برز تخليق الخلايا الاصطناعية أو الاصطناعية كمجال بارز للغاية للبحوث متعددة التخصصات ، وجذب اهتماما كبيرا من العلماء عبر مجالات البيولوجيا التركيبية والكيمياء والفيزياء الحيوية. يتحد هؤلاء العلماء من خلال الهدف المشترك المتمثل في بناء الحد الأدنى من الخلايا الحية1،2،3. كان النمو السريع لهذا المجال متماشيا مع التطورات الكبيرة في التقنيات الحيوية ، مثل معالجة الحمض النووي المؤتلف4 ، ومواد المحاكاة الحيوية5 ، وتقنيات التصنيع الدقيق للتجزئة6 ، بما في ذلك طريقة تخليق البروتين الخالي من الخلايا (CFPS)7. تشمل أنظمة CFPS الآلية الخلوية الأساسية للنسخ والترجمة ، مما يوفر الإطار الأساسي لتطوير وتكامل الخلايا الاصطناعية متعددة الوظائف.
على الرغم من أن تقنيات CFPS تستخدم بشكل متكرر في تجميع الخلايا الاصطناعية ، إلا أن تطوير نظام CFPS قوي ومصمم خصيصا لتجميع أنظمة الخلايا الاصطناعية المختلفة لا يزال يمثل تحديا معقدا. حاليا ، تتوفر العديد من أنظمة CFPS ، مشتقة من كل من بدائيات النوى والكائنات الحيةالنموذجية 8 ، كل منها متخصص لتطبيقات معينة في تخليق الخلايا الاصطناعية. بالإضافة إلى أدوارها المركزية في النسخ والترجمة ، تختلف أنظمة CFPS في مكوناتها الرئيسية وإجراءات الإعداد المرتبطة بها. هذه الاختلافات ، التي تشمل الاختلافات في مستخلصات الخلايا ، وبوليميراز الحمض النووي الريبي ، وطرق تحضير القوالب ، والتركيبات العازلة ، ترجع إلى حد كبير إلى مسارات التطوير المتميزة التي تتبعها مجموعات البحث التي حسنت أنظمتها بشكل مكثف لتحقيق أقصى إنتاجية من البروتين.
من بين المكونات المختلفة لنظام CFPS ، يعد مستخلص الخلية مجموعة إنزيمية مهمة للنسخ والترجمة ، وبالتالي فهو محدد رئيسي لأداء CFPS9. يعد نظام CFPS القائم على الإشريكية القولونية (E. coli) هو النظام الأكثر استخداما نظرا لوضعه كأفضل كائن بدائي النواة مفهوما. علاوة على ذلك ، تم تطوير نظام CFPS المعاد تشكيله بالكامل والذي يتألف من البروتينات والريبوسومات المنقاة بشكل فردي ، والمعروفة باسم PURE10 ، من قبل مجموعة أبحاث Ueda ، وهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب خلفية واضحة. اليوم ، حتى أنظمة CFPS القائمة على الإشريكية القولونية قد تنوعت ، خاصة من حيث سلالات المصدر للإكستراك11 وطرق التحضير12,13 ، بوليميراز الحمض النووي الريبي14,15 ، مصادر الطاقة16,17 ، والأنظمة العازلة18,19. تشمل السلالات الأكثر استخداما مشتقات سلالة K12 و B ، مثل A1920 و JM10921 و BL21 (DE3) 22 و Rossetta223 ، إلى جانب نظيراتها المعدلة وراثيا.
في البداية ، تم اختيار سلالات الإشريكية القولونية ذات أنشطة RNase والبروتياز المنخفضة لتعزيز استقرار mRNA واستقرار البروتينات المؤتلفة المركبة حديثا ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاجية البروتين النهائية24. بعد ذلك ، تم تصميم مستخلصات الإشريكية القولونية لتسهيل تعديلات محددة بعد الترجمة ، بما في ذلك الجليكوزيل25 والفسفرة26 والدهون27 ، لتحقيق تعديلات ما بعد الترجمة المذكورة أعلاه. بالإضافة إلى ذلك ، تم دمج مجموعة من المواد المضافة مثل المرافقات الجزيئية28 والمثبتات الكيميائية للمساعدة في طي البروتينات المستهدفة ، مما يساهم في تنويع أنظمة CFPS. يتم استخدام بوليميراز الحمض النووي الريبي T7 البكتيري ، المعروف بعمليته العالية ، في الغالب للنسخ ، على الرغم من استخدام بوليميراز آخر مثل SP629 . تم تكييف بوليميراز الحمض النووي الريبي الداخلي الإشريكية القولونية للنماذج الأولية للدوائر الجينية التي تستفيد من عوامل سيجما30. أخيرا ، تم تحسين مجموعة متنوعة من سلائف الطاقة31،32،33 والأملاح المختلفة والمكونات العازلة19،34،35 بشكل منهجي لتعزيز الإنتاجية.
إلى جانب نظام CFPS نفسه ، فإن طرق التغليف وكذلك مواد التقسيم ضرورية أيضا لتجميع الخلايا الاصطناعية الناجح. تشمل الأنظمة المختلفة التي تم تطويرها لتغليف تفاعل CFPS بنجاح قطرات الماء / الزيت المستقرة بالسطحي ، والدهون / البوليمر ، وحويصلاتها الهجينة أحادية الصفيحة (بأقطار تتراوح من 50 نانومتر إلى عدة ميكرومتر) ، بالإضافة إلى طبقات ثنائية دهنية مدعومة بشكل مستو. ومع ذلك ، نظرا لمحتوى الجزيء المعقد لنظام CFPS ، يعتمد معدل نجاح التغليف على حالات محددة ، خاصة لتشكيل الحويصلات. لتحسين معدل نجاح وكفاءة تغليف CFPS ، تم تطوير العديد من رقائق الموائع الدقيقة لتسهيل تكوين كل من القطرات والحويصلات36. ومع ذلك ، يجب إنشاء رقائق وأجهزة إضافية.
يحدد هذا البروتوكول نظام E. coli CFPS باستخدام سلالة BL21 (DE3) ، وهي مضيف شائع الاستخدام لإنتاج البروتين المؤتلف. يشمل البروتوكول سردا مفصلا لإعداد مستخلص الخلية ، وإعداد القالب ، وتحسين التعبير القياسي باستخدام بروتين مراسل الفلورسنت. علاوة على ذلك ، نقدم نتائج مثالية تم تحقيقها من خلال تغليف نظام CFPS داخل مقصورات دقيقة متنوعة ، بما في ذلك قطرات أحادية الطبقة ، وحويصلات مستحلب مزدوجة ، وغرف تقع فوق طبقات الدهون المزدوجة المدعومة. وأخيرا، نوضح العناصر الإجرائية المحورية والشروط اللازمة التي لا غنى عنها للنجاح في إنشاء أنظمة CFPS هذه في سياقات بيئية متميزة.