跻身迈入云时代：E-Gel Power Snap Plus核酸电泳系统助力构建智能实验室

百年来的电泳技术创新最终如何登陆云端？

——从第一台房间大小的电泳设备到如今仅有烤面包机大小的下一代一体式电泳设备

今年是DNA（脱氧核糖核酸）发现70周年，DNA的发现仅比淀粉凝胶电泳技术的发现早一年。[1] 在不到普通人寿命的时间内，分子生物学已从初出茅庐发展到如今占据主导领域，推动了从癌症研究到刑事鉴证，再到生态系统健康等领域的创新。

回溯核酸电泳技术近一个世纪的发展历程，就像是沿着DNA螺旋结构一路追踪的两条平行链，从分子生物学诞生之初，一直到基于现代分析仪器实验室的兴起。

核酸电泳从最初那种能够占据整个房间的复杂仪器，到如今发展成为像Invitrogen™ E-Gel™ Power Snap Plus电泳系统这样一个具有时尚外观，仅有烤面包机大小的智能设备。这款先进的一体式智能分析设备可以胜任高通量实验研究，同时设计简单、使用安全，即便是小学生也能进行操作。

首个电泳槽以及电泳仪时代

第一个电泳槽的诞生故事并非始于突破，而是源自失败。

瑞典化学家Arne Tiselius成功通过了他在1930年的研究生论文答辩，他在文中探索出了一种通过电流分离蛋白的技术，但令他苦恼的是分辨率很低。Tiselius写道，他看到自己早期的一些电泳照片时，他会感到“近乎于生理上的痛苦”，因为他知道自己没能发现一种理想的方法。[2]

灰心丧气的他决定完全放弃有机化学，转而研究火山矿物沸石来换换思路。不过他未完成的任务依然困扰着他，因为他的朋友和同事依然会讨论他们迫切需要一种分离蛋白的靠谱方法。最后他的朋友和同事们成功说服他再试一试。[3]

使用手工打磨的石英 U型试管，Tiselius终于在1938年建成了第一个电泳室。他的发明对科学研究的影响立竿见影。在某次测试实验中，他分析马血清时惊讶地发现，除了已知的白蛋白，样本中至少还含有三种当时未知的蛋白，他将这些球蛋白分别命名为alpha、beta和gamma. [4]

虽然对于当时的科学家而言，Tiselius新的电泳设备带来了帮助，但这种设备在很多方面可以说极其不实用。

首先，就是尺寸问题，这种电泳设备长20英尺（约6米），高5英尺（约1.5米），因此会占据很大的实验室空间，理想情况下需要一个单独的房间来摆放设备、相关配件以及成像器材。[5] 同时这种电泳仪器非常昂贵。在1930年代，建造和维护Tiselius的电泳设备需要耗费约11,000美元，相当于如今的25万美元。[6,7] 1988年，有一位历史学家认为其成本堪比运行一台当时的回旋加速器。[8]  

正因如此，只有世界上最有名气、资金最充裕的实验室才能拥有Tiselius电泳仪。1939年时，整个美国也仅有14台。[9]

但是对于生命科学而言，这是一个重要的转折性时刻，生物学的研究方式开始转变。那个时代的科学家开始憧憬未来，一个能够通过复杂仪器和前所未有规模开展实验和进行科学发现的未来。[10] 如同由Tiselius的导师兼同事、诺贝尔奖获得者The Svedberg在1925年发明的超高速离心机一样，Tiselius发明的电泳仪成为了最早的电生物学仪器之一。

1940年代，电泳槽作为商业化产品进入普通市场，分子生物学开始向着激动人心的新时代迈进。

1939年美国化学学会会议期间，瑞典生物化学家Arne Tiselius（1902-1971）在乌普萨拉大学演示了电泳仪的使用方法。（公共领域, 图片来自Science History Institute）

所有东西凝聚在一起

1954年，一位名叫Oliver Smithies的博士后紧跟一年前发现的双螺旋结构，尝试利用他所在实验室最先进的Tiselius电泳仪来找到胰岛素前体的诀窍。可惜他运气不太好。他的一次次尝试均没达到理想的分离，而且每次分析都需要消耗大量的蛋白样本。

