Sulu damlacıkları enzimatik Microreactors ve onların elektromanyetik çalıştırma kullanılan
28 Ağustos 2017
Laboratuvar içinde bırak tepki sistemleri karmaşık tepkiler çok yönlü uygulanması bir mikrosıvısal ölçeğinde izin verir. Elektromanyetik bobinler bir 3 x 3 matris oluşan bir otomatik çalıştırma platformu geliştirilmiştir ve başarıyla birleştirme iki 10 µL microreactors için kullanılan ve böylece elde edilen sıvı mermer bir enzimatik reaksiyon başlatabilir.
Bu cihazın genel amacı, küçük sulu damlacıklarda otomatik kaskad reaksiyonları gerçekleştiren yeni bir mikroakışkan platform teknolojisi sağlamaktır. Bu yöntem, mikroorganizmaların reaksiyon dizilerini çoğaltarak, enzimlerle karmaşık reaksiyon dizileri gerçekleştirerek ve yeni katalizörleri tarayarak sentetik biyoloji alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bir damlada laboratuvar yaklaşımımızın ana avantajı, çok uyarlanabilir olmasıdır.
Kanal bazlı mikroakışkan çiplerin aksine, tek ön koşul hidrofilik reaksiyon ortamıdır. Bu yöntem enzimatik reaksiyonlar hakkında bilgi sağlayabilse de, inorganik katalizörler veya ligandların dizilmesi gibi diğer sistemlere de uygulanabilir. Bu yöntem için ilk olarak, entegre ürün ayrımına sahip, ancak karmaşık bir valf ve ayırıcı sistemi olmayan bir mikroakışkan cihaz tasarlamaya çalıştığımda aklıma geldi.
Reaksiyon çözeltisini bir damlacık olarak hareket ettirerek, reaksiyon kontrolü çok basit hale gelir. İlk olarak, bobin gövdelerini 3D olarak tasarlayın. Ardından, gövdeleri 08 milimetrelik bir bakır tel ile her biri 45 yüz kez sarmak için bir sarma makinesi kullanın.
Bir elektrik panosuna bir Peltier elemanı yerleştirin. Bir kare oluşturmak için ilk bobin katmanını Peltier elemanına vidalayın. Ardından, ikinci bobin katmanını 3D baskılı plastik çerçeve veya diğer iletken olmayan malzemelerle üstüne sabitleyin.
Elektrik kartını bir şerit kablo ile mıknatıs kontrolüne bağlayın. Bobinlere neodimyum mıknatıslar yerleştirin. Bobin matrisinin üzerine bir milimetre kalınlığında bir kuvars cam veya plastik plaka yerleştirin.
Çalıştırma platformunun montajını tamamlamak için kapağı vidalarla yerine sabitleyin. İnert bir atmosfer altında nanopartikül sentezine başlamak için, önce 85 gram Demir (III) klorür hekzahidrat ve 3 gram Demir (II) klorür tetrahidratı 200 mililitre dörde bir su-etanol çözeltisinde askıya alın. Daha sonra 0.2 mililitre PFOTES ekleyin ve karışımı manyetik bir karıştırma çubuğu ile 500 RPM'de karıştırın.
8.0'lık bir pH elde etmek için karışıma 1.5 molar amonyum hidroksit ekleyin. Daha sonra hidrofobik manyetik nanopartikülleri elde etmek için çözeltiyi 24 saat boyunca karıştırmaya devam edin. Reaksiyon şişesinin dibine 25 kilogram yapışma kuvvetine sahip bir çubuk mıknatıs yapıştırın.
Solüsyonu dökün ve parçacıkları dörde bir su-etanol solüsyonu ile üç kez yıkayın. Mıknatısı çıkarın ve parçacıkları 24 saat boyunca 60 santigrat derecede kurutun. Parçacıkları taramalı elektron mikroskobu ile karakterize edin.
10 milimolar hidrojen peroksit ile 0.1 molar pH 6.5 potasyum fosfat tamponunda mililitre yaban turpu peroksidaz başına 0.1 mikrogramlık bir çözelti hazırlayın. Daha sonra, potasyum fosfat tamponunda floresan prob 10-Asetil-3, 7-dihidroksifenoksazinin 20 mikromolar bir çözeltisini hazırlayın. Ardından, kuru nanopartikülleri bir cam havan ve havaneli kullanarak nazikçe öğütün.
