אנו מתארים הליך ליטוגרפית פשוט לאימוביליזציה של מולקולות DNA ג'ין באורך על משטח, אשר יכול לשמש כדי לבצע ניסויים ביטוי הגן ללא תא biochips.
Method Article
אנו מתארים הליך ליטוגרפית פשוט לאימוביליזציה של מולקולות DNA ג'ין באורך על משטח, אשר יכול לשמש כדי לבצע ניסויים ביטוי הגן ללא תא biochips.
קיבעון של גנים על משטחים lithographically מובנה מאפשר המחקר של ג'ין ממודר ביטוי תהליכים במערכת ביוריאקטור microfluidic פתוח. בניגוד גישות אחרות כלפי מערכות סלולריות מלאכותי, כזו מלכודת מאפשר אספקה רציפה עם ריאגנטים ביטוי גנים וניקוז סימולטני של חומרי פסולת. זה מקל על ביצוע תהליכי ביטוי הגן ללא תא במשך תקופות זמן, וזה חשוב עבור מימוש מערכות משוב רגולטוריות ג'ין דינמי. כאן אנו מספקים פרוטוקול מפורט הזיוף של biochips גנטי בטכניקה פשוטה לשימוש ליטוגרפית בהתבסס על DNA סטרנד תגובות הדחק, המשתמשת אך ורק רכיבים זמינים מסחרית. אנו מספקים גם פרוטוקול על האינטגרציה של גנים ממודר polydimethylsiloxane (PDMS)-microfluidic מערכת מבוססת. יתר על כן, אנו מראים כי המערכת הוא תואם עם מיקרוסקופ גמורה קרינה פלואורסצנטית (TIRF), אשר יכול לשמש בהתבוננות ישירה של אינטראקציות מולקולרי בין DNA מולקולות הכלול המיקס ביטוי.
תא-ביטוי גנים תגובות הן עניין רב ליישומים שונים, ביוכימיה, ביוטכנולוגיה, ביולוגיה סינתטית חינם. תא ללא ביטוי של חלבונים היה אינסטרומנטלי עבור הכנת דגימות חלבון טהור, אשר היו בסיס מחקרים רבים בביולוגיה מבנית. למשל, מערכות ללא תא בהצלחה שימשו עבור הביטוי של חלבון מתחמי1 או קרום חלבונים2, אשר הם קשה לייצר שימוש בביטוי מבוססת-תא. ראוי לציין, התא ללא ביטוי גנים תגובות שימשו גם להבהיר את המבנה של הקוד הגנטי, החל הניסויים פורצי דרך על-ידי נירנברג Matthaei 19613.
לאחרונה, יש כבר עניין מחודש בשיטות ללא תאים, ביוטכנולוגיה, ביולוגיה סינתטית-4,-5,-6. מערכות ללא תא ניתן בתוספת עם תרכובות הלא-ביולוגיים, רכיבים מגוונים ממקור ביולוגי ניתן לשלב בקלות רבה יותר7. אף-על-פי מערכות ללא תא יש החיסרון לכאורה הם אינם "גדלים ומתחלקים", זה מתקבל על הדעת להכין ריאקטורים ללא תא פתוח עם פונקציות בסיסיות מטבולית ולתת להם לסנתז מטבוליטים כאשר מסופק עם פחמן פשוטה ואנרגיה תשומות8. בתוך השדה המתעוררים של ביולוגיה סינתטית, מערכות ללא תא מבטיחה להיות צפוי יותר "מארז" ליישום של תפקודים ביולוגיים סינתטי.
כיום, ללא תא ג'ין ביטוי תגובות מבוצעות או באמצעות תא תמציות (ממקורות שונים כגון חיידקים, שמרים, חרקים), או מערכות תרגום/תמלול אשר היו אופטימיזציה עבור יישומים שונים (למשל, prokaryotic לעומת האיקריוטים ביטוי גנים, הפקה של חלבוני ממברנה, וכו '). פרוטוקול פופולרי עבור הכנת תמצית תא החיידק (הפטרוני TXTL) סופק לאחרונה על ידי Noireaux (פ') ועמיתים9. תכונותיו biophysical מאופיין ביסודיות10, מערכת TXTL כבר שימש בהצלחה לבצע סדרה של משימות מורכבות הביוכימי: למשל, ההרכבה של bacteriophages פונקציונלי ויה תא ללא ביטוי של הגנום phage11, הסינתזה של חלבון חיידקי חוטים12או היישום של הגן ללא תא מעגלים13,14.
