Name: Procédés d’intégration de réactions de synthèse de protéines acellulaires dans des hydrogels à l’échelle macroscopique (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-23T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 38 s
Description: Découvrez l'intégration de réactions de synthèse protéique acellulaire dans des hydrogels d'agarose à l'aide de lysats d'E. coli. Cette méthode permet de développer des dispositifs diagnostiques portables avec capacités de détection fluorescente.

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Les auteurs remercient chaleureusement le Conseil de recherches en biotechnologie et en sciences biologiques pour l’appui qu’ils ont accordé aux bourses BB/V017551/1 (S.K., T.P.H.) et BB/W01095X/1 (A.L., T.P.H.), ainsi qu’à la bourse EP/N026683/1 du Conseil de recherches en sciences et sciences physiques du Canada (Laboratoires des sciences et technologies de la défense) (C.J.W., A.M.B., T.P.H.). Les données à l’appui de cette publication sont disponibles gratuitement à l’adresse suivante : 10.25405/data.ncl.22232452. Aux fins du libre accès, l’auteur a appliqué une licence Creative Commons Attribution (CC BY) à toute version manuscrite acceptée par l’auteur.

1. Tampon de lysat cellulaire et préparation du milieu
<ol><li>Préparation de 2x gélose YT+P et médium<ol><li>Préparez 2 gélose YT+P en mesurant 16 g/L de tryptone, 10 g/L d’extrait de levure, 5 g/L de NaCl, 40 mL/L 1 M K 2 HPO 4, 22 mL/L 1 M KH2PO4 et 15 g/L de gélose. Pour le bouillon 2x YT+P, suivez la composition précédente mais omettez l’agar-agar.</li>
		<li>Stériliser à l’autoclavage des 2x YT+P.</li>
	</ol></li>
	<li>Préparation du tampon S30A<ol><li>Préparez le tampon S30A avec 5,88 g/L de Mg-glutamate, 12,195 g/L de K-glutamate et 25 mL/L de 2 M Tris, ajustés à un pH de 7,7 avec de l’acide acétique.</li>
		<li>Conservez le tampon S30A à 4 °C jusqu’à 1 semaine.</li>
	</ol></li>
	<li>Préparation du tampon S30B<ol><li>Préparez le tampon S30B avec 5,88 g/L de Mg-glutamate et 12,195 g/L de K-glutamate, ajustés à un pH de 8,2 avec 2 M Tris.</li>
		<li>Conservez le tampon S30B à 4 °C jusqu’à 1 semaine.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Préparation du lysat cellulaire (protocole de 4 jours)
<ol><li>Jour 1<ol><li>Versez les 2x YT+P dans des plaques de gélose complétées par 100 μg/mL d’ampicilline.</li>
		<li>Filtrer E. coli à partir d’un stock de glycérol de −80 °C et incuber pendant la nuit à 37 °C.</li>
	</ol></li>
	<li>Jour 2<ol><li>Inoculer une seule colonie de la plaque 2x YT+P dans 400 mL de bouillon 2x YT+P (complété par de l’ampicilline) dans une fiole à chicanes de 1 L.</li>
		<li>Incuber pendant 24 h à 37 °C avec 220 tr/min d’agitation.</li>
	</ol></li>
	<li>Jour 3<ol><li>Mesurer et enregistrer la OD600 des cultures de 24 h ; la croissance est suffisante à un OD600 de 3-4. REMARQUE : Prendre une aliquote de 1 mL de culture bactérienne et effectuer une dilution en série avec un milieu (2x bouillon YT+P) avant de mesurer le diamètre extérieurde 600 nm. Tenez compte de l’effet de dilution lors du calcul de l’OD600.</li>
		<li>Transférer la culture uniformément entre des bouteilles à centrifuger de 500 ml pré-réfrigérées.</li>
		<li>Centrifuger à 4 500 x g pendant 15 min à 4 °C, puis jeter le surnageant.</li>
		<li>Pendant la centrifugation, complétez la préparation du tampon S30A en ajoutant 2 mL/L de DTT 1 M au tampon S30A préalablement préparé, en mélangeant et en maintenant le tampon sur de la glace.</li>
		<li>Remettre les pastilles cellulaires en suspension dans 200 mL de tampon S30A.</li>
		<li>Faites tourner vigoureusement les bouteilles jusqu’à ce que toute la pastille soit complètement solubilisée, en gardant les cellules sur la glace autant que possible.</li>
		<li>Centrifuger à 4 500 x g pendant 15 min à 4 °C, puis jeter le surnageant.</li>
		<li>Répétez les étapes 2.3.5 à 2.3.7 (incluses).</li>
		<li>Ajouter 40 mL de tampon S30A dans chaque bouteille de centrifugeuse, remettre les pastilles en suspension et les transférer dans des tubes de centrifugation pré-pesés de 50 mL.</li>
		<li>Centrifuger à 4 000 x g pendant 15 min à 4 °C. Jeter le surnageant en le décantant et retirer le surnageant résiduel à l’aide d’une pipette, en le gardant sur la glace autant que possible.</li>
		<li>Pesez à nouveau les tubes à centrifuger, enregistrez la nouvelle masse et calculez la masse des granulés.</li>
		<li>Congelez les granulés dans de l’azote liquide et stockez-les à −80 °C.</li>
	</ol></li>
	<li>Jour 4<ol><li>Décongelez les granulés sur de la glace.</li>
		<li>Pour 1 g de pastille, ajouter ce qui suit : 1,2 mL de tampon S30A (DTT ajouté avant utilisation), 275 μL d’inhibiteur de protéase (8 mM de bouillon) et 25 μL de lysozyme (10 mg/mL de bouillon).</li>