Parçacıkları bir polistiren tartım kefesine aktarın ve 10 mikrolitre peroksidaz çözeltisi ekleyin. Peroksidaz çözeltisinin etrafında nanopartiküllerin kendi kendine birleşmesini sağlamak için tavayı yaklaşık 10 saniye boyunca hafifçe döndürün. Bu mikroreaktörü çalıştırma platformuna aktarın.
Bu işlemi 10 mikrolitre floresan prob çözeltisi ile tekrarlayın ve ikinci mikroreaktörü platforma yerleştirin. Kalan parçacıkları oda sıcaklığında saklayın. Mikroreaktörlerdeki reaksiyon çözeltilerini 25 santigrat derecede tutmak için Peltier elementini kullanın.
Mikroreaktörlerin yaklaşık 10 milimetre üzerine bir floresan mikroskobu monte edin ve mikroskobu bir bilgisayara bağlayın. Mıknatıs kontrolünü kullanarak mıknatısları etkinleştirin ve floresan prob çözeltisinin mikroreaktörünü mikroskop altında konumlandırmak için çevirin. Uyarma ışığını açın.
Mikroreaktörü açmak için bobin mıknatısını kaldırın ve floresan mikroskobu görüntüsünü kaydetmeye başlayın. İki ila beş saniye sonra, mikroreaktörü kapatmak için mıknatısı indirin. Ardından, floresan mikroreaktörün yanındaki peroksidaz mikroreaktörünü hareket ettirmek için mıknatıs kontrolünü kullanın.
Floresan prob mikroreaktörünü açın. Peroksidaz mikroreaktörü, prob mikroreaktörüne çekilir ve açılarak reaksiyon başlatılır. Birleştirilmiş mikroreaktörü gerektiği gibi açıp kapatarak floresan mikroskobu ile reaksiyonu izleyin.
Mikroreaktörler, hidrofobik demir nanopartikülleri ile çözelti damlacıklarının kodlanmasıyla oluşturuldu. Bu mikroreaktörler, bir çalıştırma platformu altında neodimyum mıknatısların manipülasyonu ile hareket ettirilebilir, açılabilir, kapatılabilir ve birleştirilebilir. Çalıştırma platformu, bobin gövdelerinde demir çekirdeklerle de inşa edilebilir.
Bu, bir mikroreaktörü 10 milimetreden fazla hareket ettirmek için yeterli manyetik kuvvet sağlar, ancak mikroreaktörü açmak için yetersizdir. Bu nedenle, küçük çözelti hacimlerinde reaksiyonları gerçekleştirmek için bir neodimyum mıknatıs kullanılmalıdır. Bir peroksidaz ve bir floresan etiket arasında temsili bir enzimatik reaksiyon gerçekleştirildi ve floresan mikroskobu ile izlendi.
Reaksiyon sırasında gözlemlenen Michaelis'in bahsettiği kinetik, mikroreaktör kurulumunun reaksiyon ilerlemesini etkilemediğini gösteren literatür değerleriyle iyi bir şekilde uyuşuyordu. Bu videoyu izledikten sonra, hidrofobik mikropartiküllerin nasıl sentezleneceğini ve bunlarla sulu mikro damlacıkların nasıl oluşturulacağını iyi anlamış olmalısınız. Platform teknolojisi, damlacık birleştirme yoluyla otomatik reaksiyon kontrolü için kullanılabilir.
Ek olarak, substrat ile doldurulmuş tek mikroreaktörler, mobilize enzimlerle küçük yüzey bölgelerinin üzerine hareket ettirilebilir. Farklı enzimlerle birden fazla immobilizasyon bölgesinin kullanılması, taşınabilir ve anında ürünlerle sıralı bir reaksiyon kaskadı sağlar. Bu prototip geliştirme sadece bir başlangıç.
Şu anda, hareketsiz hale getirilmiş enzimleri herhangi bir pozisyonda yeniden yerleştirmek için reaksiyon platformunun üzerinde otomatik bir dağıtıcı sistemi uyguluyoruz. Bobin matrisi 10 çarpı 10 pozisyona yükseltilecektir. Bu teknik, biyokimyasal reaksiyon dizilerinin bilgisayar kontrollü planlanması ve yürütülmesinin önünü açabilir.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, küçük sulu damlacıklarda otomatik kaskad reaksiyonları için tasarlanmış yeni bir mikroakışkan platform teknolojisini sunar. Damlak içerisinde laboratuvar yaklaşımı, karmaşık reaksiyonların esnek uygulanmasına olanak tanır ve enzimsel süreçler ve diğer sistemler hakkında bilgiler sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlar
- Sentetik Biyoloji
- Enzimsel Reaksiyonlar
Arka Plan
- Mikroakışkan sistemler geleneksel olarak kanal temelli tasarımlar kullanır.