מערכת אחרת מבוקש ב ביולוגיה סינתטית ללא תא היא מערכת טהור, אשר הוא מחדש של רכיבי מטוהרים15,16. בהשוואה למערכת TXTL, הוא אינו מכיל nucleases או חלבון השפלה מכונות. תוך השפלה של DNA ליניארי, מולקולות RNA או חלבונים הוא פחות בעיה במערכת טהור, מסלולים עששת חשובים למעשה עבור מימוש פונקציות דינמיות. כדי להפחית את האפקט של אקסונוקלאז השפלה של ג'ין ליניארי תבניות למערכת TXTL (דרך RecBCD), החלבון GamS הגנה על קצה צריך להתווסף. גם את TXTL וגם מערכת טהור זמינים מסחרית.
נושא קשור קשר הדוק ל ביולוגיה תא ללא דאגות המחקר של ההשפעה של מידור על תגובות ביוכימיות, נוסף על הקמת מבנים דמויי-תא מלאכותיים או protocells17,18,19 ,20. מחקר על תאים מלאכותיים כוללת בדרך כלל את ומגעים מערכת התגובה הביו בתוך תאי vesicular זני פוספוליפידים או חומרים פעילי שטח אחרים. בעוד מערכות כאלה לעזור לחקור את ההיבטים הבסיסיים של מידור, או הופעתה של cellularity ומבנים המשכפלת, הם עומדים בפני בעיות טיפוסיות של מערכות סגורות: בהיעדר של מטבוליזם של תפקוד והולמים מנגנוני הובלה ממברנה, קשה לשמור על תגובות ממודר פועל במשך פרקי זמן ארוכים - מולקולות הדלק משמשים ולצבור הפסולת.
אלטרנטיבה מעניינת מידור בתוך תאים מחקה תא כזה הוא הארגון המרחבי של חומר גנטי בשיטות photolithographic. קיבעון של "גנים על שבב" היה חלוץ על ידי קבוצת בר-זיו במכון ויצמן לפני יותר מעשר שנים21. בין הנושאים העיקריים היו צריכים להיפתר היו של ספיחה שאינם ספציפיים של ה-DNA, את פוטנציאל דנטורציה של חלבונים על פני שבב. . בר-זיו ואח פיתח להתנגד פוטוליתוגרפיה ייעודי כינה "דייזי", אשר היה מורכב silane מסוף תגובתי על הנייח של מולקולות להתנגד על משטחים צורן דו-חמצני, כרווח ארוך פוליאתילן גליקול (PEG) זה מובטח הביו, headgroup photocleavable, אשר הוסב על אמין תגובתי על הקרנה עם אור אולטרה סגול (UV). הוכח כי דייזי יכול לשמש כדי לשתק גנים באורך במולקולות דנ א (באורכים של קילו מספר בסיסי-זוגות (kbp)) על משטח השבב. פולימר פיזיקה נקודת מבט, ייצג המערכות מברשות פולימר הושתל על גבי מצע מוצק. בשל אופיו polyelectrolyte של ה-DNA, שיאשר מברשות אלה מושפע בחוזקה תופעות ספציפיות יון ואחרים22,23.
והכי חשוב, זה הוכח כי הגנים המצע. מרותק למיטה עדיין מתפקד, יכולים להיות משועתקים, תרגום לתוך RNA וחלבון. ג'ין מברשות נגישים עבור ה-RNA polymerases מ פתרון24, לא שפגע בסימני את התערובת macromolecular תרגום/תמלול על פני השטח. אחד היתרונות של קיבעון של רכיבים גנטיים על מצע הוא כי הם יכול להיות מופעל בכל מערכת הכור microfluidic פתוח ברציפות המסופק עם מולקולות קטנות קודמן ומן אילו מוצרים פסולת יכול להיות שהוסרו25 , 26.
לאחרונה פיתחנו וריאציה של שיטה זו כינה Bephore (עבור קרינה מסתיימים ו photoresist)27, אשר היה מבוסס באופן בלעדי על רכיבים זמינים מסחרית, מנוצל ספציפיים רצף DNA סטרנד הפלישה תגובות עבור מימוש הליך ליתוגרפיה שקודמים פשוטה כדי ליישם את הקמת מבוססי שבב תאים מלאכותיים. מבט סכמטי של התהליך מוצג באיור1. הוא מבוסס על מולקולות דנ א סיכת ראש המכיל קבוצת photocleavable, אשר נמצאים ותשמרו על שכבה פג מסתיימים. Photocleavage של הסיכה חושף רצף מקום אחיזה לרגל חד-גדילי, דרך איזה DNA מולקולות עניין (המכיל את רצף דיס "והותירו") יכול להיות המחוברים באמצעות גדיל בתיווך מקום אחיזה לרגל הפלישה.