Smithies决定尝试一种新方法，使用浸有缓冲液的滤纸进行电泳。尽管新方法仅需少量样本，但对于某些蛋白，如胰岛素，条带通常会模糊不清，结果令人沮丧。有人则使用潮湿的马铃薯淀粉谷物开发出一种替代方法，但这意味着要在40个谷物切割末端上使蛋白泳动，以形成分离图案。

Smithies在多年后回忆说：“这对我来说根本不可能！甚至都没有人来帮我清洗实验室的玻璃器皿！” [11]

不过Smithies不准备放弃，他想起了小时候母亲洗衣服的日子，并“注意到她用来给我父亲衬衫衣领上浆的热粘稠液体在静置时会变成凝胶状。”如果他能制造出类似的东西呢？也许这些蛋白会在马铃薯淀粉凝胶中不受牵引地迁移？ 

事实，确实如此。就这样，凝胶电泳技术横空出世。

Smithies当时取得的成功不仅限于蛋白分析。在后双螺旋时代，他的发明还推动核酸研究和核酸分离领域进入飞速发展的黄金时代。从20世纪70年代到90年代，水平槽、溴化乙锭凝胶和脉冲场电泳技术的出现不断提升电泳分析DNA和RNA的能力。[12]

无需配套设备：一体化DNA电泳时代

电泳技术稳定多年之后，Invitrogen™ E-Gel™ Power Snap电泳系统在2017年问世，带来以往凝胶电泳设备前所未见的功能。

赛默飞产品经理Paulius Palaima表示：“这在当时是一款具有突破创新的仪器。市场上根本没有类似的可以远程查看的产品。”

E-Gel™ Power Snap系统采用独家设计，将干燥的预制凝胶DNA电泳技术和数字凝胶成像技术结合在一套独立的一体式系统中，仅会占用很小的工作空间。

Palaima补充说：“它简单易用。我们花了很大的力气让界面非常直观。它集成了摄像头，就安装在顶部，以便您可以在运行期间随时查看凝胶进度。”  

最新的升级版，E-Gel™ Power Snap Plus电泳系统保留了E-Gel Power Snap基础版的优点并增加了一些附加功能：高清摄像头、云端网络连接、改进的人体工学设计、直接打印功能和高通量兼容性。

更新升级后的系统还能满足生物技术行业如今日益高涨的通量需求，并提供了新的扩展机会。它是第一款针对高通量工作流程设计的一体式电泳平台，多可容纳多大96孔的预制凝胶。就像Tiselius的设备通过标准仪器为生物学打开了新世界的大门，E-Gel™ Power Snap Plus这类高通量系统正在进一步突破生物学研究的生产力极限。

这种一体式电泳设备只有烤面包机的大小，却集成了多项分析功能。它解决了实验室工作和电泳领域固有的棘手挑战，尽管Tiselius开创的时代已历经近一个世纪的快速创新，但这些挑战从未消失。台面空间有限，配件零散导致的繁琐工作流程成为电泳技术挥之不去的挑战。

> E-GelTM Power Snap Plus的

交互式3D体验之旅

最重要的是，该系统解决了一个长期困扰科研人员的难题——要做的事情太多，但时间总是不够。Palaima表示：“标准电泳程序50年来没有任何质的改变。这就是一件非常浪费时间的事情。需要大量的人工操作，而且在不同步骤之间需要长时间等待。”  有时你会觉着这种时间成本没有办法避免，必须完成这项任务才能推进研究工作。

Palaima说：“对于分子生物学而言，电泳是一种在任何阶段都无法绕过的关键步骤。它没什么可夸耀的，研究人员也不会多谈，但你知道它必不可少。技术就是那个样子。你必须采用电泳技术对你的实验进行质量控制。”  

E-Gel™ Power Snap Plus系统专注于使DNA和RNA的基本分析过程变得安全、简单、轻松，就像在Smithies首次进行凝胶电泳检测大约70年后应该有的样子。它使质量控制步骤游于外围，以便您可以聚焦在更为复杂的工作上。

