ביולוגיה סינתטית
וידאו זה מציג ביולוגיה סינתטית ותפקידה בהנדסה ביולוגית. ביולוגיה סינתטית מתייחסת לשיטות המשמשות לשינוי גנטי של אורגניזמים על מנת להפוך אותם מסוגלים לי…
ביולוגיה סינתטית היא תחום המשלב ביולוגיה והנדסה כדי ליצור או לעצב מחדש ישויות ביולוגיות, אורגניזמים או מסלולים. הרעיון דומה לסינתזה כימית בכימיה שבה תגובות ידועות משמשות לסנתז תרכובות כימיות חדשות. המטרה הסופית יכולה להשתנות מיצירת מולקולות תרופות ביולוגיות חדשות לשינוי אורגניזמים כדי לגרום להם לשבור פסולת. וידאו זה דן בעקרונות הבסיסיים של ביולוגיה סינתטית וכמה טכניקות המשמשות לבניית מודולים ביולוגיים. לבסוף, אנו מציגים כמה יישומים בעולם האמיתי של תחום מתפתח זה.
המטרה העיקרית של שדה מתפתח זה היא להשתמש בביולוגיה ובהנדסה ביולוגית ככלי ליצירת מולקולות ואורגניזמים חדשים. בדומה למהנדס חשמל היוצר מעגל פונקציונלי מרכיבים חשמליים בודדים, מטרה מרכזית של ביולוגיה סינתטית היא ליצור מיקרואורגניזם ניתן לתכנות מאפס באמצעות רכיבי תאים בודדים. עם זאת, זה עדיין רחוק מלהיות בר השגה בשלב זה, בעיקר משום תהליכים ביולוגיים פחות מובנים. מטרה זו נעשית ברת השגה יותר על ידי ההתקדמות האחרונה, כגון רצף DNA הדור הבא. באמצעות ריצוף DNA, חוקרים יכולים לזהות את הפונקציות בגנים ספציפיים לרצף DNA באורגניזמים בעלי תכונות רצויות מסוימות. לאחר מכן, ניתן לסנתז את רצף הדנ"א המדויק בכמויות גדולות ולאחר מכן להשתמש בו לשינוי גנטי של תא באמצעות טרנספקטו. טרנספקטיון הוא תהליך של החדרת חומר גנטי, כגון DNA או RNA, לתאי יונקים. כאשר מבוצע על תאים חיידקיים, הטכניקה נקראת טרנספורמציה. בתהליך זה, DNA מורכב לעתים קרובות עם מולקולות נשא טעון חיובית או מרוכז בתוך חלקיק ליפוזום או פולימר טעון חיובית, כגון פוליאתילנין. המתחם הטעון לחיוב מתחבר לקרום התא הטעון שלילית ואז נכנס לתא באמצעות אנדוציטוזיס, שהוא תהליך שבו מולקולות נכנסות לתא דרך שלל הקשור לממברנה הנקרא אנדוזומים. ברגע שהוא בתוך התא, החומר הגנטי עוזב את האנדום ובסופו של דבר נכנס לגרעין, שם המכונות של התא מסוגלות לייצר MRNA ואז חלבון ממנו. כעת, לאחר שהצגנו את היסודות של ביולוגיה סינתטית, בואו נסתכל על כמה טכניקות טרנספקטו הנפוצות במעבדה.
אלקטרופורציה היא טכניקה הכרוכה בשימוש באלקטרודה כדי ליצור נקבוביות זעירות בקרום התא, ובכך לאפשר ל- DNA לעבור. ראשית, החלק התחתון של כל באר של צלחת 48 היטב מצופה 250 microliters של נוגדנים חוצץ עם סידן ומגנזיום. הלוחות דוגרים אז ב-37 מעלות. לאחר מכן, הרנ"א מוכן להדבקה. מיקרוליטר אחד של תמיסת מלאי RNA הוא aliquote לתוך צינור microcentifuge עבור כל transfection נפרד, עם הצינורות שנותרו על קרח. הלוחות מצופים בנוגדנים נשטפים עם חוצץ לפני הוספת מדיית התא. התאים מנותקים מתחתית בארות תרבית הרקמות, מאוגדים בצינור צנטריפוגה, מנודים ומנוצלים מחדש. התאים נספרים וההיערכת הכדאיות שלהם. לאחר מכן, נפח קטן של תאים מתווסף לכל aliquot של RNA. התאים ברנ"א נטענים לאחר מכן לתוך קצה אלקטרודה פיפטה וחיץ אלקטרוליטי נוסף cuvette זכוכית. הקובט ממוקמת בתוך המחזיק, ואלקטרודה הפיפטה ממוקמת בקובט. התאים הם אלקטרופוריים באמצעות מתח פולס של כ 1500 וולט. לאחר השלמת האלקטרופורציה, התאים מעורבבים עם מדיה של תרבית תאים בצלחת תרבות ומשמשים או מאוחסנים.
