Здесь мы описываем простые методы получени везикул, инкапсуляции транскрипции и трансляции техники, а также мониторинга производства белка. Полученную бесклеточных системах можно использовать в качестве отправной точки, от которой можно создавать более сложные сотовой имитаторов.
По мере роста интереса смещается от отдельных молекул к системам молекул, все большее число лабораторий стремились наращивать снизу вверх сотовой мимика, которые лучше представляют сложность клеточной жизни. На сегодняшний день существует целый ряд путей, которые могут быть приняты для создания обособленных сотовой мимике, в том числе эксплуатация вода-в-масле, микрожидкостных устройств, и пузырьки. Каждый из предложенных вариантов имеет определенные преимущества и недостатки. Например, вода-в-масле, дают высокую эффективность инкапсуляции но не имитируют хорошо барьер проницаемости живых клеток. Основное преимущество описанных здесь способов является то, что все они легко и дешево в реализации. Транскрипция-перевод машины инкапсулирован в фосфолипидных везикулах через процесс, который использует общий приборов, таких как центробежные испаритель и экструдер. Реакции контролировали с помощью флуоресцентной спектроскопии. Протоколы могут быть адаптированы для экспрессии рекомбинантного белка, строительство сотовой мимика, исследование минимальные требования к клеточной жизни, или сборка генетической схемы.
Бесклеточные, в пробирке транскрипции-трансляции реакций и генерации пузырьков из синтетических липидов нет ничего нового. Однако сочетание двух в сотовой имитировать значительно более challenging1-6. E. кишечной клеточных экстрактов с или без РНК-полимеразы Т7 может быть использован в качестве источника транскрипции-трансляции машины 7,8. Клеточные экстракты выгоду от наличия дополнительных клеточных компонентов, которые могут способствовать экспрессии белка и складывания. Альтернативно, соединение очищен индивидуально РНК и белковые молекулы, т.е. PURE система 9, могут быть использованы посредником внутрипузырной синтез белка 4,10-14. Чистая система позволяет на строительство полностью определены сотовой мимики и не страдает от активности нуклеаз найдены в клеточных экстрактах. Практически это означает, что гораздо меньше ДНК-матрицы требуется, тем самым облегчая процессы с низкой эффективностью инкапсуляции 11 </sup>. Хотя и не столь часто используемые, сотовая мимика могут быть построены с клеточных экстрактов, полученных из эукариотических cells15. До сих пор, генетически закодированы инкапсулированные каскады и сотовой мимика, которые воспринимают окружающую среду было зарегистрировано 16-18.
Самый простой способ для контроля транскрипции-трансляции реакции заключается в измерении флуоресценции или люминесценции генетически кодируемых элементов. Как правило, люциферазы светлячка 19 или GFP используются, хотя в пробирке реакции часто измеряется радиоактивной метки. Флуоресценции дополнительно позволяет для мониторинга популяции везикул 20,21 цитометрии через методы, основанные, тем самым предлагая некоторое представление о стохастический характер, как биологические процессы. Эти методы мониторинга были использованы для определения небольшого набора правил проектирования и библиотеку частей, из которых строить с, включая набор флуоресцентные белки, которые совместимы с ян пробирке транскрипции-трансляции 22, влияние генетической организации по выражению 22, активность фактора сигма 16, а эффективность терминаторы транскрипции 23. Тем не менее, еще многое, что должно быть сделано, чтобы расширить возможности создания предсказуемой в пробирке, генетически кодируемых устройств.
Есть много методов, чтобы сделать пузырьки. Наиболее распространенные методы зависеть от размера тонкую липидную пленку на поверхности стекла последующим повторным суспендированием в водном solution24. Если водный раствор содержит транскрипции-трансляции техники, например, то часть пузырьков сформированный будет содержать необходимые компоненты для продукции белка. Тем не менее, эффективность инкапсуляции таких методов является низким, это означает, что только небольшая часть пузырьков активны. Многие альтернативные методы характеризуются значительно выше инкапсуляции эффiciency использовать преобразование вода-в-масле капель эмульсии пузырьков. Хотя вполне вероятно, что такие методы станут привычным делом в будущем, в настоящее время эти методы страдают от необходимости специализированного оборудования и дать пузырьки с измененной композиции мембраны 25. Явное преимущество вода-в-масле в пузырек методов является возможность контролировать мембраны ламеллярность. Метод, описанный здесь, основана на тонкой липидной пленки протокол описывается Yomo лаборатории 11 с небольшими модификациями, включая дополнительную стадию гомогенизации. Этот метод прост, дешевый, надежный и дает пузырьки хорошо подходит для инкапсуляции транскрипции-трансляции техники.
