L’objectif global du protocole est de préparer plus d’un million de gouttelettes de femtoliter commandées, uniformes, stables et biocompatibles sur un substrat planaire de 1 cm2 qui peut être utilisé pour la synthèse des protéines sans cellules.
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Article de méthode
L’objectif global du protocole est de préparer plus d’un million de gouttelettes de femtoliter commandées, uniformes, stables et biocompatibles sur un substrat planaire de 1 cm2 qui peut être utilisé pour la synthèse des protéines sans cellules.
Les progrès réalisés dans la résolution spatiale et la sensibilité à la détection de l’instrumentation scientifique permettent d’appliquer de petits réacteurs pour la recherche biologique et chimique. Pour répondre à la demande de microréacteurs haute performance, nous avons mis au point un dispositif femtoliter droplet array (FemDA) et illustré son application dans des réactions massivement parallèles de synthèse de protéines sans cellules (CFPS). Plus d’un million de gouttelettes uniformes ont été facilement générées dans une zone de la taille d’un doigt à l’aide d’un protocole d’étanchéité à l’huile en deux étapes. Chaque gouttelette était ancrée dans une microchamber femtoliter composée d’un fond hydrophile et d’un paroi latérale hydrophobe. La structure hydrophile-in-hydrophobe hybride et les huiles d’étanchéité et les surfactants dédiés sont essentiels pour conserver de façon stable la solution aqueuse femtoliter dans l’espace femtoliter sans perte d’évaporation. La configuration femtoliter et la structure simple du dispositif FemDA ont permis une consommation minimale de réactifs. La dimension uniforme des réacteurs à gouttelettes a rendu les mesures quantitatives et temporelles à grande échelle convaincantes et fiables. La technologie FemDA a corrélé le rendement protéique de la réaction du SCFP avec le nombre de molécules d’ADN dans chaque gouttelette. Nous avons rationalisé les procédures concernant la microfabrication de l’appareil, la formation des gouttelettes de femtoliter, et l’acquisition et l’analyse des données d’image microscopiques. Le protocole détaillé avec le faible coût de fonctionnement optimisé rend la technologie FemDA accessible à tous ceux qui ont des installations de nettoyage standard et un microscope à fluorescence classique à leur place.
Les chercheurs utilisent des réacteurs pour effectuer des réactions bio/chimiques. Des efforts importants ont été déployés pour réduire la taille du réacteur et augmenter le débit expérimental afin de réduire la consommation de réactifs tout en améliorant l’efficacité du travail. Ces deux aspects visent à libérer les chercheurs d’une lourde charge de travail, en réduisant les coûts et en accélérant la recherche et le développement. Nous disposons d’une feuille de route historique claire sur le développement des technologies des réacteurs du point de vue des volumes de réaction et du débit : béchers/flacons/tubes à essai simples, tubes millilitres, tubes microlitres, microlitres 8 tubes, microlitres 96/384/1536-puits, et nanolitre microfluidique/picoliter/femtoliter réacteurs1,2,3,4,5,6,7. Analogue à la réduction de la taille des caractéristiques des transistors sur les puces de circuits intégrés dans l’industrie des semi-conducteurs au cours des dernières décennies, les microréacteurs bio/chimiques sont en cours de réduction du volume et d’intégration du système. Ces outils à petite échelle ont eu un impact profond sur la biologie synthétique à base de cellules ou sans cellules, la biomaufacturing, et le prototypage et le dépistage à haut débit8,9,10,11,12. Cet article décrit nos efforts récents sur le développement d’une technologie unique de tableau de gouttelettes et démontre son application dans CFPS13, une technologie fondamentale pour la biologie synthétique et les communautés de dépistage moléculaire14. En particulier, nous fournissons intentionnellement un protocole optimisé et peu coûteux pour rendre le dispositif FemDA accessible à tous. Le protocole à faible coût et facile à manipuler pour l’appareil miniaturisé contribuerait aux objectifs éducatifs des universités et aiderait à diffuser la technologie.
