W ciągu ostatnich 20 lat badacze z dziedziny biologii roślin poczynili ogromne postępy, stosując podejścia genetyki chemicznej, zarówno w kierunku prostym (forward), jak i odwrotnym (reverse), co poprawiło nasze zrozumienie biosyntezy ściany komórkowej, cytoszkieletu, biosyntezy i sygnalizacji hormonalnej, gravitropizmu, patogenezy, biosyntezy puryn oraz transportu endomembranowego1,2,3,4,5. Wykorzystanie technik genetyki chemicznej w kierunku prostym umożliwia identyfikację interesujących fenotypów i pozwala badaczom zrozumieć genotypowe podstawy określonych procesów. Z kolei genetyka chemiczna w kierunku odwrotnym służy do poszukiwania związków chemicznych, które oddziałują z uprzednio określonym białkiem docelowym6. Arabidopsis stał się kluczowym organizmem w tych odkryciach z zakresu biologii roślin, ponieważ jego genom jest mały, zmapowany i adnotowany. Charakteryzuje się krótkim czasem generacji, a dostępnych jest wiele linii mutantów/reporterów, co ułatwia identyfikację zaburzeń w obrębie maszynerii subkomórkowej7.
Istnieją dwa główne wąskie gardła spowalniające postępy w bezpośrednich przesiewach chemiczno-genetycznych: wstępny proces przesiewania oraz określanie celu działania badanego związku8. Istotnym wsparciem w zwiększaniu szybkości selekcji małych cząsteczek jest zastosowanie automatyzacji i urządzeń zautomatyzowanych9. Roboty do obsługi cieczy stanowią doskonałe narzędzie do zarządzania obszernymi bibliotekami małych cząsteczek i odegrały kluczową rolę w rozwoju nauk biologicznych10. Przedstawiony tutaj protokół został opracowany w celu wyeliminowania wąskiego gardła związanego z procesem przesiewania, co umożliwia szybką identyfikację bioaktywnych małych cząsteczek. Technika ta zmniejsza nakład pracy i czasu operatora, a jednocześnie obniża koszty ekonomiczne ponoszone przez głównego badacza.
Do tej pory większość analizowanych bibliotek chemicznych zawierała od 10 0 do 20 00 związków, przy czym niektóre obejmowały nawet 150 0, a inne zaledwie 709,1,12,13,14,15,16. Przedstawiony w niniejszej pracy protokół został wdrożony dla biblioteki małych cząsteczek składającej się z 50 0 związków (patrz Tabela Materiałów), co stanowi jeden z największych do tej pory badań przesiewowych typu forward chemical genetics przeprowadzonych na Arabidopsis. Protokół ten wpisuje się w obecny trend zwiększania wydajności i szybkości w zakresie genetyki chemicznej typu forward, szczególnie w odniesieniu do poszukiwania nowych herbicydów, insektycydów, fungicydów, leków oraz w biologii nowotworów17,18,19,20,21. Choć protokół ten został tutaj zastosowany w przypadku Arabidopsis, można go łatwo zaadaptować do kultur komórkowych, zarodników, a potencjalnie nawet owadów w medium płynnym w płytkach 96-, 384- lub 1536-dołkowych. Ze względu na niewielki rozmiar Arabidopsis nadaje się do badań przesiewowych w płytkach 96-dołkowych. Wyzwaniem jest jednak równomierne rozdzielenie nasion pomiędzy dołki. Wysiew ręczny jest dokładny, ale pracochłonny, a mimo istnienia urządzeń zaprojektowanych do dozowania nasion do płytek 96-dołkowych, są one kosztowne w zakupie. W niniejszej pracy pokazujemy, jak można ominąć ten etap przy niewielkiej utracie dokładności.
Ogólnym celem tej metody było ułatwienie przesiewania dużej biblioteki chemicznej przeciwko Arabidopsis, bez utraty dokładności, poprzez zastosowanie robota do obsługi cieczy. Zastosowanie tej metody zwiększa efektywność pracy badacza poprzez skrócenie czasu potrzebnego na przeprowadzenie wstępnego zarządzania seriami rozcieńczeń i późniejszych przesiewów fenotypowych, co pozwala na szybką wizualizację próbek pod mikroskopem stereoskopowym oraz szybką identyfikację nowych bioaktywnych małych cząsteczek. Rycina 1 przedstawia kluczowe etapy tego protokołu w 4 krokach.

Rysunek 1: Ogólny schemat badania przesiewowego metodą bezpośredniej genetyki chemicznej. Przegląd protokołu z opisem szczegółowym dla każdego z 4 kluczowych etapów. 1: Odbiór biblioteki związków chemicznych, 2: Przygotowanie biblioteki rozcieńczeń, 3: Przygotowanie płytek screeningowych oraz 4: Inkubacja i wizualizacja płytek screeningowych. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.