7平方厘米芯片可同時檢測千種突變酶

人們要弄清蛋白質或酶是如何工作的，以及了解基因突變如何影響這些對生命至關重要的分子，往往需要數年時間。研究人員必須一個個地改變分子中的氨基酸，產生變異的酶，并測試變異如何影響酶的機能。

現在，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，發表在《科學》上的一篇論文描述了這種名為“高通量微流體酶動力學”（HT-MEK）的新系統，如何為科學家研究致病蛋白質、開發分解環境毒素的酶，以及理解不同物種之間的進化關系提供一種更快的方法。

為開發HT-MEK，美國斯坦福大學的生物工程師Polly Fordyce和生物化學家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，后者可以同時向所有突變體輸送試劑。

為了測試這個系統，Fordyce和Herschlag選擇了一種叫作PafA的細菌酶，這種酶可以改變其他蛋白質。通過設計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，使蛋白質得以生成。然后，研究人員向該芯片中添加了一種化學物質，這種物質經PafA處理后會發光。他們用掃描儀測量了這種化學物質發出的光量—— 使PafA效力降低的突變會減少光量。

這一系統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行反應的速度，并確定化學物質或pH值的變化如何影響酶折疊和功能。“這就像剝下蛋白質的外殼往里面看，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，該系統能讓研究人員關注活性位點突變之外的區域。其他區域的突變仍可能通過改變酶折疊或與其他蛋白質結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。