压力循环技术实现生物样品制备

样品制备在基因组学、蛋白质组学的研究中一直是一个瓶颈，主要是因为缺少高效、自动化的办法。美国麻省理工大学的专家们发明了压力循环（Pressure Cycling Technology）样品制备技术，从而可以安全、有效、快速地从各种细胞、组织、尤其是从那些难溶细胞中（hard-to-lyse）提取DNA、RNA及小分子。

最近一项引人注目的样品制备技术在基因组学、蛋白质组学方面取得重大突破，哈佛大学的研究人员竟然利用此项技术，从两亿多年前白垩纪的霸王龙化石残存的软组织中成功提取了胶原蛋白，并通过蛋白测序研究发现这种胶原蛋白与鸡的胶原蛋白最为接近，从而为鸡是体形庞大的霸王龙的后代这个发现提供了新的证据。这项新技术的出现为生命科学广泛领域的各种样品制备拓展了广阔的前景。

样品制备在基因组学、蛋白质组学等新学科的研究中一直是一个瓶颈。 其主要问题在于缺少高效且自动化的办法。为解决这个问题，在美国麻省的生物技术专家们发明了一项技术专利：Pressure Cycling Technology （PCT）压力循环样品制备技术，并于2005年成立了Pressure BioSciences, Inc. （PBI）美国高压生物科学公司。该公司的总部在波士顿，其核心技术人员为麻省理工学院、哈佛大学和耶鲁大学工作过的博士们。

压力循环样品制备技术（PCT SPS）是在PCT基础上设计的一项全新、高效的生物样品制备系统，利用多次常压和超高（液）压（35 000 PSI或更高）之间压力的快速循环，从而对生物分子实施精准提取。该技术的出现，使得从样品中获得信息的各项领域都取得突破，为研究提供了全新的视野。它可以安全、有效、快速地从各种细胞、组织、尤其是从那些难溶细胞中（difficult-to-lyse materials）提取DNA、RNA、蛋白质及小分子。

压力循环技术作用机理

PCT使用快速交替的高压和低压变换促使细胞溶解或裂解。使用时，将细胞悬浮液或组织放在特别设计的处理容器中（PULSE Tubes），再放在一个压力循环装置（Barocycler）中进行交替的高压和低压处理。Barocycler 和PULSE Tubes共同组成了PCT样品处理系统 （PCT SPS）。在PULSE Tube中，压力可以在小于3s的时间内增加到 35 000 PSI ，在远远小于1s的时间内从35 00PSI回到周界压力。

压力循环技术融合了所有具有竞争力的样品前处理技术的优势：兼容所有的化学溶解缓冲液及分析方法；避免引起大分子破坏的研磨操作和剪切力；精确的温度控制，包括低温或高温条件下的反应；瞬时的和均匀的能量分布；精确的生物分子溶解控制；适用所有的常用的有机溶剂；不与金属物质相接触，可处理及保存易发生氧化还原反应的化学物质，防止金属蛋白酶的活化。

压力的产生是一种热动力过程，它来源于物质分子和系统界面的碰撞时对物质或系统界面上的每单位面积产生的压力。当分子对系统壁撞击时，释放出的能量试图向外推动系统壁，由这些碰撞而产生的力量引起系统对其周围物质产生一定的压力。同时，因为有机物质比水具有更强的压缩性，压力循环技术充分利用样品中不同成分压缩性的差异提取小分子，压缩热与压缩性成比例关系，静水压不会形成剪切力。

PCT样品制备系统

压力循环技术样品制备系统（PCT SPS）由一台半自动的台式装置，Barocycler 和一次性使用脉冲管PULSE Tubes共同组成。脉冲管可将压力从Barocycler加给样品。对于生物分子的提取，将样品及溶解溶液先置于PULSE Tubes内，再放入 Barocycler的压力仓内，然后开始启动仪器。
当压力增加时，一定的液体作为压力传导介质会自动进入压力仓，并推动样品从样品仓穿过溶解片进入溶液驻留仓。当压力释放时，样品会反向穿过溶解片返回至压力仓。溶解片的物理通道，压力的变化和其他生物物理机理共同作用，迅速并高效地破坏了细胞结构，释放出核酸，小分子和蛋白质。

压力腔内最大和最小压力，在每个压力水平保持的时间和循环次数都是由电脑或者程序逻辑控制器界面管理的。用户可以自行进行压力（可达35 000 PSI）、循环次数、循环方法、温度、冰的相变等设定。Barocycler 仪器反应腔是使用周界的循环水浴来实现温度控制的。Barocycler NEP3229可以同时处理三个样品，配有外置冷却器、自动进样分配阀、一个带有简易操作键盘的一体化微处理器。适合在实验台上，生物安全箱内或者冷藏室的架子上使用。脉冲管（PULSE Tubes）还具有：可重复的样品处理、兼容各种缓冲液、兼容各种分析方法、减少交叉污染的危险等优势。

PCT SPS中的安全设计，很大程度上减少了操作人员暴露于病原体或者样品发生交叉污染的风险。通过PCT提取的蛋白质通常优于其他现有的方法，而PCT在速度、可重复性、样品的多样性、操作的简易程度和安全性方面的优势是格外突出的。

多种提取方法的比较

目前常用的提取方法有以下几种：碾槌式匀浆器、Dounce homogenizer （glass on glass）、Potter-Elvenhjem匀浆器、Enzymatic Digestion、Polytron剪力匀浆器、Blenders、BEAD BEATING（球磨法）、Sonication、Repeated Freeze/Thaw cycles（反复冻融循环法）、French Press（细胞破壁法）。但以上方法均存在一定的缺陷：耗时、耗力、时间易间断、应用范围有限、破坏性强，并且存在一定的危害性：开口系统、样品发生转移、液氮、噪音、交叉污染等。

相比较传统方法，PCT技术具有应用范围广、功能更强大、重复性好、操作方便、快速、安全、精确控制处理过程、噪音低等优势，详细如下：
安全性：脉冲管是一个密闭的空间，减少了样品操作时操作人员暴露于病源体和其它有害物质的机会；

快速性：几分钟内，核酸、蛋白质和小分子从各种细胞和组织中快速释放出来；

高效性：压力高达35 000 PSI （235 MPa，2.35 kbar），有效进行样品溶解，并释放出质量好、数量足的生物分子；

批处理量大：Barocycler3229可同时处理三个样品，样品种类可包括动物、植物和微生物样品，采用标准方法和定制方法；

方便性：计算机控制，随时随地不间断进行提取。

来源：实验与分析