基因枪的历史

第一代基因枪是台式基因枪，火药台式基因枪是最原始的一种基因枪。最早的基因枪是美国康奈尔大学的桑福德于1987年与该校工程专家沃尔夫和卡伦合作开发的一种基因转移新方法。这种方法一经发明，就在学术界崭露头角。Klein等人在1987首次用基因枪转化洋葱表皮细胞，并获得成功。

基因枪自1987诞生以来发展迅速。从1988开始，美国康奈尔大学相继申请了三项基因枪技术专利(EP 0331 855A2，1988:美国专利号4，945，050 July 31，1990:美国专利号5，036)。1987-1990期间，高压放电、压缩气体驱动等各种基因枪相继出现，都是在反复实践中不断完善和发展的。1988，McCabe用钨粉包裹目的基因，轰击大豆茎尖分生组织。结果，约2%的组织通过器官发生获得再生植株，并且在后代中检测到外源基因。1989气动基因枪成功转化烟草等植物，获得瞬时表达。与其他植物相比，大麦的转基因技术发展相对缓慢。直到1989，Kartha等人培养大麦细胞和组织，成功检测到报告基因的瞬时表达。

1990年，美国杜邦公司推出第一个商用基因枪PDS-1000系统。这个仪器是一种“biolistics”台式基因枪，相关技术是从一家小型Biolistics公司购买的(负责人是康奈尔大学的)。据康奈尔研究基金会副主席、大学专利和技术市场负责人W.Haeussler介绍，转让给杜邦的技术是当时康奈尔发明的最大一笔交易，一次性向康奈尔大学支付了总计228万美元的专利税和研究支持费。当时，Bio-Rad Laboratories，Inc .与杜邦公司签署了OEM和经销商协议。随后，伯乐公司在1992引进了PDS-1000/He枪。在国内，中科院生物物理所和清华大学也分别在1989和1991推出了新枪型并申请了专利(中国专利89109334和91207467)。与新型手持基因枪不同，台式基因枪体积过大，实验场地有限，无法灵活应用于田间。高压气体需要排空，压缩机工作时噪音大。而且高气压推动微粒轰击，使得台式基因枪仅限于细胞移植，无法用于活体移植。第一代基因枪每次轰击的成本也很高，控制气压的金粉和破裂盘都很贵。

第二代基因枪出现在1996，伯乐公司推出Helios手持基因枪。这是历史上最早的手持基因枪。该系统通过可调节的氦脉冲驱动小塑料管内壁上预先包装有DNA、RNA或其他生物材料的金颗粒，直接注入细胞内。与第一代台式基因枪相比，Helios手持式基因枪摒弃了真空压缩机，牺牲了部分气体压力，从而使活体动物移植成为可能，可以直接移植活体动物的肌肉和皮肤。由于体积小，便于实验人员随身携带，大大拓宽了基因枪的应用范围。在随后的10年间，Helios手持基因枪被广泛用于难以从原生质体再生植株、对农杆菌感染不敏感的单子叶植物的基因转移。在基因枪之前，外源DNA进入细胞质后很难通过双层膜的细胞器。基因枪技术因其转化频率高、重复性好，是该领域最常用、最有效的DNA导入技术。与第一代台式基因枪相比，手持式基因枪由于气压低(只有100-600 psi)，无法穿透成熟叶片的细胞壁，一定程度上影响了其转基因植物的应用范围，但与台式基因枪是互补的，Helios很好地扩展了基因枪的应用领域。

同样，用高压气体转移基因，生产技术的提高使基因枪从细胞转移到活体，从台式转移到手持，基因枪的应用范围一步步扩大。最早意识到并积极尝试在转基因工作中使用基因枪的生命科学工作者的科研水平有了很大提高，解放了转基因工作者的想象力。蓬勃发展的基因枪技术被学术界寄予厚望，被视为转基因领域的明日之星。然而，人们逐渐发现，活体动物的器官比皮肤和肌肉脆弱得多。比如活体小鼠的肝脏和脾脏最多只能承受40psi的压力，在100psi的高压气体冲击下，器官会严重受损，导致实验失败。但过低的气压并不能使基因微载体有足够的动量穿透细胞。气体压力和粒子转移速度的矛盾成为了基因枪发展的瓶颈，在接下来的10年里一直困扰着各大生命科学仪器厂商的R&D团队。

直到2009年，Wealtec公司推出GDS-80低压基因输送系统(又称GDS-80基因枪)(美国专利号6436709 b 1)，引领了第三代基因枪技术的发展方向。GDS-80手持基因枪巧妙地从流体动力学和航空动力学出发，利用氦气或氮气在低压下将生物分子加速到极高的速度来完成基因转移，从全新的角度解决了气压和粒子速度的矛盾。第三代基因枪的超低压力(10-80 psi)不仅在不牺牲的情况下大大增加了粒子的输运动量，而且使基因枪仅在低压下就能成功应用于动物活体器官移植。而且，与第二代手持基因枪相比，GDS-80发射的携带基因的粒子由于动量大，可以像台式基因枪发射的粒子一样穿透植物细胞壁，完成转化。在此之前，第一代台式基因枪至少需要1000-2000 psi的高压气体才能完成这项工作。在动物细胞特别是活体动物的实验中，不需要借助微粒载体(如金颗粒)将动量较高的生物颗粒转移到靶体内，避免了靶细胞内异物残留的问题，大大降低了实验成本。第三代基因枪的低电压导通，大大降低了细胞损伤和枪轰击的噪音，有效降低了金粉微载体在动物实验中带来的昂贵费用。GDS-80基因枪“子弹”的制备也由干法改为湿法，节省了干燥时间，简化了工艺。