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Développer une Cellule-Sur-UN-Frite artificielle

Produisant un artificiel « cellule-sur-un la frite » qui peut imiter le fonctionnement des cellules biologiques est un grand objectif pour la biologie synthétique. Le développement de cette idée est actuel, et dans cette pièce, trois exemples seront vérifiés.

celluleCrédit d'image : Milliard de photos/Shutterstock.com

Comment l'échange de l'énergie et des matériaux peut-il être reproduit dans une cellule-sur-un-frite ?

Dans la cellule vivante, les réactions biochimiques qui se produisent sont mises à jour dans un « équilibré » par l'échange de l'énergie et des matériaux avec l'environnement environnant. Généralement, les systèmes in vitro n'utilisent pas cet échange, pour cette raison ces systèmes atteindront l'équilibre chimique, et le rendent difficile de vérifier les réseaux biochimiques complexes qui se produisent dans une cellule.

Pour adresser ceci, Niederholtmeyer et Cie. ont produit un système pour l'expression du gène utilisant un système microfluidic pour produire une cellule-sur-un-frite. Le système a été basé sur les réacteurs microfluidic de taille nanoliter. Dans ce système, un mélange contenant les composantes nécessaires pour l'expression du gène a été ajouté dans des opérations de dilution, à côté de la matrice ADN. Ceci mènent au déplacement du liquide qui était déjà présent dans le système. Le marquage de fluorescence a été employé pour déterminer la quantité d'ADN, d'ARN et de protéine actuels dans le système. Cette cellule-sur-un-frite pouvait mettre à jour l'expression du gène équilibrée pendant environ 30 heures.

L'expression du gène d'un système de cellule-sur-un-frite peut-elle être réglée ?

Les développements dans la recherche d'un système de cellule-sur-un-frite ont fourni les systèmes qui peuvent avec succès exprimer des gènes en dehors de la cellule ; ceux-ci comprennent des systèmes tels que des bioréacteurs de vésicule et des circuits génétiques comme morphogène. Une édition qui peut surgir en concevant un système artificiel de cellule-sur-un-frite est comment mesurer les changements dynamiques de l'expression du gène en employant un système continu d'expression.

Pour adresser ceci, des frites microfluidic avec des soupapes à trois voies ont été avec succès employées pour analyser l'expression du gène équilibrée et dynamique. Cependant, ces systèmes ont également l'inconvénient dans des gradients de cette concentration des molécules sont potentiellement perdus avec le flux du liquide, en particulier ceux qui sont au-dessus d'un petit endroit ; c'est important, car certains procédés morphologiques sont réglés par des variations de la concentration des molécules.

Karzbrun et Cie. ont développé un système qui pourrait mettre à jour de tels gradients de concentration, ainsi que l'expression du gène à la densité extérieure élevée, renouvellement de protéine, capacité de mélanger les matériaux avec l'environnement tous dans une forme définie.

Le système commence par les matrices d'ADN, qui codent pour les gènes que la cellule-sur-un-frite exprimera. Ces matrices bicaténaires d'ADN ont été assemblées sur les compartiments circulaires dans une puce de silicium. Ces compartiments ont été branchés par les capillaires, qui ont été alors branchés aux glissières de flux.

Puis, des extraits des cellules d'Escherichia coli ont été ajoutés à la cellule-sur-un-frite, où la résistance élevée de flux dans les capillaires a eu comme conséquence la diffusion des composantes de réaction dans les compartiments d'ADN. Ceci permet au métabolisme dans la cellule-sur-un-frite d'être continuement mis à jour.

La synthèse des protéines se produit alors dans les compartiments d'ADN, qui diffusé par le capillaire aux glissières de flux. Ici, un gradient de concentration a été formé ; c'était le plus élevé dans le compartiment d'ADN et a été diminué plus près de la jonction entre le capillaire et la glissière de flux. Ceci a prouvé que ce système de cellule-sur-un-frite est capable d'exprimer non seulement des gènes, mais ceci peut être réglé pour se produire dans l'emplacement spécifique et avec des gradients de concentration spécifiques.

Pouvez-vous étudier la dégradation de protéine utilisant une cellule-sur-un-frite ?

Les exemples ci-dessus prouvent qu'il est possible d'effectuer des protéines utilisant un système de cellule-sur-un-frite, cependant, les restes de question de savoir si la dégradation de protéine peut également être effectuée par de tels systèmes. Pour vérifier ceci, Tonooka et Cie. ont conçu un système qui a compris la dégradation de protéine à côté de l'expression du gène.

D'abord, les auteurs ont pris des extraits de cellules de deux tensions d'Escherichia coli, une qui contiennent la protéase ClpX, qui est la composante de dégradation de protéine. ClpX a été exprimé d'un plasmide, signifiant que son expression dans Escherichia coli peut être réglée. Ces extraits cellulaires ont été alors employés dans un système microfluidic formé d'un disque de silicium.

Pour s'assurer que des protéines pourraient être dégradées dans ce système de cellule-sur-un-frite, les auteurs avaient l'habitude la première fois une protéine fluorescent étiquetée et observents pour voir si la fluorescence diminuait, indiquant la dégradation de la protéine. Les observations ont prouvé que le système de cellule-sur-un-frite est capable de dégrader des protéines.

Cependant, que se produit quand vous combinez la dégradation de protéine avec l'expression du gène, c.-à-d. effectuant des protéines ? Ici, les auteurs ont utilisé un circuit de gène pour vérifier ; brièvement, ceci se compose « d'un circuit oscillant » et d'un « circuit de journaliste », où l'expression de la protéine fluorescent marquée de journaliste est réglée par le circuit oscillant. Le circuit donnant droit a montré une configuration de oscillation d'expression du gène en cellules d'Escherichia coli. Ce circuit a été mis sur un plasmide et puis immobilisé sur la cellule-sur-un-frite.

Quand les extraits de cellules d'Escherichia coli ont été ajoutés, la fluorescence émise de la cellule-sur-un-frite a oscillé environ quatre fois. Ceci indique que ce système de cellule-sur-un-frite est capable non seulement de l'expression du gène, mais également dégradation de protéine aussi bien. D'autres développements et améliorations de ce système ont pu préparer le terrain pour qu'une expression du gène plus complexe soit étudiée, ainsi que portant la cellule-sur-un-frite artificielle in vitro plus près des systèmes in vivo cellulaires.

Sources

Niederholtmeyer, 2013) mises en place de H. et autres (des réseaux biologiques sans cellule à équilibré. PNAS https://doi.org/10.1073/pnas.1311166110

Karzbrun, 2014) compartiments programmables de la sur-frite ADN d'E. et autres (en tant que cellules artificielles. La Science DOI : 10.1126/science.1255550

Tonooka, 2019) cellules artificielles de T. et autres (sur une frite intégrée avec la dégradation de protéine. Trente-deuxième Conférence Internationale d'IEEE sur le Micro Electro Mechanical Systems DOI : 10.1109/MEMSYS.2019.8870666

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Last Updated: Dec 18, 2020

Dr. Maho Yokoyama

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Dr. Maho Yokoyama

Dr. Maho Yokoyama is a researcher and science writer. She was awarded her Ph.D. from the University of Bath, UK, following a thesis in the field of Microbiology, where she applied functional genomics to Staphylococcus aureus . During her doctoral studies, Maho collaborated with other academics on several papers and even published some of her own work in peer-reviewed scientific journals. She also presented her work at academic conferences around the world.

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