FemDA prépare des gouttelettes de femtoliter à une densité ultra-élevée de 106 par 1 cm2 sur un substrat en verre planaire. Nous avons enduit un polymère hydrophobe, CYTOP15, sur le substrat de verre et gravé sélectivement (enlevé) CYTOP à des positions prédéfinies pour générer un tableau de microchambre sur le substrat. Ainsi, la microchambre qui en résulte est composée d’une paroi hydrophobe (CYTOP) et d’un fond hydrophile (verre). Lorsque l’eau et l’huile coulent séquentiellement sur la surface à motifs, l’eau peut être emprisonnée et scellée dans les microchambres. La structure hydrophile-in-hydrophobe est essentielle pour repousser l’eau à l’extérieur des microchambres, isoler les microréacteurs individuels et conserver une minuscule solution aqueuse à l’intérieur de l’espace femtoliter. La propriété unique a été appliquée avec succès pour la préparation de gouttelettes d’eau dans l’huile et de microcompartements bicalaires lipidiques16,17. Par rapport au prototype16, nous avons d’abord optimisé le processus de microfabrication pour réaliser une élimination complète du polymère CYTOP ainsi qu’une exposition complète du fond de verre. CYTOP est un fluoropolymère spécial dont la tension de surface est extrêmement faible (19 mN/m) inférieure à celle des matériaux microréacteurs conventionnels tels que le verre, les plastiques et le silicone. Ses bonnes performances optiques, électriques et chimiques ont déjà été utilisées dans le traitement de surface des dispositifs microfluidiques18,19,20,21,22,23,24. Dans le système FemDA, pour obtenir un bon mouillage de l’huile sur la surface du CYTOP, la tension de surface de l’huile doit être inférieure à celle de la surface solide25. Sinon, l’huile liquide en contact avec la surface solide tend à devenir sphérique plutôt que de se répandre sur la surface. En outre, nous avons constaté que certaines huiles populaires de perfluorocarbone (par exemple, 3M FC-40)16 et les huiles hydrofluoroéther (par exemple, 3M série Novec) peuvent dissoudre CYTOP à la suite de la morphologie amorphe de CYTOP, qui est fatale à la mesure quantitative et serait discutable en termes de contamination croisée entre les gouttelettes. Heureusement, nous avons identifié une huile biocompatible et respectueuse de l’environnement présentant une tension de surface inférieure (< 19 mN/m)13. Nous avons également trouvé un nouveau surfactant qui peut se dissoudre dans l’huile sélectionnée et fonctionner dans une faible concentration (0,1%, au moins 10 fois plus faible que précédemment rapporté populaires26,27)13. L’interface eau/huile qui en résulte peut être stabilisée par le surfactant. En raison du taux d’évaporation élevé de l’huile, après la chasse d’eau avec l’huile, nous avons appliqué une autre huile biocompatible et respectueuse de l’environnement pour remplacer la première pour sceller les microchambres. Nous appelons la première huile (ASASHIKLIN AE-3000 avec 0,1 wt % SURFLON S-386) l’huile de chasse d’eau et la deuxième huile (Fomblin Y25) l’huile d’étanchéité, respectivement.
