基因枪选型指南:GDS-80、PDS-1000、Helios


发布时间:2023-03-31      来源:互联网

  在购买高货值科研仪器时,实验室通常需要依赖销售代表的专业建议来进行调研。基因枪是一种应用于非常垂直专业领域的生命科学仪器,全国范围内只有少数实验室拥有此类设备,导致具有产品实际使用经验的科研人员数量非常有限。因此,实验室通常必须依赖销售代表的专业知识,以选择符合实际实验需要的基因枪型号。然而,由于专业科学仪器市场规模较小,即使是一些大厂的销售代表也对基因枪的实际应用了解不足。此外,基因枪的原理和应用相对较为复杂,使得其选购和使用经验相对较少的用户很容易被误导。此外,有些仪器经销商也不太熟悉基因枪,因为基因枪并不是他们主要推销的产品。因此,由于选型失误,实验室采购的基因枪往往并不符合其实际应用场景。这不仅浪费了科研经费,而且在实际使用时也会出现很多问题,这些问题会让实验室花费更多的时间和精力去解决。

  笔者所在工作单位,是原中科院下属的大型科学仪器贸易公司,主要为全国范围内经费充裕的一线实验室提供服务。因此,也能有机会接触到各类非常垂直领域的专业实验室科研仪器。应公司领导要求,笔者在这里将从业多年以来,积累的一线宝贵工作经验,仔细认真地整理成一篇稿件发表出来,希望可以帮助到更多同事,以及实验室用户,让大家在调研基因枪选型时少走弯路。

  大多数用户在调研基因枪时,通常只知道基因枪有台式和手持两种类型,但却不了解它们之间的区别。这并不是用户的过错,因为从产品参数和应用范围来看,厂家并未清晰地解释它们之间的差异。这是因为产品标注的应用范围,是理论上这个型号基因枪“能做”的应用范围,而并不是实际上这个型号“擅长做”的应用范围。因此,当用户需要选购产品时,作为采购顾问,我们需要首先了解用户需要使用基因枪转化哪种类型的样本,是动物、植物还是微生物?这是因为对于不同的样本类型,需要使用特定的型号才能高效地完成转化。

  在基因枪这个细分领域,国际上只有两家美国公司开发和销售该产品。其中,WEALTEC公司的GDS-80基因枪系统是业内公认性能更强、转化效率更高的基因枪系统,不过相应的价格也会更贵一些。GDS-80系列包括了动物用型号GDS-80A(A代表Animal)和植物用型号GDS-80P(P代表Plant),以及同时配置了两种枪管的通用型号GDS-80U(U代表Universal)。而早期引入基因枪的实验室更熟悉、也是最早在市场上销售的基因枪系统,则是美国BIORAD公司生产的PDS-1000/He高压台式植物用基因枪和Helios高压手持式动物用基因枪。

  我们需要非常熟悉这几款基因枪产品的特点与适用范围,才能帮助客户选对合适的型号。由于基因枪实验本身涉及的变量很多,而被轰击的样本实际情况也千差万别,因此每个实验室在购买基因枪后都需要花费一定时间,在针对自己的样品和实验室实际情况的基础上,摸索优化出最适合自己实验室样本的实验条件。虽然不同实验室之间的经验可以互相参考,但由于实验室之间没有动力无偿分享自己摸索出来的经验,同时存在很多细节需要自己摸索优化,因此实验室之间能够互相借鉴的经验并不多。如果实验室在选型阶段出现问题,采购到不适合自己实验的设备,后续的工作几乎可以确定难以开展。

  基因枪的选型,首先要考虑需要转化的细胞类型,也就是“打什么”。如果打植物细胞、或者藻类,这些细胞具有细胞壁的保护。不管是台式枪还是手持枪,首先要选“植物用”的基因枪,也就是WEALTEC公司的GDS-80P或BIORAD公司的PDS-1000/He。植物用基因枪的特点是具有更高的冲击力,因为子弹是由金粉和质粒混合液制成的。这种子弹需要足够的冲击力才能穿透植物细胞壁的保护层,完成基因转化。