טכניקה נוספת היא שיטת הלם החום, המשתמשת בחום כדי ליצור פתחים בקרום התא. ראשית, אמצעי התקשורת והאגאר המתאימים מוכנים ומעוקרים. לאחר מכן, אגר מקורר המכיל אנטיביוטיקה נשפך לתוך צלחות מותר להתקרר לטמפרטורת החדר. לאחר מכן, אמבט מים מוגדר 42 מעלות צלזיוס והתאים המוכשרים מבחינה כימית מופשרים על קרח. אחד עד חמישה מיקרוליטרים של ננוגרם אחד לכל מיקרוליטר של פלסמיד קר מתווסף לתאים המופשרים ומעורבב בעדינות. ואז תערובת התא והפלזמה מוחזרת לקרח במשך 30 דקות. לאחר דגירה זו על קרח, תערובת התא ממוקמת באמבט המים כדי לחשמל אותו במשך 30 שניות. תערובת התא והפלסטיד מונחת מיד על קרח ומדיה טרייה נוספת. ואז תערובת התא ממוקמת באינקובטור רועד ב 37 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת, כך התאים יכולים להתאושש. לאחר מכן התאים מתורבתים על לוחות אגר על ידי הוספת 20 עד 200 מיקרוליטרים של החיידקים בתרבית לצלחת ולאחר מכן מתפשטים. לאחר מכן, הצלחות דוגרות למשך הלילה. למחרת, לוחות אגר צריך להיות צמיחת המושבה המציין כי התאים לקחו plasmid. מושבות אלה יכולות כעת לשמש לניסויים נוספים.
עכשיו שהצגנו כמה שיטות נפוצות של טרנספורמציה ושינוי, בואו נסתכל על כמה יישומים של תחום הרומן הזה. חיידקים מהונדסים גנטית יכולים לשמש לניקוי סביבתי כמו שאריות שמן משפילות. באמצעות טכניקות ביולוגיה סינתטית אורגניזמים מותאמים אישית יכול להיות מהונדס כדי לשבור מזהמים סביבתיים ספציפיים. הדבר עלול לגרום לעלויות ניקוי נמוכות יותר מאשר שיטות ניקוי אינטנסיביות עבודה טיפוסיות. ניתן ליצור גם מערכות ביולוגיות בקנה מידה מולקולרי שנבנה באופן סינתטי כדי לאבחן ולטפל במחלות ספציפיות כמו סרטן. אורגניזמים אלה יכולים להיווצר כדי להגיב חתימות אופייניות או נוגדנים של תאים סרטניים. כמו כן, הם יכולים לסייע בטיפול בתאים נגועים על ידי מיקוד מתוכנת.
הרגע צפית בהקדמה לביולוגיה סינתטית של ג'וב. עכשיו אתה צריך להכיר את המטרות של שדה חדשני זה וכמה טכניקות המשמשות כדי לשפר ובסופו של דבר ליצור אורגניזמים כדי להילחם בבעיות העולם הנוכחי. תודה שצפיתם.
ביולוגיה סינתטית היא תחום המשלב ביולוגיה והנדסה כדי ליצור או לעצב מחדש ישויות, אורגניזמים או מסלולים ביולוגיים. הרעיון דומה לסינתזה כימית בכימיה שבה תגובות ידועות משמשות לסינתזה של תרכובות כימיות חדשות. המטרה הסופית יכולה להשתנות מיצירת מולקולות תרופות ביולוגיות חדשות ועד לשינוי אורגניזמים כדי לגרום להם להיות מסוגלים לפרק פסולת. סרטון זה דן בעקרונות הבסיסיים של ביולוגיה סינתטית ובכמה טכניקות המשמשות לבניית מודולים ביולוגיים. לבסוף, אנו מציגים כמה יישומים בעולם האמיתי של תחום מתפתח זה.