- Damlak içerisinde laboratuvar sistemleri daha uyarlanabilir bir reaksiyon ortamı sunar.
- Otomatik platformlar reaksiyon verimliliğini ve karmaşıklığı artırabilir.
- Bu araştırmadan elde edilen bilgiler sentetik biyoloji uygulamalarını ilerletebilir.
Çalışmanın Amacı
- Otomatik kaskad reaksiyonları için bir mikroakışkan platformu geliştirmek.
- Mikroorganizmalardakine benzer karmaşık reaksiyon dizilerini yeniden üretmek.
- Yeni katalizörleri taramakta ve enzimsel reaksiyonlar hakkındaki anlayışı geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Elektromanyetik bobinlerle otomatik bir işletim platformunun geliştirilmesi.
- Enzimsel reaksiyonları başlatmak için mikroreaktörlerin birleştirilmesi.
- Reaksiyonun kolaylaştırılması için hidrofilik ortamların kullanılması.
- Yöntemin çeşitli katalitik sistemler için uyarlanması.
Ana Sonuçlar
- Mikroreaktörlerin sıvı boncuklar oluşturmak için başarılı bir şekilde birleştirilmesi.
- Damlak içerisinde laboratuvar yaklaşımının uyarlanabilirliğinin gösterilmesi.
- Enzimsel reaksiyonlar dışında, inorganik katalizörler de dahil olmak üzere potansiyel uygulamalar.
- Bu araştırmadan elde edilen bilgiler gelecekteki sentetik biyoloji araştırmalarına bilgi verebilir.
Sonuçlar
- Damlak içerisinde laboratuvar yöntemi, karmaşık reaksiyonlar için esnek bir platform sağlar.
- Bu teknoloji, sentetik biyoloji ve katalizör taramasında önemli bir etkiye sahip olabilir.
- Bu yöntemin daha fazla araştırılması, çeşitli alanlarda yenilikçi uygulamalara yol açabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Automated microreactor platforms using aqueous droplets enable programmable, multiplexed enzymatic and catalytic reactions at microscale volumes. This technology addresses the need for flexible, channel-free microfluidic systems that support rapid hypothesis testing and high-throughput screening in early discovery. Its adaptability and automation potential position it as a reusable capability for synthetic biology, catalyst evaluation, and mechanistic de-risking across the R&D pipeline.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of enzymatic pathways and substrate specificity in a controlled, miniaturized environment.
- Supports biological de-risking by allowing rapid, parallel testing of reaction sequences and catalyst candidates.
- Facilitates predictive confidence in target selection through quantitative, real-time monitoring of reaction kinetics.
Screening & Assay Development
- Prepares validated microreactor systems for downstream compound or catalyst screening workflows.
- Delivers standardized, reproducible assay conditions by automating droplet manipulation and merging.
- Enables scalable, multiplexed screening with minimal reagent consumption and high data density.
- Supports reliable evaluation of enzyme activity and substrate conversion via fluorescence readouts.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant enzymatic pathways for translational biomarker exploration when appropriate substrates are used.
- Provides continuity from discovery to preclinical validation by supporting sequential reaction cascades and product tracking.
- Reduces mechanistic ambiguity in preclinical models by enabling precise control over reaction initiation and monitoring.
Pipeline & Workflow Integration
This microreactor platform integrates from early discovery through lead identification and preclinical mechanistic studies, supporting hypothesis-driven research and rapid iteration.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification by enabling programmable reaction sequences in droplets.
- Screening: Provides assay-ready, reproducible microreactors for high-throughput evaluation of enzymes, substrates, or catalysts.
- Analytics: Delivers quantitative fluorescence measurements and kinetic data for robust comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Supports alignment with disease-relevant enzymatic processes when integrated with appropriate biological substrates.
- Enterprise Reuse: Offers a flexible, scalable platform adaptable to diverse reaction types and screening needs across R&D teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and target validation by enabling controlled, multiplexed reaction analysis.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability through automated droplet actuation and merging.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by reducing reagent use and enabling rapid data generation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of candidates through robust mechanistic de-risking.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, magnetic actuation, and fluorescence analytics.
- Needs access to 3D printing, coil winding, and fluorescence microscopy infrastructure.
- Demands cross-team standardization of droplet preparation and actuation protocols.
- Adaptable to various model systems, but optimization may be needed for different enzyme or substrate classes.
- Practical limitations include the need for hydrophobic surfaces and precise magnetic control for reliable droplet manipulation.