Palaima说：“有时你每天必须做三到四次凝胶电泳，而如果你自己手动做，那就意味着你浪费了自己六七个小时的人生。关键在于利用适当的工具，以便将自己的时间花在真正重要的事情上，那些真正的技术应用上。这就是这些电泳系统和预制凝胶的意义。进行一次自制凝胶实验的时间，最多可以做5次E-Gel实验。”  

传统的“自制”凝胶电泳工作流程通常每次需要70~90分钟。

使用E-Gel™ Power Snap或Power Snap Plus系统只需14~40分钟。

赛默飞高级营销经理Angela Asuncion表示：“我们的房屋和汽车可以进入‘智能’时代。你可以通过远程方式，改变家里的温度、打开车库大门，以及其他许多功能。实验室落后于技术的发展，但我们正通过推出支持云端服务的仪器来解决这个问题。” 

E-Gel™ Power Snap Plus吸收了客户对于其前身E-Gel™ Power Snap的反馈，并将其全部整合到半模块化的“智能”包中，具备直接打印、无线连接、云端网络连接功能以及用于采集图像的1,300万像素高清摄像头。

借助更安全、更环保的 E-Gel 预制胶以及包括SYBR Safe DNA染料在内的安全染料，研究人员无需使用溴化乙锭和其他有害染料，从而同有毒化学物质彻底说再见。

E-Gel™ Power Snap Plus系统建立了一套非常安全且独立自主的工作流程，也很有助于教育工作者向学生展示电泳的概念。

Palaima表示：“我有次参加会议，会上的每个人都想摸一摸，甚至想操作这款仪器。这很有趣，因为即使是教育领域的人也对这类仪器非常感兴趣，就因为除了凝胶之外它不需要任何其他东西，使用起来非常方便。最终，有了这些设备，让您再也不用担心电泳分析的相关工作，并且它可以无缝整合，非常省心。”

如需深入了解有关E-Gel Power Snap Plus的更多信息，请访问thermofisher.com/powersnapplus>> 

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参考文献：

1. Dambeck, Susanne。“Oliver Smithies：土豆如何彻底改变电泳。”林道诺贝尔奖获奖者大会，2016年4月23日。https://www.lindau-nobel.org/oliver-smithies-how-potatoes-revolutionised-electrophoresis/

2.  Tiselius, Arne。“计数器两边的反映。”生物化学年度回顾37，no. 1 (1968): 1–23. https://doi.org/10.1146/annurev.bi.37.070168.000245

3. Tiselius，“计数器两边的反映。”

4. Tiselius, Arne。“电泳分析和原生流体的构成：Harvey讲座，1939年10月19日。”纽约医学院公报16，no. 12 (1940): 751–80

5. Kay, Lily E。“实验室技术和生物学知识：Tiselius电泳仪，1930-1945年。”生命科学的历史和哲学10，no. 1 (1988): 51–72

6. Kay。“实验室技术和生物学知识：Tiselius电泳仪，1930-1945年。”

7. “CPI通胀计算器。”美国劳工统计局。美国劳工统计局。2022年12 月6日访问https://www.bls.gov/data/inflation_calculator.htm

8. Kay。“实验室技术和生物学知识：Tiselius电泳仪，1930-1945 年。”

9. Stapleton, Darwin H.“Oswald T. Avery和洛克菲勒医学研究所发现DNA的技术基础。”Icon 18 (2012): 35–44

10. Stapleton。“Oswald T. Avery和洛克菲勒医学研究所发现DNA的技术基础。”

11. Smithies, Oliver。“这一切是如何开始的：凝胶电泳的发展史。”分子生物学方法，2012, 1–21. https://doi.org/10.1007/978-1-61779-821-4_1

12. “核酸凝胶电泳——简要概述和历史。”赛默飞。2023年1月9日访问https://www.thermofisher.com/us/en/home/life-science/cloning/cloning-learning-center/invitrogen-school-of-molecular-biology/na-electrophoresis-education/na-separation-overview.html