המטרה העיקרית של תחום מתפתח זה היא להשתמש בביולוגיה ובביו-הנדסה ככלי ליצירת מולקולות ואורגניזמים חדשים. בדומה למהנדס חשמל - יצירת מעגל פונקציונלי מרכיבים חשמליים בודדים, מטרה מרכזית של ביולוגיה סינתטית - היא ליצור מיקרואורגניזם הניתן לתכנות מאפס באמצעות רכיבי תא בודדים. עם זאת, זה עדיין רחוק מלהיות בר השגה בשלב זה, בעיקר מכיוון שתהליכים ביולוגיים פחות מובנים. מטרה זו נעשית ניתנת להשגה על ידי ההתקדמות האחרונה, כגון ריצוף ה-DNA של הדור הבא. באמצעות ריצוף DNA, חוקרים יכולים לזהות את הפונקציות בגנים ספציפיים לרצף DNA באורגניזמים בעלי תכונות רצויות מסוימות. לאחר מכן, ניתן לסנתז את רצף ה-DNA המדויק בכמויות גדולות ולאחר מכן להשתמש בו כדי לשנות גנטית תא באמצעות טרנספקציה. טרנספקציה היא תהליך של החדרת חומר גנטי, כגון DNA או RNA, לתאי יונקים. כאשר היא מבוצעת על תאי חיידקים, הטכניקה נקראת טרנספורמציה. בתהליך זה, DNA מורכב לעתים קרובות עם מולקולות נשא טעונות חיובית או מתעבה בתוך ליפוזום טעון חיובי או חלקיק פולימרי, כגון פוליאתילנימין. הקומפלקס הטעון חיובי מתחבר לקרום התא הטעון שלילית ואז נכנס לתא באמצעות אנדוציטוזיס, שהוא תהליך שבו מולקולות נכנסות לתא דרך שלפוחיות הקשורות לממברנה הנקראות אנדוזומים. ברגע שנכנס לתא, החומר הגנטי עוזב את האנדוזום ובסופו של דבר נכנס לגרעין, שם מנגנון התא מסוגל לייצר ממנו MRNA ולאחר מכן חלבון. כעת, לאחר שהצגנו את היסודות של ביולוגיה סינתטית, בואו נסתכל על כמה טכניקות טרנספקציה נפוצות במעבדה.
אלקטרופורציה היא טכניקה הכוללת שימוש באלקטרודה ליצירת נקבוביות זעירות בקרום התא, ובכך לאפשר ל-DNA לעבור דרכו. ראשית, החלק התחתון של כל באר של צלחת של 48 בארות מצופה ב-250 מיקרוליטר של נוגדן וחוצץ בסידן ומגנזיום. לאחר מכן מודגרים הצלחות ב -37 מעלות. לאחר מכן, ה-RNA מוכן לטרנספקציה. מיקרוליטר אחד של תמיסת מלאי RNA מועבר לתוך צינור מיקרו-צנטיפוגה עבור כל טרנספקציה נפרדת, כאשר הצינורות נשארים על קרח. לאחר מכן שוטפים את הלוחות המצופים בנוגדנים עם חיץ לפני הוספת המדיה התאית. התאים מנותקים מתחתית בארות תרבית הרקמה, מאוגדים בצינור צנטריפוגה, מגולגלים ומרחפים מחדש. התאים נספרים ומעריכים את כדאיותם. לאחר מכן, נפח קטן של תאים מתווסף לכל מנה של RNA. לאחר מכן נטענים התאים ב-RNA לקצה אלקטרודה של פיפטה ומאגר אלקטרוליטי מתווסף לקובטה מזכוכית. הקובט מונח בפנים?המחזיק, ואלקטרודת הפיפטה מונחת בקובטה. התאים עוברים אלקטרופורטציה באמצעות מתח פועם של כ -1500 וולט. לאחר השלמת האלקטרופורציה, התאים מעורבבים עם אמצעי תרבית תאים בצלחת תרבית ומשתמשים בהם או מאוחסנים.
טכניקה נוספת היא שיטת הלם החום, המשתמשת בחום ליצירת פתחים בקרום התא. ראשית, המדיה והאגר המתאימים מוכנים ומעוקרים. לאחר מכן, האגר המקורר המכיל אנטיביוטיקה מוזג לצלחות ומניח לו להתקרר לטמפרטורת החדר. לאחר מכן, אמבטיית מים מוגדרת ל-42 מעלות צלזיוס והתאים הכשירים כימית מופשרים על קרח. אחד עד חמישה מיקרוליטר של ננוגרם אחד למיקרוליטר פלסמיד קר מתווסף לתאים המופשרים ומערבב בעדינות. לאחר מכן תערובת התאים והפלזמה מוחזרת לקרח למשך 30 דקות. לאחר הדגירה הזו על קרח, תערובת התאים מונחת באמבט המים כדי לחמם אותה למשך 30 שניות. לאחר מכן מניחים את תערובת התאים והפלסמיד מיד על קרח ומוסיפים מדיה טרייה. לאחר מכן מניחים את תערובת התאים באינקובטור רועד בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס למשך שעה, כך שהתאים יוכלו להתאושש. לאחר מכן, התאים מתורבתים על צלחות האגר על ידי הוספת 20 עד 200 מיקרוליטר של החיידקים המתורבתים לצלחת ולאחר מכן מתפשטים. לאחר מכן מודגרים הצלחות למשך הלילה. למחרת, צלחות האגר אמורות להיות בעלות צמיחת מושבה המצביעה על כך שהתאים קלטו את הפלסמיד. כעת ניתן להשתמש במושבות אלה לניסויים נוספים.