La stratégie d’étanchéité à l’huile en deux étapes peut réaliser une formation robuste du tableau de gouttelettes femtoliter en quelques minutes et sans instrumentation sophistiquée. En raison du problème d’évaporation, il a été considéré comme difficile de générer des microréacteurs plus petits que les volumes de picolteur28. FemDA a abordé ce problème en optimisant systématiquement les matériaux et les procédés utilisés pour la préparation des microréacteurs/gouttelettes. Plusieurs caractéristiques notables des gouttelettes résultantes incluent l’uniformité élevée (ou monodispersité), la stabilité, et la biocompatibilité à l’échelle femtoliter. Le coefficient de variation (CV) du volume des gouttelettes n’est que de 3% (sans correction de vignette pour les images microscopiques), le plus petit CV parmi les plates-formes de gouttelettes dans le monde, ce qui assure une mesure très parallèle et quantitative. La gouttelette de femtoliter est stable pendant au moins 24 heures sans contamination croisée entre les gouttelettes à température ambiante, ce qui est précieux pour une mesure fiable du cours du temps. En ce qui concerne la biocompatibilité, nous avons réussi à synthétiser diverses protéines à partir d’un modèle d’ADN à copie unique dans la gouttelette femtoliter, qui avait été précédemment considéré comme difficile ou inefficace29,30. Il serait digne d’élucider pourquoi certaines protéines capables d’être synthétisées dans le FemDA ne peuvent pas être synthétisées dans d’autres systèmes de gouttelettes. FemDA n’était pas seulement un progrès technique, mais a également réalisé une mesure quantitative sans précédent qui peut corréler le rendement des protéines (tel que reflété par l’intensité de fluorescence de la gouttelette) au nombre de molécules d’ADN de modèle dans chaque gouttelette. En conséquence, l’histogramme de l’intensité de fluorescence des gouttelettes du CFPS à base de FemDA a montré une distribution discrète qui peut être bien ajustée par une somme de distributions gaussiennes d’intervalles de pointe à pic égaux. En outre, la probabilité d’occurrence de gouttelettes contenant différents nombres de molécules d’ADN était un ajustement parfait à une distribution poisson31. Ainsi, le rendement protéique différent dans chaque gouttelette peut être normalisé en fonction de la distribution discrète. Cette caractéristique critique nous permet de séparer l’information d’activité enzymatique de l’intensité apparente, qui n’a pas encore été disponible avec d’autres plates-formes de microréacteurs. Les systèmes de tri des cellules/gouttelettes microfluidiques existants sont habiles dans le tri entièrement automatique et bons pour concentrer des échantillons, mais parfois ne peuvent produire qu’un histogramme relativement large ou à longue queue dans l’aspect analytique32,33. Notre système FemDA hautement quantitatif et biocompatible établit une nouvelle référence et une norme analytique élevée dans le domaine du développement des microréacteurs.
Les huiles et les surfactants qui pourraient être utilisés pour la préparation des gouttelettes sont encore très limitées34. La combinaison d’ASASHIKLIN AE-3000 et DE SURFLON S-386 établie à FemDA est un nouveau membre de l’arsenal croissant de l’interface physiochimique entre la phase aqueuse et la phase13de l’huile. La nouvelle interface de FemDA est physiquement stable, chimiquement inerte et biologiquement compatible avec les machines complexes de transcription, de traduction et de modification post-translationnelle pour de nombreuses sortes de protéines13. Il serait plutôt intéressant de trouver une protéine qui ne peut pas être synthétisée dans les paramètres de gouttelettes à la place. En outre, l’économie de coûts des réactifs est plus évidente dans le système de gouttelettes femtoliter que celle dans les systèmes de réacteurs nanolitres et picoliter35,36. En particulier, il y aurait souvent un grand volume mort, qui est principalement causé par des tubes ou des fournitures externes, dans les systèmes de génération de gouttelettes microfluidiques, mais pas dans notre FemDA. Le format de tableau est également favorisé par une caractérisation microscopique répétée et détaillée (similaire à ce qu’on appelle l’analyse à haute teneur) pour chaque réacteur37, plutôt que par un seul instantané pour un objet en mouvement rapide. L’échelle femtoliter a permis l’intégration de plus d’un million de réacteurs sur une zone de la taille d’un doigt, alors que le même nombre de réacteurs nanolitres (s’il existe) nécessite une superficie de plus de mètres carrés, ce qui ne serait sans aucun doute pas pratique pour fabriquer ou utiliser un tel système.
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1. Microfabrication du substrat de microchambre femtoliter
REMARQUE : Effectuez l’expérience de microfabrication suivante dans une salle propre. Portez des gants et un costume de chambre blanche avant d’entrer dans la salle blanche.
2. Préparation du microcanal polydiméthylsiloxane (PDMS)
REMARQUE : Ne portez PAS de gants en latex pour manipuler le PDMS. Au lieu de cela, portez des gants en polyéthylène (PE).
