下一个诺贝尔奖在此,花 150 元带回实验室

新创

2016-11-08 18:57

11 月 2 日,Scientific Reports 正式发布了一篇关于光遗传学应用的开源硬件研究论文,来自 Rice University 的 Tabor Lab 研究团队。在开始介绍这款新工具前,先简单介绍一下光遗传学的背景。

2010 年,光遗传学被《Nature Methods》选为年度方法,同年被《Science》认为是近十年来的突破之一。它的能耐可从一个简单实验体现:通过应用光遗传学技术,研究人员只需要点亮实验鼠头上的灯,实验鼠就会立刻开始转圈圈。关灯后则停下。

ex-mouse动图截自 Nature Methods 的视频

通俗来说,该实验通过找出驱动小鼠转圈的神经元,然后在这些细胞上面铺满对特定光敏感的蛋白质。通过点亮灯光,对光敏感的蛋白质受到刺激,进而激活神经元,指挥小鼠转起圈来。

光遗传学有两大功能:1. 用于活细胞内目标蛋白质跟踪;2. 选择性地控制脑中某类细胞的特定神经活动(如上例)。和药品与电极刺激相比,光遗传学以优越的精准性深得研究人员喜爱。

ru-2-2图为 Karl Gerhardt(左)在为应用 LPA 的光遗传学实验培植细胞

在过去的 5-10 年间,基本上所有生物工程研究都要用到光遗传学。但问题是,在神经系统科学外,大家在拓展实现光遗传学的方式时,全都只是在生物工具上做研究,如光敏蛋白、基因表达系统、蛋白交互等等,没有人来研发能够更方便地使用这些生物工具的硬件。

Karl Gerhardt 说道,他是本次介绍的光遗传学开源硬件工具 Light Plate Apparatus (LPA) 主要研发人员之一。LPA 是现时操作最简单且低成本的光遗传学工具。

LPA = 每位研究人员都能用上光遗传学技术

多年以来,许多生物学家都来找我们,说他们想要将光遗传学技术应用到他们的研究上,但他们并不知道该从何入手来建立所需的光学仪器。我们相信 LPA 的到来,将意味着几乎任何一个生物实验室都可以轻松地将光遗传学技术应用到实验中。

Jeff Tabor 说道,他是本次研究的主要人员,Karl Gerhardt 的老师。

ru-4图为 Karl Gerhardt(左)拿着 LPA 和 Jeff Tabor(右)合影

Tabor Lab 为了通过 LPA 将光遗传学技术带到每个实验室,赋予了 LPA 以下 4 个优势特点:

  • 价格低廉

LPA 由软件和硬件两部分组成。软件 Iris 在 Github 上免费下载。而硬件部分,如果有实验室有 3D 打印机的话,只需要 150 美元即可获取所有部件。如果没有的话,购买价格也在 400 美元以下。

  • 操作简单

开放性:为了让人员上手得更快,与 LPA 相关的所有软件设计文件、说明文件等放在 GitHub 上分享。

硬件:LPA 的组装工作,即使是非专业人员,也可以在 1 天内完成。

软件:一般情况下,光遗传学硬件工具都需要通过编程来使用。为了不让编程挡在生物学家和光遗传学之间,Tabor Lab 的成员设计了直观交互软件 Iris,让生物学家无须编程也可以使用。

  • 可应用范围广泛

LPA 可用于所有非神经元的生命体:例如肠道细菌、酵母、哺乳动物细胞、蓝藻细菌等等。

其实在 2014 年,Tabor 里另一位成员 Evan Olson 也创造了一个叫做 light tube array(LTA)的光遗传学工具。

当时 Gerhardt 想用 LTA 做研究,但由于他研究的有机体需要在平面上培植,并且对震动和移动都很敏感(实验室里研究的有机体大多如此)。因此他决定自己做一个新工具,虽然刚开始失败了,但在 Evan 和其他学工程成员的协助下,LPA 诞生了。

  • 调节灵活度高

LPA 使用标准 LED 插口,便于研究人员可根据需要,安装不同光波长的染色 LED。

为了可以更精细地调节光强度,LPA 以低成本配置了一个带 SD 卡读卡器的迷你控制器,可以调节出超过 4000 种不同程度的光强度。

lpa图中为 LPA,来自 Tabor Lab

根据 Tabor 介绍,现在已经有将近十多个国际研究组织在使用 LPA 了。如今介绍论文还登在 Scientific Reports 上,相信加入的人会越来越多。

光遗传学的潜在应用方向

在 2006 年,美国美国韦恩州立大学华人科学家潘卓华教授(Zhuo-Hua Pan)首次尝试将光遗传学用于治疗失明,并于 2015 年成功获得美国食品与药品监督管理局(FDA)的临床试验批准,可在视网膜色素变性的患者身上,测试基于光遗传学的治疗方法。

ru-5图片来自亿度网

而在 2013 年的 TED 分享上,两位麻省理工实验室的研究员也和大家分享了如何通过光遗传学“修改”试验老鼠的记忆。同时,不少机构也在尝试将光遗传学应用于治疗帕金森、成瘾、抑郁症、止痛等临床治疗上。

光遗传学现今仍处于发展阶段,无论是应用方向还是技术优化上,还是充满想象空间。同时,这个学科初期研究成果也令人振奋,这也是为什么有人将其称为“一项注定要得诺贝尔奖的技术”。

题图以及未另行标注的内文配图都来自 Rice University

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