בעוד Bephore הוא שעשוי להיות פשוט ליישם, דייזי מאפשר את מימוש מאוד צפוף ונקי "ג'ין מברשות", אשר יש יתרונות ביישומים מסוימים. עקרונית, עם זאת, ליתוגרפיה Bephore ודייזי יכולים לשלב בקלות. שיטת ליתוגרפיה קשורים ניצול DNA הזחה סטרנד להבניית DNA מברשות על זהב קודם לכן פותחה על ידי הואנג. et al., אך היה מנוצל לא בהקשר של הגן ללא תא ביטוי28,29.
בפרוטוקול הבא אנו מספקים שתיאור מפורט של הייצור של ה-DNA מברשות על ביטוי גנים תא ללא שימוש בשיטת Bephore. אנו מתארים כיצד האסימונים ג'ין מיוצרים, מדגימים את השימוש רב שלבי פוטוליתוגרפיה לאימוביליזציה במרחב מובנית של גנים על שבב. נדון גם הזיוף של תגובת תאי והיישום של מיקרופלואידיקה להופעה של ג'ין על שבב ביטוי תגובות.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הערה: לוח זמנים עבור השלבים בסעיפים שונים הוא נתון המידע הנוסף (סעיף 1).
1. שבב פבריקציה נוספת
הערה: כמו מצעים, שימוש סיליקון (קוטר 100 מ מ, 0.525 מ מ עובי) עם 50 ננומטר שכבה עבה של צורן דו-חמצני או שקופיות זכוכית (24 מ מ x 24 מ מ, 1.5 מס; 22 מ מ x 50 מ מ, מס ' 4.). בהתאם ליישום, בעוביים וגדלים אחרים עשויים להיות מתאימים יותר.
2. הכנה של גנים הנייח
הערה: פריימר רצף, שינויים DNA, פרוטוקול ה-PCR למופת מקבלים את המידע המשלים (סעיפים 2-4).
3. פוטוליתוגרפיה
הערה: photocleavable ה-DNA (PC) צריך להיות מטופל רק בסביבת אור צהוב. נייר כסף צהוב cleanrooms יכול לשמש כדי לסנן את האור של מנורות אור לבן רגיל.
4. PDMS התקנים
הערה: רצוי, עבודה בחדר נקי. הזיוף של מכשיר PDMS כדלקמן פרוטוקול סטנדרטי כמו שתואר על ידי מקדונלדס. et al. 30
5. ביטוי גנים ממודר
הערה: ההליך הבא מתאר ההרכבה של בעל מדגם (איור 3) להסתכלות ביטוי גנים ממודר על מיקרוסקופ הפוך עם חממה כלוב עבור בקרת טמפרטורה. המחזיק נבנה באמצעות חומרים זמינים וכלים (מ מ 3.5-5 פלסטיק עבה פוליוויניל כלוריד (PVC), ברגים, אגוזים, התרגיל) והוא יכול להיות מותאם אישית כדי להתאים סוגים שונים של מיקרוסקופים. השלבים המתוארים 5.1 ו- 5.2 צריכה להתבצע כך שני החלקים של בעל מוכנות באותו זמן.
6. מתמשכת ביטוי במכשירים Microfluidic
הערה: הגדרת הניסוי מורכב מחלקים שמוצג באיור 4A. פרטים על ההרכבה של השלב מבוקרי טמפרטורה אתם מקבלים את המידע המשלים (סעיף 7).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ליתוגרפיה בשני שלבים: איור 5 מראה התוצאה של תהליך בן שני שלבים ליטוגרפיה על משטח זכוכית עם דפוסים של גדילי דיס fluorescently שכותרתו חופפים.
הביטוי של חלבון פלואורסצנטי של מברשת ג'ין: איור 6 מדגים את הביטוי של החלבון הניאון YPet מ- DNA קיבוע. במספר נקודות זמן שאנחנו לאומדן הקצב ביטוי גנים חלקית הלבנת החלבון הניאון והתבוננות ההתאוששות של האות פלורסצנטיות, התעלמות התאוששו...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ליתוגרפיה Bephore היא טכניקה חזקה ופסיביות לאימוביליזציה עם תבנית ה-DNA או RNA. ובכל זאת, הפרוצדורה כוללת מספר שלבים אשר - אם משתנה - עשוי להיות מקור לכישלון או מופחתת הביצועים של המערכת.
