Biologia syntetyczna
Ten film przedstawia biologię syntetyczną i jej rolę w bioinżynierii. Biologia syntetyczna odnosi się do metod stosowanych do genetycznej modyfikacji…
Biologia syntetyczna to dziedzina, która łączy biologię i inżynierię w celu tworzenia lub przeprojektowywania jednostek biologicznych, organizmów lub ścieżek. Idea jest podobna do syntezy chemicznej w chemii, w której dobrze znane reakcje są wykorzystywane do syntezy nowych związków chemicznych. Cel końcowy może być różny, od stworzenia nowych cząsteczek leków biologicznych po modyfikację organizmów, aby były zdolne do rozkładu odpadów. W tym filmie omówiono podstawowe zasady biologii syntetycznej i niektóre techniki używane do konstruowania modułów biologicznych. Na koniec przedstawiamy kilka rzeczywistych zastosowań tej rozwijającej się dziedziny.
Głównym celem tej rozwijającej się dziedziny jest wykorzystanie biologii i bioinżynierii jako narzędzia do tworzenia nowych cząsteczek i organizmów. Podobnie jak inżynier elektryk tworzący funkcjonalny obwód z poszczególnych komponentów elektrycznych, kluczowym celem biologii syntetycznej jest stworzenie programowalnego mikroorganizmu od podstaw przy użyciu poszczególnych komponentów komórki. Jednak w tym momencie jest to nadal dalekie od osiągalności, przede wszystkim dlatego, że procesy biologiczne są mniej zrozumiałe. Cel ten jest łatwiejszy do osiągnięcia dzięki najnowszym postępom, takim jak sekwencjonowanie DNA nowej generacji. Korzystając z sekwencjonowania DNA, naukowcy mogą zidentyfikować funkcje genów specyficznych dla sekwencji DNA w organizmach, które posiadają pewne pożądane cechy. Następnie dokładna sekwencja DNA może zostać zsyntetyzowana w dużych ilościach, a następnie wykorzystana do genetycznej modyfikacji komórki za pomocą transfekcji. Transfekcja to proces wprowadzania materiału genetycznego, takiego jak DNA lub RNA, do komórek ssaków. W przypadku wykonywania na komórkach bakteryjnych technika ta nazywana jest transformacją. W tym procesie DNA jest często skompleksowane z dodatnio naładowanymi cząsteczkami nośnika lub skondensowane w dodatnio naładowanym liposomie lub cząstce polimeru, takiej jak polietylenoimina. Dodatnio naładowany kompleks przyłącza się do ujemnie naładowanej błony komórkowej, a następnie dostaje się do komórki poprzez endocytozę, która jest procesem, w którym cząsteczki dostają się do komórki przez pęcherzyki związane z błoną zwane endosomami. Po wejściu do komórki materiał genetyczny opuszcza endosom i ostatecznie dostaje się do jądra, gdzie maszyneria komórki jest w stanie wytworzyć MRNA, a następnie białko z niego. Teraz, gdy przedstawiliśmy podstawy biologii syntetycznej, przyjrzyjmy się niektórym technikom transfekcji powszechnie stosowanym w laboratorium.
Elektroporacja to technika polegająca na użyciu elektrody do tworzenia maleńkich porów w błonie komórkowej, umożliwiając w ten sposób przejście DNA. Najpierw dno każdej studzienki płytki 48-dołkowej jest pokryte 250 mikrolitrami przeciwciała i buforem z wapniem i magnezem. Płytki są następnie inkubowane w temperaturze 37 stopni. Następnie RNA jest przygotowywane do transfekcji. Jeden mikrolitr roztworu podstawowego RNA jest podawany do probówki mikrocentyfugowej dla każdej oddzielnej transfekcji, przy czym probówki pozostają na lodzie. Płytki pokryte przeciwciałami są następnie przemywane buforem przed dodaniem pożywki komórkowej. Komórki są odłączane od dna studzienek do hodowli tkankowych, gromadzone w probówce wirówkowej, granulowane i ponownie zawieszane. Komórki są zliczane i oceniana jest ich żywotność. Następnie do każdej podwielokrotności RNA dodaje się niewielką objętość komórek. Komórki w RNA są następnie ładowane do pipety, elektrody, końcówki i buforu elektrolitycznego dodawanego do szklanej kuwety. Kuwetę umieszcza się wewnątrz uchwytu, a elektrodę pipety umieszcza się w kuwecie. Ogniwa są elektroporowane za pomocą napięcia pulsacyjnego o napięciu około 1500 woltów. Po zakończeniu elektroporacji komórki są mieszane z pożywką do hodowli komórek na płytce hodowlanej i używane lub przechowywane.
