2021년 10월 8일
이 프로토콜은 여러 리간드를 추적할 수 있는 다중화된 시험관 내 바이오센서로서 견고하고 생체적합성 DNA가 함유된 마이크로캡슐의 형성을 설명합니다.
이 프로토콜의 중요성은 DNA 플라스미드 템플릿을 반투과성 생체 적합성 마이크로캡슐로 고정시켜 DNA로 인코딩된 센서의 기능을 유지하는 수단을 제공한다는 것입니다. 제안된 DNA 고정화 기술은 다재다능합니다. 이를 통해 다양한 체외 활성화 메커니즘을 가진 다기능 바이오센서를 제작
할 수 있습니다.우리는 적절한 감지 요소와 결합된 이러한 마이크로캡슐이 생물막 및 장기와 같은 다양한 환경에서 신호 분자의 방출을 포함하여 다양한 생물학적 과정을 연구하는 데 사용될 수 있을 것으로 예상합니다. 이 기술은 미시적 규모에서 생물학적 시스템, 특히 DNA의 고정화 및 분자 군집화가 유전자 활성화의 동역학 및 메커니즘에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 2밀리리터 마이크로원심분리기 튜브에 있는 300마이크로리터의 마이크로입자에 1밀리리터의 폴리에틸렌이민 용액을 첨가하여 희생 실리카 또는 SiO2 마이크로입자에 폴리에틸렌이민 프라임 층을 증착하는 것으로 시작합니다.
주변 조건에서 ThermoMixer에서 분당 800회 회전으로 혼합물을 교반합니다. 미립자를 실온에서 0.2g으로 1분간 원심분리하여 채취한 후, 조심스럽게 상층액을 제거한다. 15분 후, 실온에서 0.2g의 원심분리를 통해 1ml의 DNase 및 RNase-free 탈이온수로 미립자를 4회 세척하고 각 원심분리 후 상등액을 버립니다.
다음으로, DNase 및 RNase가 없는 증류수로 DNA 플라스미드의 농도를 마이크로리터당 50-200나노그램으로 조정하고, 준비된 용액 1ml를 사용하여 폴리에틸렌이민 프라이밍된 미립자에 DNA를 증착합니다. ThermoMixer에서 섭씨 4도 및 800rpm에서 15분 동안 미세 입자 혼합물을 부드럽게 교반한 다음 0.2g에서 1분 동안 원심분리하여 미세 입자를 수집합니다. GFPa1을 ThyRS-GFPa1로 결합하고 Broccoli aptamer를 BrocApt로 인코딩하는 DNA 플라스미드를 테오필린 리보스위치로 인코딩하는 DNA 플라스미드를 튜브에 표시합니다.
상층액을 조심스럽게 제거하고 이전에 시연된 바와 같이 1ml의 DNase 및 RNase가 없는 증류수로 미립자를 4회 세척하고 각 원심분리 후 상등액을 버립니다. 실크 피브로인 층을 증착하기 위해 DNA 흡수 미립자에 1ml의 재구성된 수성 실크 피브로인 용액을 첨가하고 ThermoMixer에서 750rpm으로 섭씨 10도에서 15분 동안 혼합물을 부드럽게 와류로 교반합니다. 원심분리로 미립자를 모은 다음 앞에서 설명한 대로 1ml의 DNase 및 RNase가 없는 증류수로 한 번 세척합니다.
원심분리를 반복하고 상층액을 버립니다. 0.5ml의 DNase 및 RNase 증류수를 넣고 와류로 미세 입자를 혼합합니다. 그런 다음 ThermoMixer에서 섭씨 10도에서 5분 동안 0.5ml의 100% 메탄올로 미립자를 처리합니다.
원심분리를 통해 미세입자를 포집한 후, 베타 시트 형성을 위해 섭씨 10도에서 10분 동안 분당 750회 회전하면서 ThermoMixer에서 입자를 100% 메탄올로 처리합니다. 혼합물을 섭씨 4도에서 1분 동안 0.2g으로 원심분리하여 미립자를 수집한 후 앞에서 설명한 바와 같이 1ml의 DNase 및 RNase가 없는 증류수로 입자를 두 번 세척합니다. 펠릿 코어 쉘 미립자에 8% 불화수소산 용액을 첨가하여 미세입자의 SiO2 코어를 용해시킵니다.