3. Assemblage du dispositif de microchambre femtolitre
4. Solution de réaction de chargement à l’appareil assemblé
5. Génération de gouttelettes femtoliter (FemDA) pour CFPS
6. Imagerie microscopie
7. Analyse des données d’image
REMARQUE : Analyser les données d’image à l’aide d’un plugin maison (appelé « FemDA ») basé sur Fidji (http://fiji.sc) pour extraire l’intensité de fluorescence de chaque gouttelette43. Installez la bonne version de Fidji selon le système d’exploitation. Fidji prend en charge la plupart des formats de fichiers d’image (par exemple, le fichier nd2 du microscope Nikon, le fichier czi du microscope Zeiss) à l’aide d’un plugin de construction « Bio-Formats. »
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Le processus de microfabrication consiste en le nettoyage du substrat, la fonctionnalisation de surface, le revêtement CYTOP, la photolithographie, la gravure sèche, le décapage photorésiste et le nettoyage final. Fait important, le protocole présenté a permis l’enlèvement complet du polymère cytop hydrophobe à l’intérieur des microchambres Figure 3A),produisant une structure hydrophile-in-hydrophobe très parallèle sur un substrat en verre de couverture standard. À l’aide du protocole d’étan...
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La mesure hautement quantitative basée sur les gouttelettes hautement uniformes, stables et biocompatibles de FemDA a permis la distribution discrète, la caractéristique unique de notre étude différant des autres. Nous avons systématiquement optimisé et détaillé les processus de microfabrication et de formation de gouttelettes dans cet article. Il y a plusieurs étapes critiques dans le protocole établi.
Tout d’abord, le revêtement uniforme du polymère CYTOP très visqueux sur le substrat rectan...
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Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ces travaux ont été soutenus par le numéro de subvention JSPS KAKENHI JP18K14260 et le budget de l’Agence japonaise pour les sciences et la technologie de la Terre marine. Nous remercions Shigeru Deguchi (JAMSTEC) et Tetsuro Ikuta (JAMSTEC) d’avoir fourni les installations de caractérisation. Nous remercions Ken Takai (JAMSTEC) pour le support logiciel commercial. La microfabrication a été réalisée à Takeda Sentanchi Supercleanroom, l’Université de Tokyo, soutenue par le « Nanotechnology Platform Program » du Ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT), Japon, Grant Number JPMXP09F19UT0087.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| (3-aminopropyl)triéthoxysilane | Sigma-Aldrich | 440140 | |
| 1 mL seringue | Terumo | SS-01T | |
| 2-propanol | Kanto Chemical | EL grade | EL : pour utilisation électronique. |
| Microscope confocal à balayage laser 3D | Lasertec | OPTELICS HYBRID | D’autres microscopes similaires (par exemple, Keyence VK-X1000, Olympus LEXT OLS5000) sont également applicables. |
| Seringue de 50 mL | Terumo | SS-50LZ | |
| 6,8-difluoro-4-méthylumbelliferyl phosphate | Thermo Fisher Scientific | D6567 | Préparer une solution mère de 5 mM dans du sulfoxyde de diméthyle |
| Acétone | Kanto Chemical | EL grade | EL : pour utilisation électronique. Pureté 99,8 %. |
| Souffleur d’air | Hozan | Z-263 | |
| Bloc d’aluminium | BIO-BIK | AB-24M-02 | |
| Support de microtubes en aluminium | BIO-BIK | AB-136C | |
| ASAHIKLIN AE-3000 | AGC | (Échantillon d’essai) | Un échantillon d’essai gratuit peut être disponible sur demande à AGC. |
| BEMCOT PS-2 essuie-glace | Ozu | 028208 | |
| Poinçon de biopsie avec piston | Kai | BPP-10F | |
| Verre de couverture | Matsunami Glass | No. 1 (24 mm & times ; 32 mm, 0,13 ~ 0,17 mm d’épaisseur) | Taille-personnalisé. |