Inną techniką jest metoda szoku cieplnego, która wykorzystuje ciepło do tworzenia otworów w błonie komórkowej. Najpierw przygotowuje się i sterylizuje odpowiednie podłoże i agar. Następnie schłodzony agar zawierający antybiotyk wlewa się do talerzy i pozostawia do ostygnięcia do temperatury pokojowej. Następnie łaźnia wodna jest ustawiana na 42 stopnie Celsjusza, a chemicznie kompetentne komórki rozmrażają się na lodzie. Do rozmrożonych komórek dodaje się od jednego do pięciu mikrolitrów jednego nanograma na mikrolitr zimnego plazmidu i delikatnie miesza. Następnie mieszanina komórek i osocza jest zwracana do lodu na 30 minut. Po tej inkubacji na lodzie, mieszaninę komórek umieszcza się w łaźni wodnej w celu podgrzania przez 30 sekund. Mieszaninę komórek i plazmidów natychmiast umieszcza się na lodzie i dodaje świeże podłoże. Następnie mieszaninę komórek umieszcza się w inkubatorze z wytrząsaniem w temperaturze 37 stopni Celsjusza na godzinę, aby komórki mogły się zregenerować. Następnie komórki hoduje się na płytkach agarowych, dodając do płytki od 20 do 200 mikrolitrów wyhodowanych bakterii, a następnie rozprowadzając. Płytki są następnie inkubowane przez noc. Następnego dnia na płytkach agarowych powinien pojawić się wzrost kolonii wskazujący, że komórki przyjęły plazmid. Kolonie te można teraz wykorzystać do dalszych eksperymentów.
Teraz, gdy przedstawiliśmy kilka popularnych metod transfekcji i transformacji, przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom tej nowej dziedziny. Genetycznie modyfikowane bakterie mogą być wykorzystywane do oczyszczania środowiska, takiego jak rozkładające się pozostałości oleju. Korzystając z technik biologii syntetycznej, można zaprojektować niestandardowe organizmy w celu rozkładania określonych zanieczyszczeń środowiska. Może to wiązać się z niższymi kosztami czyszczenia niż typowe pracochłonne metody czyszczenia. Można również stworzyć syntetycznie skonstruowane systemy biologiczne w skali molekularnej do diagnozowania i leczenia określonych chorób, takich jak rak. Organizmy te mogą być tworzone w celu reagowania na charakterystyczne sygnatury lub przeciwciała komórek nowotworowych. Mogą również pomóc w leczeniu zainfekowanych komórek poprzez zaprogramowane celowanie.
Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do biologii syntetycznej Jowisza. Powinieneś być teraz zaznajomiony z celami tej nowej dziedziny i niektórymi technikami stosowanymi do ulepszania i ostatecznie tworzenia organizmów do walki z obecnymi problemami świata. Dzięki za oglądanie.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Biologia syntetyczna to dziedzina, która łączy biologię i inżynierię w celu tworzenia lub przeprojektowywania jednostek biologicznych, organizmów lub ścieżek. Idea jest podobna do syntezy chemicznej w chemii, gdzie dobrze znane reakcje są wykorzystywane do syntezy nowych związków chemicznych. Cel końcowy może być różny, od stworzenia nowych cząsteczek leków biologicznych po modyfikację organizmów, aby były zdolne do rozkładu odpadów. W tym filmie omówiono podstawowe zasady biologii syntetycznej i niektóre techniki używane do konstruowania modułów biologicznych. Na koniec przedstawiamy kilka rzeczywistych zastosowań tej rozwijającej się dziedziny.
Głównym celem tej rozwijającej się dziedziny jest wykorzystanie biologii i bioinżynierii jako narzędzia do tworzenia nowych cząsteczek i organizmów. Podobnie jak w przypadku inżyniera elektryka – tworzenie funkcjonalnego obwodu z poszczególnych komponentów elektrycznych, kluczowym celem biologii syntetycznej – jest stworzenie programowalnego mikroorganizmu od podstaw przy użyciu poszczególnych komponentów komórki. Jednak w tym momencie jest to nadal dalekie od osiągalności, przede wszystkim dlatego, że procesy biologiczne są mniej zrozumiałe. Cel ten jest łatwiejszy do osiągnięcia dzięki najnowszym postępom, takim jak sekwencjonowanie DNA nowej generacji. Korzystając z sekwencjonowania DNA, naukowcy mogą zidentyfikować funkcje genów specyficznych dla sekwencji DNA w organizmach, które posiadają pewne pożądane cechy. Następnie dokładna sekwencja DNA może zostać zsyntetyzowana w dużych ilościach, a następnie wykorzystana do genetycznej modyfikacji komórki za pomocą transfekcji. Transfekcja to proces wprowadzania materiału genetycznego, takiego jak DNA lub RNA, do komórek ssaków. W przypadku wykonywania na komórkach bakteryjnych technika ta nazywana jest transformacją. W tym procesie DNA jest często skompleksowane z dodatnio naładowanymi cząsteczkami nośnika lub skondensowane w dodatnio naładowanym liposomie lub cząstce polimeru, takiej jak polietylenoimina. Dodatnio naładowany kompleks przyłącza się do ujemnie naładowanej błony komórkowej, a następnie wchodzi do komórki przez endocytozę, która jest procesem, w którym cząsteczki dostają się do komórki przez pęcherzyki związane z błoną, zwane endosomami. Po wejściu do komórki materiał genetyczny opuszcza endosom i ostatecznie dostaje się do jądra, gdzie maszyneria komórki jest w stanie wytworzyć MRNA, a następnie białko z niego. Teraz, gdy przedstawiliśmy podstawy biologii syntetycznej, przyjrzyjmy się niektórym technikom transfekcji powszechnie stosowanym w laboratorium.