용해된 입자 용액을 투석 장치로 옮기고 비커에서 탈이온수에 대해 투석합니다. 그런 다음 1ml 피펫을 사용하여 투석 장치의 실크 마이크로캡슐 현탁액을 새로운 2ml 마이크로 원심분리기 튜브로 수집합니다. 100마이크로리터의 마이크로캡슐 샘플을 8웰 챔버 유리 슬라이드의 단일 웰로 옮기고, 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경(CLSM)을 사용하여 이미징하기 전에 캡슐이 20-30분 동안 침전되도록 합니다.
피펫 100 마이크로 리터의 캡슐을 챔버 유리 슬라이드의 각 웰에 현탁액. 각 웰에 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지 다양한 분자량을 가진 300마이크로리터의 형광단 용액을 순차적으로 첨가합니다. 위아래로 피펫팅하여 혼합물을 혼합하고 형광단 용액의 확산이 평형에 도달할 때까지 실온에서 1시간 동안 혼합물을 배양합니다.
나중에 슬라이드를 CLSM으로 전송하여 488나노미터의 여기 파장에서 100x 오일 이멀젼 대물렌즈를 사용하여 각 웰을 이미지화합니다. 초점면을 조정하여 관심 영역을 식별하고 가장 큰 직경의 원 형태로 나타나는 캡슐에 초점을 맞춥니다. cell-free 성분을 마이크로캡슐 샘플에 순차적으로 첨가하고 튜브를 섭씨 30도에서 4시간 동안 배양하여 체외 전사/번역 반응을 수행합니다.
488나노미터의 여기 파장과 약 510나노미터의 GFP/FITC 필터 방출을 사용하여 플레이트 리더에서 형광을 확인합니다. 마지막으로, 488 및 561 나노미터의 레이저를 사용하여 CLSM 시스템에서 실크 마이크로캡슐을 이미지화합니다. 이 연구에서는 약 4.5마이크로미터의 균일한 크기와 약 500나노미터의 쉘 두께를 가진 견고한 실크 피브로인 마이크로캡이 생산되었습니다.
중공 실크 피브로인 캡슐 쉘의 투과성은 분자량 차단 방법에 따라 분석되었습니다. 폴리에틸렌이민 프라임 층의 농도가 증가하면 투과성이 더 높은 쉘을 가진 마이크로캡슐의 콜로이드 안정성이 증가하고, 프라임 층을 제거하면 투과성이 낮은 쉘 멤브레인을 가진 캡슐의 응집이 발생합니다. ThyRS 활성화 중 GFPa1 발현 동역학은 캡슐화되지 않은 DNA를 대조하는 것보다 실크 마이크로캡슐에 적재된 DNA 플라스미드에서 GFPa1 유전자 활성화가 더 높다는 것을 보여주었습니다.
대표적인 분석에서는 in vitro transcription, translation system에서 인큐베이션 전후에 캡슐당 32개의 DNA copy가 적재된 silk fibroin 캡슐의 CLSM 이미지가 표시됩니다. 실크 피브로인 캡슐의 단면 강도 프로파일은 GFPa1의 발현을 입증했습니다. 캡슐당 30개의 DNA 사본이 적재된 20개의 층상 실크 마이크로캡슐의 전사 동역학을 대조군 비캡슐화 DNA와 비교했습니다.
등가 농도의 캡슐화되지 않은 DNA 샘플보다 실크 마이크로캡슐의 더 높은 출력 신호는 실크 마이크로캡슐의 효과를 확인했습니다. 이 프로토콜에 따라 여러 고해상도 현미경 기술을 적용하여 고정되지 않은 상태의 이미지 DNA 얽힘과 체외에서 분리된 유전자 활성화 과정에 적용할 수 있습니다. 이 기술은 최소한의 인공 세포에서 분자 수준의 역학에 응답하는 데 적용할 수 있습니다.
특히, 적절한 유전자 요소와 결합하면 마이크로캡슐을 사용하여 세포 간 통신을 연구할 수 있습니다.
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이 연구는 복합적인 체외 생체센서 기능을 하는 생체 적합성 DNA 함유 마이크로캡슐을 생성하는 프로토콜을 제시합니다. 이 마이크로캡슐은 DNA 센서의 기능을 유지할 뿐만 아니라 생물학적 환경에서 다양한 리간드의 모니터링을 용이하게 합니다.
This protocol enables the immobilization of DNA plasmid templates within biocompatible silk microcapsules, preserving sensor functionality for in vitro biosensing applications. By maintaining DNA accessibility and protecting against degradation, the approach supports reliable gene activation readouts in cell-free systems. This capability enhances predictive confidence in early-stage target validation and assay development for nucleic acid-based biosensors.
The method fits within the early discovery continuum, supporting hypothesis testing of DNA-based sensors before progression to assay optimization and lead identification stages.