  有些用户可能会自己查阅文献后发现GDS-80A或Helios这两款动物用基因枪也有植物转化应用,从而觉得即使是做植物实验,也是哪款产品都能做,购买任何一款都无所谓。这种想法是错误的。打个比方,菜刀和水果刀是都能切菜切肉,但是如果你主要需要用刀来切菜切肉,那么你肯定会选择菜刀而不是水果刀,因为菜刀更适合这个任务。当然,也有些特殊情况下可以用水果刀切肉,但那是条件受限的特殊情况。如果你手边只有菜刀,你肯定不会去拿一个水果刀来切肉,原因很简单,水果刀切肉太费劲太慢了,而且也切不好。Biorad在文件tech note 2531《Inoculation of Viral RNA and cDNA to Potato and Tobacco Plants》这篇报告中明确记载,使用Helios基因枪打植物烟草叶片,150或200psi压力下距离0cm时可以检测到转化,但是轰击中部区域有大量细胞死亡。在更高的250或300psi下,叶片会被撕碎。在80-100psi的压力下,轰击区域没有受到伤害,但同时没有发现任何成功感染的叶片。这也是为什么购买基因枪时,如果业务代表了解产品,是不会推荐植物实验室选择购买动物用基因枪Helios来做植物类型实验的原因。

  如果你是一家生物公司或医院的动物实验室,想要进行与动物相关的基因实验,那么你应该考虑使用GDS-80A或Helios这两种动物用基因枪,而不是去研究GDS-80P手持植物枪或PDS-1000/He台式植物枪能否满足你的需要。虽然GDS-80系统采用的是低压传递技术,但这并不意味着冲击力小,相反,由于样品是直接加入枪管并通过枪管直喷,而且枪管采用拉瓦尔喷管结构,气流产生的推力更强,微粒加速能力更强。为了进一步提高气体冲击力,GDS-80P植物枪采用4.5毫米枪管,相比GDS-80A动物枪的10毫米枪管,气体推力更大。然而,一些新手实验室会错误地认为,基因枪的冲击力越大越好,但这种想法是错误的。基因枪的本质是基因投递工具,其目的是转化,而不是杀伤。如果冲击力过大,压力过大,目标样品受轰击区域的细胞损伤也会越大,生物子弹的耗损也会更大,例如DNA断裂。因此,选择基因枪和确定轰击条件都要追求在“最小”的投递压力和冲击力下实现最佳的转化效率。因此,我们建议动物实验室使用冲击力较为温和的GDS-80A或Helios这两种动物用基因枪。

  PDS-1000/He台式植物枪的工作原理是在一个封闭的轰击室内抽真空,然后通过高压氦气挤压顶部的破裂膜来产生高压震波。这会将带有金粉微粒的载体膜的一面冲击到阻挡网上,其中一部分微粒会被阻挡和消耗掉,剩下的微粒则通过阻挡网的孔隙被投递到下方的真空环境中的样品上。由于植物细胞有细胞壁保护,可以适应高压震波和真空环境的暴露,但动物细胞却不能。动物细胞的细胞膜无法适应真空环境和高压震波的影响,暴露在真空环境中时,细胞内的水分会快速蒸发,导致细胞膜的收缩和破裂。因此,大多数动物细胞的细胞膜只能在几秒钟内破裂,加上高压震波的作用,导致很多样本表面的动物细胞接受轰击后无法存活,很难转化。因此,即使是细胞类的动物实验,熟悉该产品的业务代表也不会推荐使用PDS-1000/He来打动物细胞。

  除了一些通用的植物样本,如愈伤组织、种胚、叶片,以及常见的动物样本,例如活体小鼠,基因枪的优点在于其物理投递原理,这使得其不受限于样本类型。因此,基因枪广泛应用于微藻、细菌、弓形虫、酵母菌等微小生物的基因转化。理论上,基因枪可以用于任何生物体的基因投递转化,但由于其使用的是散弹轰击的方法,所以对于微小生物样本的投递,需要将样本浓缩,以提高细胞密度和转化效率。Helios动物基因枪一般不适用于微小生物类的样本轰击,因为其投递原理是先将金粉质粒混合液干燥吸附在样品管上,再将样品管当做子弹装枪,通过高压氦气将金粉子弹“吹”出样品管完成投递。与用于植物的GDS-80P和PDS-1000/He相比,这种方法的加速能力较弱,只适用于样本细胞密度高、细胞体积大的小动物活体实验。由于许多微小生物样本本身具有细胞壁的保护,且细胞密度低,导致转化难度大,因此我们建议实验室采用植物实验的标准,即从GDS-80P和PDS-1000/He这两款植物枪的型号中,选择适合微小生物类的样本进行基因转化。

  WEALTEC公司和BIORAD公司提供了同一上游供应商提供的均匀颗粒金粉,直径分别为0.6μm、1.0μm和1.6μm,对应不同的冲击力。一般来说,对于轰击较粗的植物叶片组织,建议使用1.6μm金粉,因为它具有更强的冲击力;而对于直径较小、细胞壁较薄或无细胞壁保护的样本,则可使用直径为0.6μm或1.0μm的金粉。金粉的直径选择通常基于实验室的经验或者公开文献资料中其他实验室的规格选择,没有绝对标准。虽然公开文献中1.0μm的金粉选择更常见,但通常认为这是实验室为启动实验而偏好选择折中的金粉规格,不能代表其他规格的金粉无法达到相同或更好的转化效率。金粉的制作成本非常高,远高于黄金的价格。这是因为目前只有特定美国供应商有技术制作尺寸均匀的微粒金粉,而为了使金粉更好地与载体结合,还需要对金粉表面进行特殊涂层和处理,最终才能形成适用于基因枪实验的金粉微粒。除了金粉,还有一种相对便宜的替代品——钨粉。与金粉相比,钨粉更硬,具有更强的机械破坏力,能够在较高的射击压力下保持形状和稳定性,因此可以更好地穿透较为硬质的样本,例如鱼卵或硬纤维植物组织。但是,由于钨粉过于硬,会增加在细胞中的刺激性和细胞毒性,因此需要根据实验样本的实际情况和经验进行选择。

  在基因枪实验中,金粉是一种微小的球形粒子,用于吸附DNA等外源基因物质。通过基因枪产生的高压氦气冲击,载有外源基因的金粒子加速推入目标细胞。从物理学角度来看,金粉微粒的作用是用来击破细胞壁和细胞膜。对于较大的细胞来说,打孔的形式可以为质粒等遗传物质提供进入细胞内部的通道。基因枪的轰击是一种散射轰击,这意味着被轰击的样本会呈现出混乱的状态。有些细胞完好无损地躲过了轰击,而其他细胞可能被击碎或击穿。只有少数细胞恰好收到了适当程度的冲击,吞噬掉金粒子并将其转移到细胞核或其他细胞器中,从而实现外源基因的传递和表达。

  如果我们了解了基因枪的原理,就能够理解为什么一些直径比金粉还小的微生物样本,以及像叶绿体和线粒体这样的细胞器,也可以通过基因枪进行基因转化。对于与金粉直径相近的目标,金粉的作用更多地是机械性破坏,也就是说,尽管这些微小的细胞无法承受金粉微粒的高速正面冲击,但是它们仍然可以成功地进行基因转化,这可能是因为金粉只是轻轻地“擦伤”了细胞壁或细胞膜,使得携带的遗传物质通过“伤口”进入细胞内部,从而实现了基因转化。

  当我们确定客户需要使用基因枪轰击的样品类型后,下一步是如何为客户推荐具体的选型。

  根据客户的反馈,WEALTEC公司的GDS-80手持式低压基因枪系统在转化效率、易操作性、后期使用和维护成本等方面都得到了高度评价。因此,对于预算较为充足的实验室,我们会优先推荐GDS-80系统。这款产品不仅在交付时能够满足客户需求,而且作为WEALTEC的主打核心产品,它的技术支持更加专业和有效。此外,GDS-80系统的紧凑耐用设计和简单易操作的特点,使得它无需一次性消耗材料,并且几乎没有售后服务的工作需要,这有助于节省供货商的低效工作量。同时,推荐好用的产品也有助于更好地维护客户关系。

  虽然仪器操作看起来可能不是很重要,但从实际使用效果来看,它非常关键。这是因为无论哪个公司生产的设备,在品质、实际应用以及工作原理方面都已经非常成熟,正常工作不会有太多问题。早年有人抱怨基因枪做不出结果,多数是因为使用不当导致的。举个例子,Helios基因枪制备基因枪子弹时需要使用PVP试剂,用于包裹DNA颗粒以保护其不受破坏。在制备基因枪子弹时,PVP的放入量需要根据所使用的DNA颗粒的大小和形状等因素进行优化。较少的PVP用量可以提高DNA颗粒的运动速度,但也可能导致DNA颗粒包裹不完全,从而影响其进入细胞的效率。相反,较高的PVP用量可以提高DNA颗粒的包裹效率,但可能会降低其运动速度和进入细胞的效率。对于一个新接触基因枪的实验室来说,需要用Helios动物基因枪来做小动物转化实验,调整PVP用量就需要投入大量时间和成本来试错,这种专业操作的难度非常高,实验室短期内做不出结果也是情理之中。

  一款产品如果准备流程相对简单,控制的操作环节较少,用较短时间就能掌握使用技巧并且能够快速打出结果,那么这与产品的设计有着直接关联。对于供货商和最终使用者来说,都更倾向于选择清爽、简单、易上手的科研仪器,毕竟快速高效地获得结果才是我们所追求的。尽管GDS-80价格昂贵,主要源于其枪管的制造工艺水平要求严格,产量较低,制造周期也较长,从而导致整机售价偏高。但是考虑到产品具有更高的转化效率以及更低的使用成本等综合因素,我们仍然建议实验室优先选择这款系统。近年来,该产品的厂家指导价格相对稳定并且还在逐步上涨,因此,早期购买设备对于实验室来说也是更为划算的选择。

  不同实验室在采购时面临的情况各不相同。如果客户最终选择BIORAD公司的PDS-1000/He或HELIOS系统,作为供货商的专业能力会受到更大的考验,因此,需要提醒客户选择具有更大规模和更强售后服务能力的供货商。这两款产品相对早期推出,使用起来更为复杂,容易出错的地方也更多。因此,厂家和供货商的工程师需要提供专业的安装、调试和培训服务。由于需要注意的环节很多,一次简单的培训可能无法让所有实验室成员掌握使用要领。在实际使用过程中,当地负责基因枪维护的应用工程师需要有能力,及时手把手地解决客户使用中遇到的各种问题。我们需要管理好客户的预期,因为市场反馈表明,这两款产品在交付后可能会收到客户的投诉。这些产品本身是成熟的,并且我们提供的产品是通过正规渠道采购的,可以保证产品的质量,不会因为质量问题导致退货。但是由于这些产品的使用难度较大,对使用者的经验和细节把握要求较高,因此对于那些初次接触这些产品的实验室来说,很难立即获得良好的结果。因此,我们需要告知客户准备好投入足够的人员和时间,同时留出充足的耗材预算,并准备好有足够的耐心去摸索和熟悉机器的使用。此外,如果实验室的人员流动性较大,那么很可能需要重新约厂家重新上门培训以熟悉这些产品,因此这方面的费用也需要提前沟通好。

  以上,是笔者这些年来在一线工作中总结的经验。希望这些经验可以帮助到我的同事和其他正在调研基因枪产品的最终用户单位。基因枪的发明是一项革命性的科技,它为遗传工程和基因编辑等领域提供了高效、快速和精确的实验手段。这项技术已经在医学、农业等领域取得了重大突破,为人类健康和生产生活带来更多福祉。在国内引入这项技术,并在各种科研机构中推广,可以加速中国生命科学领域的研究进程。这是一件有意义且值得骄傲的事情。我希望我的分享可以吸引更多的业内合作伙伴加入这个行业,共同为人类科学的进步贡献力量!




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