。其中只有少数被发现,命名,并为我们的科学发展而发光。当然,我们也要感谢那些发现它们的人。

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