开发人工芯片上细胞

创造一种可以模仿生物细胞功能的人工“单细胞”是合成生物学的一个重要目标。这个想法的发展正在进行中，在这篇文章中，将研究三个示例。

如何在单片电池中复制能量和材料的交换？

在活细胞中，发生的生化反应通过与周围环境交换能量和材料而保持在“稳定状态”。通常，体外系统不利用这种交换，因此这些系统将达到化学平衡，并使得难以研究细胞内发生的复杂生化网络。

为了解决这个问题，Niederholtmeyer and co。使用微流体系统创建了一个用于基因表达的系统，以创建一个单芯片细胞。该系统基于纳升大小的微流控反应器。在该系统中，在稀释步骤中将含有基因表达必需成分的混合物与模板DNA一起加入。这导致系统中已经存在的流体发生位移。荧光标记用于确定系统中存在的DNA，RNA和蛋白质的量。这种单芯片细胞能够保持稳态基因表达约30小时。

芯片细胞系统中的基因表达能否受到控制？

寻找单片细胞系统的发展已经产生了可以在细胞外成功表达基因的系统。这些包括诸如囊泡生物反应器和类似形态发生的遗传电路之类的系统。设计人工单芯片系统时可能出现的一个问题是如何使用连续表达系统测量基因表达的动态变化。

为了解决这个问题，带有切换阀的微流控芯片已成功用于分析稳态和动态基因表达。但是，这些系统的缺点还在于，随着流体的流动，尤其是那些面积较小的流体，分子的浓度梯度可能会丢失。这很重要，因为某些形态过程受分子浓度变化的控制。

卡兹布伦公司 开发了一种系统，该系统可以维持这样的浓度梯度，以及在高表面密度，蛋白质周转率，与环境进行材料交换的能力下均能在规定的形状内表达基因。

该系统从DNA模板开始，DNA模板编码芯片上细胞将表达的基因。这些双链DNA模板被组装到硅芯片内的圆形隔室中。这些隔室通过毛细管连接，然后连接到流动通道。

然后，将大肠杆菌细胞的提取物添加到单片细胞中，其中毛细管中的高流动阻力导致反应成分扩散到DNA隔室中。这使得能够连续维持单芯片细胞内的新陈代谢。

然后，蛋白质合成发生在DNA隔室内，DNA隔间通过毛细管扩散到流动通道。在此，形成浓度梯度。它在DNA隔室中最高，而在靠近毛细管和流动通道之间的连接处降低。这表明该单芯片系统不仅能够表达基因，而且可以控制其在特定位置和特定浓度梯度下发生。

您可以使用单片细胞研究蛋白质降解吗？

上面的例子表明有可能使用单芯片系统制造蛋白质，但是，是否还可以通过这种系统进行蛋白质降解仍然是一个问题。为了对此进行调查，Tonooka和co。设计了一个包括蛋白质降解和基因表达的系统。

首先，作者从两株大肠杆菌中提取了细胞提取物，其中一株含有蛋白酶ClpX，后者是蛋白质降解成分。ClpX是从质粒表达的，这意味着可以控制其在大肠杆菌中的表达。然后将这些细胞提取物用于由硅片形成的微流体系统中。

为了确保蛋白质可以在这种单芯片系统中降解，作者首先使用了荧光标记的蛋白质，然后观察荧光是否减弱，表明该蛋白质已经降解。观察表明，单芯片细胞系统能够降解蛋白质。

但是，如果将蛋白质降解与基因表达（即蛋白质制造）结合起来，会发生什么？在这里，作者利用基因电路进行研究。简而言之，这由“振荡回路”和“报道分子回路”组成，其中荧光标记的报道蛋白的表达由振荡回路控制。所得电路在大肠杆菌细胞中显示出振荡的基因表达模式。将该电路置于质粒上，然后固定在单细胞上。

当添加大肠杆菌细胞提取物时，从单芯片细胞发射的荧光振荡大约四次。这表明该单芯片系统不仅能够表达基因，而且还能降解蛋白质。该系统的进一步开发和完善可以为研究更复杂的基因表达铺平道路，并使体外人工单芯片细胞更接近于体内细胞系统。