| Support de coloration en verre | de couverture Nakayama | 803-131-11 | |
| CRECIA TechnoWipe clean Wiper | Nippon Paper Crecia | C100-M | |
| Tapis de découpe | GE Healthcare | WB100020 | |
| CYTOP | AGC | CTL-816AP | |
| Mélangeur de désaération | Thinky | AR-100 | |
| Cutter de bureau | Roland | STIKA SV-8 | |
| Le développeur | AZ Electronic Materials | AZ 300 MIF | AZ Electronic Materials a été acquis par Merck. D’autres révélateurs alcalins peuvent également être applicables mais devraient nécessiter une optimisation des conditions de développement (temps, température, etc.) |
| Ruban adhésif double face Kapton film | tape Teraoka Seisakusho | 7602 #25 | |
| Éthanol | Kanto Chemical | EL grade | EL : pour utilisation électronique. Pureté 99.5 %. |
| Version Fidji | : ImageJ 1.51n | ||
| Coupe-câble plat | Tokyo-IDEAL | MT-0100 | |
| Huile de fomblin | Solvay | Y25, ou Y25/6 | Un échantillon de test gratuit peut être disponible sur demande auprès de Solvay. Fomblin Y25/6 est une alternative si Y25 n’est pas facilement disponible. |
| Plaque chauffante | AS ONE | TH-900 | |
| Aiguille d’injection | Terumo | NN-2270C | 22G × ; 70 mm |
| Microscope à fluorescence inversée | Nikon | Eclipse Ti-E | Spécification d’épifluorescence, caméra CCD ou sCMOS, platine motorisée, système de mise au point automatique et objectif à grande ouverture numérique sont nécessaires. |
| KaleidaGraph | Synergy | Version : 4.5 | |
| Aligneur de masque | SUSS | MA-6 | D’autres aligneurs de masque sont également applicables tant que le mode de contact sous vide est disponible. |
| Pipette MICROMAN | GILSON | E M250E | Pointe de piston capillaire : CP250 |
| Microsoft Excel | Microsoft | : 16.16.15 | |
| Mini chambre à vide | AS ONE | MVP-100MV | |
| Eau sans nucléase | NIPPON GENE | 316-90101 | |
| Parafilm | Amcor | PM-996 | |
| Tube PCR | NIPPON Genetics | FG-021D/SP | |
| Boîte de Pétri | AS ONE | GD90-15 | Diamètre 90 mm, hauteur 15 mm. |
| Photoresist | AZ Electronic Materials | AZ P4903 | AZ Electronic Materials a été rachetée par Merck. AZ P4620 est une alternative. |
| Lecteur de plaques | BioTek | POWERSCAN HT | |
| Gants en polyéthylène | AS ONE | 6-896-02 | Nom commercial : Saniment. |
| Kit de synthèse de protéines in vitro PURExpress | New England Biolabs | E6800S ou E6800L | Pour une réaction de synthèse de protéines acellulaire. |
| Système de gravure par ions réactifs | Samco | RIE-10NR | D’autres systèmes RIE sont également applicables, mais doivent nécessiter une optimisation des conditions RIE (débit de gaz, pression de la chambre, puissance RF, temps de gravure, etc.) |
| Inhibiteur de la RNase | New England Biolabs | M0314S | |
| Scotch tape | 3M | 810-1-18D | |
| Solution d’hydroxyde de sodium | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 194-09575 | 8 M concentration ; danger. |
| Spin coater | Oshigane | SC-308 | |
| SURFLON S-386 tensioactif | AGC | (Échantillon d’essai)Un | échantillon d’essai gratuit peut être disponible sur demande auprès d’AGC. |
| Élastomère de silicone SYLGARD 184 | Dow | Sylgard184 | Composition chimique : polydiméthylsiloxane. Le rapport de mélange par défaut est base : agent de durcissement = 10 : 1 (m/m). |
| Pince à épiler | Ideal-tek | 2WF. SA.1 2A | |
| Nettoyeur à ultrasons | AS ONE | ASU-2M | |
| Mandrin | d’aspirateur Oshigane | (personnalisé) | Matériel : delrin ; étage d’échantillon rectangulaire avec plusieurs trous (48 trous, chacun de 1 mm de diamètre) ; la taille est personnalisée pour s’adapter à la taille du verre de couverture (24 mm & fois ; 32 mm). |
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