一种新型基因枪的研究

突破物种界限,按照人的意愿培育或改良动植物新品种,是人类早就梦寐以求的了。20世纪70年代,DNA重组技术的出现为人类愿望的实现提供了可能。在获得符合要求的基因之后,面临的是如何将基因导入所选择的细胞中,并使之稳定表达,出现所期望的遗传性状。其中,基因导入是关键环节之一。随着动植物基因工程研究的相继开展,先后出现了化学介导,生物介导和物理介导等类型方法[1]。在物理介导方法中,有激光打孔、电击孔和基因枪等方法。基因枪的原理类似鸟枪打鸟,以1μm左右的金粉或钨粉作载体(简称微弹),将目的基因裹在其表面,利用外力使之获得足够的动量,穿透细胞壁或细胞膜,进入细胞,达到将目的基因导入目的细胞。这种方法操作简单,效率高,适应性强。一次可以向数以千计的细胞导入基因,不受细胞、组织或器官的类型限制,还能指到哪里打到哪里,想打哪里就打到哪里,因此格外受重视。基因枪始于20世纪80年代末,美国康乃尔大学的T.M. Klein等人根据惯性原理[2],利用火药做动力,研制了基因枪。在90年代初期,又出现了气动式基因枪[3],利用高压气体作动力。1991年,作者根据撞击发射原理,研制成功了以火药为动力的基因枪。这几种基因枪,或者是以火药为动力,由于火药装量或火药配方不均匀,产生的爆炸力离散性大,影响实验的一致性;或者是以高压气体为动力,需要一个高压气源,难以走出实验室,尤其是难以走向田野。针对以上不足,构思以压缩弹簧为动力,进行了研究,取得了满意的效果。

1　力学基础

飞行物体所具有的能量为

式中:m为物体质量,v为物体的运动速度,g为重力加速度。

基因枪中的微弹颗粒大小一定,即质量一定,要使其具有足够大的能量,唯有使其获得足够大的速度。同时,面对不同材料的靶细胞,还必须保证在一定范围内可控制。

2　撞头加速过程分析

图1a为弹簧驱动基因枪的结构示意图。它由下套筒1、挡片座2、挡片3、撞头4、弹簧5、上套筒6和调节塞7组成。裹着基因的微弹置于挡片上。当压缩弹簧释放时,加速撞头,撞头运动一段距离,获得足够大的能量后撞击挡片,微弹在撞击时产生的应力波的作用下获得能量,脱离挡片,加速运动,去击中靶细胞。

2.1　撞头的运动微分方程

图1b中,设撞头的横截面积为A,弹簧对活塞的作用力为F,撞头运动过程中受到弹簧力和空气阻力F1的作用,根据质点系的质点运动定理,撞头的运动微分方程为

式中:mp为撞头质量,k为弹簧刚度,l为弹簧预压量,F为弹簧力,F1为空气阻力,μ为空气阻力系数,x为撞头运动距离。取x~=x-l,此微分方程的解为