כעת, לאחר שהצגנו כמה שיטות טרנספקציה וטרנספורמציה נפוצות, בואו נסתכל על כמה יישומים של תחום חדשני זה. חיידקים מהונדסים גנטית יכולים לשמש לניקוי סביבתי כמו פירוק שאריות שמן. באמצעות טכניקות ביולוגיה סינתטית ניתן להנדס אורגניזמים מותאמים אישית כדי לפרק מזהמים סביבתיים ספציפיים. זה עלול לגרור עלויות ניקוי נמוכות יותר מאשר שיטות ניקוי טיפוסיות עתירות עבודה. ניתן ליצור מערכות ביולוגיות בקנה מידה מולקולרי שנבנו באופן סינתטי כדי לאבחן ולטפל במחלות ספציפיות כמו סרטן. אורגניזמים אלה יכולים להיווצר כדי להגיב לחתימות או לנוגדנים האופייניים של תאים סרטניים. כמו כן, הם יכולים לסייע בטיפול בתאים נגועים על ידי מיקוד מתוכנת.
זה עתה צפיתם ב"מבוא לביולוגיה סינתטית" של ג'וב. כעת עליכם להכיר את המטרות של תחום חדשני זה וכמה טכניקות המשמשות לשיפור ובסופו של דבר ליצירת אורגניזמים כדי להילחם בבעיות העולם הנוכחיות. תודה שצפית.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main goal of synthetic biology?
Synthetic biology combines biology and engineering to create or redesign biological entities, organisms, or pathways. The primary objective is to use biology as a tool to create new molecules and organisms, similar to how an electrical engineer builds functional circuits from individual components. Researchers aim to create programmable microorganisms from scratch using individual cell components to solve real-world problems.
Q2: How does transfection differ from transformation in genetic modification?
Transfection is the process of inserting genetic material such as DNA or RNA into mammalian cells. When the same technique is performed on bacterial cells, it is called transformation. Both methods use positively charged carrier molecules or liposomes to deliver genetic material across the negatively charged cell membrane via endocytosis.
Q3: What happens during electroporation in the laboratory?
Electroporation uses an electrode to create tiny pores in the cell membrane, allowing DNA to pass through. Cells and RNA are loaded into a pipette electrode tip with electrolytic buffer in a glass cuvette. A pulsed voltage of approximately 1500 volts is applied to open the membrane temporarily. After electroporation, cells are mixed with culture media and either used or stored for further experimentation.
Q4: What are the key steps in the heat shock method for bacterial transformation?
The heat shock method begins with chemically competent cells thawed on ice and mixed with cold plasmid DNA. The mixture is incubated on ice for 30 minutes, then placed in a 42-degree Celsius water bath for 30 seconds. Cells are immediately returned to ice, fresh media is added, and the mixture is incubated at 37 degrees Celsius for one hour to allow recovery. Cells are then cultured on antibiotic-containing agar plates overnight to identify successful transformants.
Q5: How does DNA sequencing advance synthetic biology research?
DNA sequencing allows researchers to identify specific gene functions in organisms with desirable traits. Once identified, the exact DNA sequence can be synthesized in large amounts and used to genetically modify cells through transfection or transformation. This capability enables scientists to isolate and replicate beneficial genetic information, making it possible to engineer custom organisms for specific applications.
Q6: What are real-world applications of synthetic biology?
Synthetic biology has diverse applications including environmental cleanup, where genetically engineered bacteria break down oil residues and specific pollutants at lower costs than traditional labor-intensive methods. In medicine, synthetically constructed organisms can be engineered to diagnose and treat diseases like cancer by responding to cancer cell signatures and targeting infected cells for treatment. These engineered systems support upstream and downstream bioprocess engineering for scaled production.
Q7: How does genetic material enter the cell during transfection?
During transfection, DNA is complexed with positively charged carrier molecules or condensed within positively charged liposomes or polymer particles such as polyethyleneimine. The positively charged complex attaches to the negatively charged cell membrane and enters via endocytosis, a process using membrane-bound vesicles called endosomes. Once inside, genetic material leaves the endosome and enters the nucleus where cellular machinery produces mRNA and protein.