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Sviluppare un Cella-Su-UN-Chip artificiale

Creando un artificiale “cella--un sul chip„ che può imitare la funzione delle celle biologiche è un grande scopo per biologia sintetica. Lo sviluppo di questa idea è in corso ed in questo pezzo, tre esempi saranno studiati.

cellaCredito di immagine: Miliardo foto/Shutterstock.com

Come può lo scambio di energia e materiali essere ripiegato in un cella-su-un-chip?

Nella cella vivente, le reazioni biochimiche che accadono sono mantenute “in uno stato di stabilità„ tramite lo scambio di energia e materiali con l'ambiente circostante. Generalmente, i sistemi in vitro non utilizzano questo scambio, quindi questi sistemi raggiungeranno l'equilibrio chimico e lo rendono difficile studiare le reti biochimiche complesse che si presentano all'interno di una cella.

per indirizzare questo, Niederholtmeyer ed il co. ha creato un sistema per espressione genica facendo uso di un sistema microfluidic per creare un cella-su-un-chip. Il sistema è stato basato sui reattori microfluidic nanoliter di taglia. In questo sistema, una miscela che contiene le componenti necessarie per espressione genica si è aggiunta ai punti di diluizione, accanto al DNA del modello. Ciò piombo allo spostamento del liquido che era già presente nel sistema. Il contrassegno della fluorescenza è stato usato per determinare la quantità di DNA, di RNA e di proteina presenti nel sistema. Questo cella-su-un-chip poteva mantenere l'espressione genica dello costante-stato per intorno 30 ore.

Può l'espressione genica da un sistema del cella-su-un-chip essere controllata?

Gli sviluppi nella ricerca di un sistema del cella-su-un-chip hanno reso i sistemi che possono esprimere con successo i geni fuori della cella; questi comprendono i sistemi quali i bioreattori della vescicola ed i circuiti genetici del tipo di morfogenetica. Un'emissione che può sorgere quando progetta un sistema artificiale del cella-su-un-chip è come misurare i cambiamenti dinamici nell'espressione genica quando usando un sistema continuo di espressione.

Per indirizzare questo, i chip microfluidic con le valvole di commutazione sono stati usati con successo per analizzare lo costante-stato e l'espressione genica dinamica. Tuttavia, questi sistemi egualmente hanno lo svantaggio nei gradienti di quella concentrazione delle molecole sono potenzialmente persi con il flusso del liquido, specialmente quelli che sono sopra una piccola zona; ciò è importante, poichè determinati trattamenti morfologici sono gestiti tramite le variazioni nella concentrazione di molecole.

Karzbrun e co. ha sviluppato un sistema che potrebbe mantenere tali gradienti di concentrazione come pure l'espressione genica ad alta densità di superficie, il volume d'affari della proteina, capacità di scambiare i materiali con l'ambiente tutti all'interno di una forma definita.

Il sistema comincia con i modelli del DNA, che codificano per i geni che il cella-su-un-chip esprimerà. Questi modelli di DNA a doppia elica sono stati montati sui compartimenti circolari all'interno di un chip di silicio. Questi compartimenti sono stati connessi dai capillari, che poi sono stati connessi ai canali di flusso.

Poi, gli estratti dalle celle di Escherichia coli si sono aggiunti al cella-su-un-chip, in cui l'alta resistenza di flusso nei capillari ha provocato la diffusione delle componenti della reazione nei compartimenti del DNA. Ciò permette al metabolismo all'interno del cella-su-un-chip di essere mantenuta continuamente.

La sintesi delle proteine poi si presenta all'interno dei compartimenti del DNA, che diffuso attraverso il capillare ai canali di flusso. Qui, un gradiente di concentrazione è stato formato; ciò era la più alta nel compartimento del DNA ed è stata diminuita più vicino alla giunzione fra il capillare ed il canale di flusso. Ciò ha indicato che questo sistema del cella-su-un-chip è capace non solo di espressione dei geni, ma questo può essere gestito per accadere nelle posizioni specifiche e con i gradienti di concentrazione specifici.

Potete studiare la degradazione della proteina facendo uso di un cella-su-un-chip?

Gli esempi di cui sopra indicano che è possibile fare le proteine facendo uso di un sistema del cella-su-un-chip, tuttavia, il resti di domanda se la degradazione della proteina può anche essere effettuata da tali sistemi. per studiare questo, Tonooka ed il co. ha progettato un sistema che ha compreso la degradazione della proteina accanto ad espressione genica.

In primo luogo, gli autori hanno catturato gli estratti delle cellule da due sforzi di Escherichia coli, uno che contiene la proteasi ClpX, che è la componente di degradazione della proteina. ClpX è stato espresso da un plasmide, significante che la sua espressione in Escherichia coli può essere controllata. Questi estratti cellulari poi sono stati utilizzati in un sistema microfluidic formato da una lastra di silicio.

Per assicurarsi che le proteine potrebbero essere degradate in questo sistema del cella-su-un-chip, gli autori in primo luogo hanno usato una proteina fluorescente etichettata ed osservati per vedere se la fluorescenza diminuisse, indicando la degradazione della proteina. Le osservazioni hanno indicato che il sistema del cella-su-un-chip è capace di degradazione delle proteine.

Tuttavia, che cosa accade quando combinate la degradazione della proteina con espressione genica, cioè facendo delle proteine? Qui, gli autori hanno utilizzato un circuito del gene per studiare; brevemente, questo consiste “di un circuito oscillatorio„ e “di un circuito del reporter„, dove l'espressione della proteina fluorescente contrassegnata del reporter è gestita dal circuito oscillatorio. Il circuito risultante ha mostrato un reticolo d'oscillazione di espressione genica in celle di Escherichia coli. Questo circuito è stato collocato su un plasmide e poi è stato vincolato sul cella-su-un-chip.

Quando gli estratti delle cellule di Escherichia coli si sono aggiunti, la fluorescenza emessa dal cella-su-un-chip ha oscillato intorno quattro volte. Ciò indica che questo sistema del cella-su-un-chip è capace non solo di espressione genica, ma anche degradazione della proteina pure. Gli ulteriori sviluppi e perfezionamenti di questo sistema hanno potuto aprire la strada affinchè l'espressione genica più complessa siano studiati come pure portando il cella-su-un-chip artificiale in vitro più vicino ai sistemi in vivo cellulari.

Sorgenti

Niederholtmeyer, 2013) installazioni del H. et al. (delle reti biologiche senza cellula allo stato di stabilità. PNAS https://doi.org/10.1073/pnas.1311166110

Karzbrun, 2014) compartimenti programmabili del DNA del su chip del E. et al. (come celle artificiali. Scienza DOI: 10.1126/science.1255550

Tonooka, 2019) celle artificiali del T. et al. (su un chip integrato con degradazione della proteina. Trentaduesima conferenza internazionale di IEEE sui micro elettro sistemi meccanici 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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