Хотя бесклеточном синтетическая биология все еще находится в зачаточном состоянии, успехи заложили фундамент, на котором все более сложные клетки-подобные системы могут быть сделаны. Восстановление транскрипции-трансляции техники из полностью определены 9 компонентов внутри пузырьков 28 был особенно значительным в содействии позже усилия в построении искусственного экологические требования cells17, 18. Кроме того, искусственные клетки исследований были использованы для исследования эволюционных процессов 4,29,30, механистический детали синтеза РНК и белка 22,31, влияния метаболических load32, 33, и сборка вирусных частиц 34. Важно отметить, что достаточно знаний существует в настоящее время, что основные клеточные функции могут быть восстановлены внутри пузырьков в лаборатории следующие предыдущих докладов и протоколов, описанных в данном документе.
Помимо того, что легко, описанные инкапсуляции PRocedure имеет ряд преимуществ. Например, многие пустым, лиофилизированный аликвоты везикул могут быть сделаны заранее и хранили при -20 ° С для последующего использования. Протокол не предмет биологических молекул к органическим растворителям, резкими перепадами температуры или длительный период диализа. Мы ожидаем, что мягкость процедура будет способствовать включению дополнительных компонентов по мере необходимости. Мы также не отмечено побочных эффектов для изменения липидного состава мембраны на инкапсуляции или транскрипции-трансляции эффективности. Поэтому, липиды более пригодными для включения мембранных белков, конкретные морфологии, или визуализация, вероятно, может быть использована.
Основным недостатком описанного метода является то, что в результате пузырьки не являются однородными по размеру, ни ламеллярность. Для многих приложений, эти трудности не мешают интерпретацию данных. Тем не менее, при необходимости, дополнительные шаги могут быть включены в узком йэлектронной распределение размеров и снижению слоев мембраны, такие как дальнейших раундов экструзии после инкапсуляции, замораживания-оттаивания или диализ 35. Несомненно лучше методы, которые обойти эти и другие проблемы будут разработаны. До тех пор, пока не найдем Протокол, описанный здесь, хорошо подходит для построения клеточных мимика.
The authors have nothing to disclose.
Авторы признают, Armenise-Гарвардского фонда Марии Кюри Трентино COFUND (ACS), Автономной провинции Тренто (ECOMM) и CIBIO для финансирования.
Quick Spin Mini-prep kit | Qiagen | 27104 | |
Spectrometer | NanoDrop 1000 | NDB767ND | |
POPC | Avanti Polar Lipids | 770557 | MW 760 g/mol Transition Temp -2 °C CAS# 26853-31-6 |
Ethanol | Sigma Aldrich | 459836 | Anhydrous, >99.5% |
Phenol-choloroform-isoamyl alcohol 25:24:1, for molecular biology use | Sigma Aldrich | P3803-100mL | Saturated with 10 mM Tris, pH 8.0, 1 mM EDTA |
Chloroform | Biotech Grade Fluka | 496189-1L | Contain ethanol at 0.5-1.0% v/v as stabilizer |
Brown amber glass bottles | VWR | 89043-518 | 55X 48 mm |
Rotary evaporator | Buchi Rotovapor R-210/Sigma | Z563846EU-1EA | With jack and water bath, 29/32 joint 240 V |
Analog vortex mixer | VWR | 945300 | Speed 1,000-3,200 rpm |
Homogenizer | IKA T10 Basic Ultra-Turbax | 3420000 | |
Mini-extruder | Avanti Polar Lipids | 610020 | |
Extruder filters | Whatman | 610014 | drain disc 10 mm |
Extruder polycarbonate membrane 400 nm | Whatman | 61007 | nuclepore polycarbonate |
Speed vacuum | Labconco | 7970011 | Centritrap DNA concentrator |
PURExpress kit | New England Biolabs | NRM #E6800S | |
RNAse inhibitor (40,000 U/ml) | New England Biolabs | #M0307S | |
Proteinase K (20.2 mg/ml) | Fermentas | #EO0491 | |
Microscope | Zeiss Observer Z1with a AxioCam MRm camera | ||
RealTime | CFX96 Real time PCR Detection System (Biorad) | ||
Silicon press to seal -Molecular Probe | Life Technologies | P18174 | Resistant from -25-30 °C |
Siliconized glass circle cover slides | Hampton Research | HR3-231 | Diameter= 22 mm |
ImageJ | NIH |