שלב חיוני בייצור שבבי Bephore הוא PEGylation של המצע, אשר מספק את התאימות של פני השטח. . הנה, הצעד ניקוי עם שגרת RCA חשוב, מאז היא גם מפעילה על פני silanization הבאים. במהלך PEGylation בפועל, המצע בטח לא יתייבש. יתר על כן, Silane-פג-ביוטין מוכרחים להיות מאוחסנים כראוי כדי לשמר את התגובה שלה (סעיף 1.2) וכדי למ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
המחברים מצהירים כי יש להם אין אינטרסים מתחרים.
אנו להכיר בהכרת תודה תמיכה כספית עבור פרויקט זה על-ידי Stiftung של פולקסווגן (גרנט מס 89 883) המועצה האירופית למחקר (גרנט הסכם מס ' 694410 - AEDNA). טרשת נפוצה-S. מאשר תמיכה מאת DFG דרך GRK 2062.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| פרוסת סיליקון עם 50 ננומטר צורן דו-חמצני (מצע Bephore) | פרוסת | (ומיקרו; m): 525 ± 25, קוטר (מ"מ): 100 | |
| פרוסת סיליקון (לתבנית מאסטר PDMS) | רקיק | (ומיקרו; m): 525 ± 25, קוטר (מ"מ): 76.2 (3 אינץ') | |
| שקופיות זכוכית מס' 4 | מנזל | 22 מ"מ x 50 מ"מ | |
| שקופיות זכוכית מס' 1.5 | מסייע | 24 מ"מ x 24 מ"מ | |
| ביוטין-PEG-סילאן | לייסן ביו | MW 5,000 | |
| טולואן נטול מים | סיגמא אולדריץ' (Merck) | 244511 | |
| סטרפטווידין | תרמו-פישר סיינטיפיק | S888 | |
| DNA | טכנולוגיות DNA משולבות ( IDT) | ||
| תערובת מאסטר PCR בנאמנות גבוהה עם מאגר HF | אינגלנד Biolabs | M0531S | ערכת PCR |
| אשף SV ג'ל ומערכת ניקוי PCR | Promega | A9281 | ערכת ניקוי PCR עמודה ספין |
| PURExpress | ניו אינגלנד Biolabs | E6800S | מערכת ביטוי ללא תאים |
| PDMS | Dow Corning | Slygard 184 | |
| FluoSpheres | Thermo-Fisher Scientific | F8771 | |
| צינורות PTFE (ID: 0.8 מ"מ, OD: 1.6 מ"מ) | Bola | S 1810-10 | |
| EpoCore 20 | מיקרו התנגדות טכנולוגיה GmbH | Photoresist | |
| mr-Dev 600 | מיקרו התנגדות טכנולוגיה מפתח GmbH | Photoresist | |
| מקדם הידבקות | Ti-Prime | MicroChemicals | |
| סיליקון דו-רכיבי | Picodent | Twinsil | |
| רדיד צהוב להגנה מפני UV | Lithoprotect (באמצעות MicroChemicals) | Y520E212 | |
| <חזק>ציוד | |||
| מסכות לפוטוליתוגרפיה | Zitzmann GmbH | 64.000 dpi, 180x240 מ"מ | |
| מיקרוסקופ זקוף | אולימפוס | BX51 | פוטוליתוגרפיה והדמיה פלואורסצנטית |
| 60x מטרת טבילה במים | Olympus | LumPlanFl | בשימוש עם Olympus BX51, NA 0.9 |
| 20x מטרת טבילה במים | Olympus | LumPlanFl | בשימוש עם Olympus BX51, NA 0.5 |
| מצלמה | פוטומטרית | Coolsnap HQ | בשימוש עם Olympus BX51 |
| מקור Ligtht | EXFO | X-Cite 120Q | בשימוש עם |
| מיקרוסקופ הפוך | Nikon | Ti2-E | פלואורסצנטי הדמיה של ביטוי גנים |
| 4x אובייקטיבי | Nikon | CFI P-Apo 4x Lambda | בשימוש עם מצלמת Nikon Ti2-E |
| Andor | Neo5.5 | בשימוש עם מקור אור Nikon Ti2-E | |
| Lumencor | SOLA SM II | בשימוש עם חממת כלוב Nikon Ti2-E | |
| קו מודגש | Okolab | בשימוש עם בקר לחץ Nikon Ti2-E | |
| Elveflow | OB1 MK3 | ||
| ננו-פוטומטר | אימפלן | מדידת ריכוז DNA | |
| מנקה פלזמה | Diener | Femto | 200 W, מופעל ב-0.8 mbar עם הדגימה בכלוב פאראדיי |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission