人們要弄清蛋白質(zhì)或酶是如何工作的,以及了解基因突變?nèi)绾斡绊戇@些對生命至關(guān)重要的分子,往往需要數(shù)年時間。研究人員必須一個個地改變分子中的氨基酸,產(chǎn)生變異的酶,并測試變異如何影響酶的機能。
現(xiàn)在,一種蝕刻有微小通道的玻璃芯片,可以讓研究人員一次測試超千種突變酶,并將時間縮短到幾個小時。
近日,發(fā)表在《科學(xué)》上的一篇論文描述了這種名為“高通量微流體酶動力學(xué)”(HT-MEK)的新系統(tǒng),如何為科學(xué)家研究致病蛋白質(zhì)、開發(fā)分解環(huán)境毒素的酶,以及理解不同物種之間的進(jìn)化關(guān)系提供一種更快的方法。
為開發(fā)HT-MEK,美國斯坦福大學(xué)的生物工程師Polly Fordyce和生物化學(xué)家Daniel Herschlag等人工作了6年,最終制成了一個價值10美元、約7平方厘米大小的芯片。該芯片包含1568個微孔,每個孔包含一種變異的酶和一個微流控系統(tǒng),后者可以同時向所有突變體輸送試劑。
為了測試這個系統(tǒng),F(xiàn)ordyce和Herschlag選擇了一種叫做PafA的細(xì)菌酶,這種酶可以改變其他蛋白質(zhì)。通過設(shè)計DNA序列,他們將PafA的526個氨基酸分別替換成不同的氨基酸,從而創(chuàng)建了一個突變酶“庫”。機器人將這些DNA序列放入芯片的單個孔中并添加試劑,使蛋白質(zhì)得以生成。然后,研究人員向該芯片中添加了一種化學(xué)物質(zhì),這種物質(zhì)經(jīng)PafA處理后會發(fā)光。他們用掃描儀測量了這種化學(xué)物質(zhì)發(fā)出的光量——使PafA效力降低的突變會減少光量。
這一系統(tǒng)并非簡單地告訴研究人員這個實驗成功與否,而是能讓他們檢查每個突變酶進(jìn)行反應(yīng)的速度,并確定化學(xué)物質(zhì)或pH值的變化如何影響酶折疊和功能。“這就像剝下蛋白質(zhì)的外殼往里面看,看到一幅建筑圖。”Fordyce說。
此外,由于一次可篩選如此多的突變體,該系統(tǒng)能讓研究人員關(guān)注活性位點突變之外的區(qū)域。其他區(qū)域的突變?nèi)钥赡芡ㄟ^改變酶折疊或與其他蛋白質(zhì)結(jié)合的方式影響酶的功能。HT-MEK在PafA上確定了161個這樣的位點。多年研究這種酶的Herschlag說,突變的影響程度令人驚訝。