Elektroporacja to technika polegająca na użyciu elektrody do tworzenia maleńkich porów w błonie komórkowej, umożliwiając w ten sposób przejście DNA. Najpierw dno każdej studzienki płytki 48-dołkowej jest pokryte 250 mikrolitrami przeciwciała i buforem z wapniem i magnezem. Płytki są następnie inkubowane w temperaturze 37 stopni. Następnie RNA jest przygotowywane do transfekcji. Jeden mikrolitr roztworu podstawowego RNA jest podawany do probówki mikrocentyfugowej dla każdej oddzielnej transfekcji, przy czym probówki pozostają na lodzie. Płytki pokryte przeciwciałami są następnie przemywane buforem przed dodaniem pożywki komórkowej. Komórki są odłączane od dna studzienek do hodowli tkankowych, gromadzone w probówce wirówkowej, granulowane i ponownie zawieszane. Komórki są zliczane i oceniana jest ich żywotność. Następnie do każdej podwielokrotności RNA dodaje się niewielką objętość komórek. Komórki w RNA są następnie ładowane do pipety, elektrody, końcówki i buforu elektrolitycznego dodawanego do szklanej kuwety. Kuweta jest umieszczana wewnątrz uchwytu, a elektroda pipety jest umieszczana w kuwecie. Ogniwa są elektroporowane za pomocą napięcia pulsacyjnego o napięciu około 1500 woltów. Po zakończeniu elektroporacji komórki są mieszane z pożywką do hodowli komórek na płytce hodowlanej i używane lub przechowywane.
Inną techniką jest metoda szoku cieplnego, która wykorzystuje ciepło do tworzenia otworów w błonie komórkowej. Najpierw przygotowuje się i sterylizuje odpowiednie podłoże i agar. Następnie schłodzony agar zawierający antybiotyk wlewa się do talerzy i pozostawia do ostygnięcia do temperatury pokojowej. Następnie łaźnia wodna jest ustawiana na 42 stopnie Celsjusza, a chemicznie kompetentne komórki rozmrażają się na lodzie. Do rozmrożonych komórek dodaje się od jednego do pięciu mikrolitrów jednego nanograma na mikrolitr zimnego plazmidu i delikatnie miesza. Następnie mieszanina komórek i osocza jest zwracana do lodu na 30 minut. Po tej inkubacji na lodzie, mieszaninę komórek umieszcza się w łaźni wodnej w celu podgrzania przez 30 sekund. Mieszaninę komórek i plazmidów natychmiast umieszcza się na lodzie i dodaje świeże podłoże. Następnie mieszaninę komórek umieszcza się w inkubatorze z wytrząsaniem w temperaturze 37 stopni Celsjusza na godzinę, aby komórki mogły się zregenerować. Następnie komórki hoduje się na płytkach agarowych, dodając do płytki od 20 do 200 mikrolitrów wyhodowanych bakterii, a następnie rozprowadzając. Płytki są następnie inkubowane przez noc. Następnego dnia na płytkach agarowych powinien pojawić się wzrost kolonii wskazujący, że komórki przyjęły plazmid. Kolonie te można teraz wykorzystać do dalszych eksperymentów.
Teraz, gdy przedstawiliśmy kilka popularnych metod transfekcji i transformacji, przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom tej nowej dziedziny. Genetycznie modyfikowane bakterie mogą być wykorzystywane do oczyszczania środowiska, takiego jak rozkładające się pozostałości oleju. Korzystając z technik biologii syntetycznej, można zaprojektować niestandardowe organizmy w celu rozkładania określonych zanieczyszczeń środowiska. Może to wiązać się z niższymi kosztami czyszczenia niż typowe pracochłonne metody czyszczenia. Można również stworzyć syntetycznie skonstruowane systemy biologiczne w skali molekularnej do diagnozowania i leczenia określonych chorób, takich jak rak. Organizmy te mogą być tworzone w celu reagowania na charakterystyczne sygnatury lub przeciwciała komórek nowotworowych. Mogą również pomóc w leczeniu zainfekowanych komórek poprzez zaprogramowane celowanie.
Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do biologii syntetycznej Jowisza. Powinieneś być teraz zaznajomiony z celami tej nowej dziedziny i niektórymi technikami stosowanymi do ulepszania i ostatecznie tworzenia organizmów do walki z obecnymi problemami świata. Dzięki za oglądanie.
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.