Science新技术：一张芯片可以同时检测数千种酶的突变

这项技术大大加快了对蛋白质功能和靶向药物的理解。

　　

           

硅微流控芯片有1568个反应室阵列。蚀刻在芯片上的通道将腔室连接到连接到顶部的控制管道。

弄清蛋白质或酶是如何工作的，以及了解基因突变如何影响这些对生命至关重要的分子，往往需要数年时间。研究人员必须一个接一个地改变分子中的氨基酸组成部分，在实验室中产生每一种变异的酶，并测试每一种变异如何影响酶的工作能力。

现在，一种蚀刻有微小通道的玻璃芯片，可以让研究人员一次测试超过1000种突变，从而将时间缩短到仅仅几个小时。7月22日发表在《Science》杂志上的一篇论文描述了这种名为高通量微流控酶动力学(HT-MEK)的新系统如何为科学家研究致病蛋白质、开发分解环境毒素的酶以及理解不同物种之间的进化关系提供了一种更快的方法。

为了开发HT-MEK，加州斯坦福大学的生物工程师Polly Fordyce和生物化学家Daniel Herschlag和他们的同事们工作了六年，最终得到了一张价值10美元、约7平方厘米大小的芯片。该芯片包含1568个微小孔，每个孔都可以包含一种变异的酶，以及一个微流控系统，可以同时向所有突变体输送试剂。

为了测试这个系统，Fordyce和Herschlag选择了一种叫做PafA的细菌酶，这种酶可以改变其他蛋白质。他们通过设计DNA序列，将PafA的526个氨基酸分别替换成不同的氨基酸，从而创建了一个不同突变酶的“文库”。一个机器人将这些DNA序列放入芯片上的单个孔中，然后添加试剂，使蛋白质得以生成。然后，该芯片添加了一种化学物质，经PafA处理后会发光。扫描仪测量了这种化学物质发出的光量:使PafA效力降低的突变使这种酶产生的光减少。

这个平台不是简单地告诉研究人员这个实验是否成功，而是让他们能够检查每个突变酶进行反应的速度，并确定化学物质或pH值的变化如何影响酶折叠和功能的方式。Fordyce说:“这就像能够把蛋白质的外壳剥下来，往里面看，看到一幅建筑图纸。”

因为它可以一次筛选如此多的突变体，该系统可以让研究人员看到活性位点突变之外的东西。活性位点是酶实际执行其主要功能的部分，通常最吸引研究人员的注意力。例如，其他区域的突变仍可能通过改变酶折叠或与其他蛋白质结合的方式来影响酶的功能。HT-MEK在PafA上确定了161个这样的位点。Herschlag花了多年时间研究这种酶，他说，突变的影响程度令人惊讶。“就好像你真的很了解你住的地方，但你从不离开，你会意识到有那么多不同的社区和所有这些不同的影响。”

他和Fordyce说，能够识别这些远距离突变的功能，可能使研究人员能够瞄准那些被认为“不可用药”的酶，因为它们的活性位点在结构上与其他健康酶相似。例如，找出哪些额外的区域有助于致癌酶的功能，可能会导致针对这些区域的药物的开发。

西雅图华盛顿大学的蛋白质科学家道Douglas Fowler说:“这确实是一项令人印象深刻的大量工作。看到这项技术的发展将是令人兴奋的，扩大规模是相当令人印象深刻的。”他预计HT-MEK将使许多任务变得更容易和更快，但该系统是否能像对PafA一样对每一种酶都有效还有待观察。

虽然建立HT-MEK系统的说明已经在网上公布，Herschlag他们希望建立一个中心，让研究人员可以来测试他们感兴趣的酶。Herschlag说，他特别兴奋的是，有可能了解特定的基因突变如何导致疾病，以及这些突变酶如何被药物靶向。如果研究人员能够更快地分析这些突变的功能，他说，“我们将创造从分子变化到最终预测疾病结果所需的知识”。

Single chip tests thousands of enzyme mutations at once