		<li>Tourbillonnez vigoureusement jusqu’à ce que les granulés soient complètement solubilisés sans qu’il ne reste de grumeaux, en les gardant sur la glace autant que possible.</li>
		<li>Dans des tubes à centrifuger de 50 mL, soniser les suspensions cellulaires à 120 W, 20 kHz, 30 % d’amplitude et 20 s/40 s d’impulsions marche/arrêt pendant 5 min de sonication.</li>
		<li>Centrifuger à 4 000 x g pendant 1 h à 4 °C pour granuler les débris cellulaires.</li>
		<li>Transférer le surnageant dans des tubes à centrifuger frais de 50 mL.</li>
		<li>Incuber les tubes à 37 °C à 220 tr/min pendant 80 min.</li>
		<li>Préparer le matériel de dialyse en ajoutant 1 mL/L de 1 M de DTT au tampon S30B. Mélanger et ajouter 900 mL dans un bécher stérile de 1 L. Ajoutez un agitateur magnétique et maintenez-le à 4 °C.</li>
		<li>Après la réaction de ruissellement, transférer l’extrait cellulaire de l’étape 2.4.7 dans des tubes de microcentrifugation de 2 mL et centrifuger à 20 000 x g pendant 10 min à 4 °C.</li>
		<li>Consolider le surnageant sans granulés sur de la glace dans un tube à centrifuger de 50 ml.</li>
		<li>Déterminer le volume total d’extrait cellulaire produit, et hydrater le nombre nécessaire de cassettes de dialyse MWCO 10K en les immergeant dans S30B pendant 2 min.</li>
		<li>Chargez les cassettes à l’aide d’une seringue avec jusqu’à 3 mL d’extrait. Dialyser jusqu’à trois cassettes par bécher de 1 L en remuant à 4 °C pendant 3 h.</li>
		<li>Une fois la dialyse terminée, qui clarifie l’extrait, transférez l’extrait dans des tubes de micro-centrifugation de 2 ml. Centrifuger à 20 000 x g pendant 10 min à 4 °C.</li>
		<li>Consolidez l’extrait clarifié dans un tube à centrifuger frais sur de la glace et tourbillonnez brièvement pour mélanger.</li>
		<li>Déterminer la concentration en protéines de l’extrait à l’aide d’un fluorimètre.</li>
		<li>Diluer l’extrait à une concentration de 44,5 mg/mL en utilisant du ddH2O pré-réfrigéré.</li>
		<li>Aliquote dans des aliquotes de 200 μL, congélation éclair dans de l’azote liquide et conservation à −80 °C.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Préparation d’hydrogels lyophilisés (Méthode A)
<ol><li>Peser 0,75 g d’agarose, ajouter ddH2O à un volume de 100 mL et cuire au micro-ondes en rafales de 30 s à haute température pour créer un bouillon d’agarose fondu.</li>
	<li>À l’aide d’une pipette, transférez 50 μL d’agarose fondue dans un tube de microcentrifugation de 1,5 mL et laissez le gel polymériser pendant 20 à 30 minutes (la polymérisation se produit plus rapidement si les gels sont transférés dans un réfrigérateur).</li>
	<li>Congeler les tubes de la microcentrifugeuse, contenant les gels polymérisés, dans de l’azote liquide.</li>
	<li>Retirez le couvercle des tubes à centrifuger, couvrez les ouvertures des tubes à centrifuger avec un film de cire et percez le film plusieurs fois avec une aiguille ou une pointe de pipette.</li>
	<li>Transférer les tubes de microcentrifugation contenant les gels polymérisés dans un stockage à −80 °C pendant 1 à 2 h.</li>
	<li>Récupérez les tubes à centrifuger d’un stockage à −80 °C et placez-les dans un lyophilisateur, en vous assurant que les tubes sont complètement secs.</li>
	<li>Enclenchez le lyophilisateur avec les réglages suivants : température : −20 °C, pression : 0,1 mbar.</li>
	<li>Laissez le gel se lyophiliser pendant la nuit.</li>
	<li>Récupérez les gels du lyophilisateur et placez-les dans un stockage à −80 °C jusqu’à ce que vous en ayez besoin. REMARQUE : Les gels peuvent être conservés lyophilisés jusqu’à 1 an.</li>
</ol>4. Préparation du stock de solution énergétique 14x
<ol><li>Combiner tous les composants de la réaction (tableau 1) dans un tube à centrifuger de 15 mL sur de la glace pour produire une solution énergétique 14x.</li>
	<li>Aliquotez la solution énergétique 14x dans des tubes de microcentrifugation de 1,5 mL et conservez-la à −80 °C (des aliquotes de plus petit volume peuvent être utilisées). REMARQUE : La solution énergétique 14x peut être stockée pendant plusieurs mois à −80 °C si l’on évite le gel-décongélation répété des tubes.</li>
</ol>5. Préparation du bouillon d’acides aminés 4x
<ol><li>Décongeler, sur de la glace, les 20 composants d’acides aminés d’un kit d’échantillonnage d’acides aminés RTS. Vortex les acides aminés pour s’assurer qu’ils sont complètement dissous.</li>
	<li>Dans un tube à centrifuger de 50 ml, mélanger les 20 acides aminés et ajouter 12 mL de ddH2O. Vortex stérile jusqu’à ce que la solution devienne claire, avec seulement un léger voile de coloration blanche.</li>
	<li>Aliquote les 4 acides aminés dans des tubes de microcentrifugation de 1,5 mL (aliquotes de 500 μL).</li>
	<li>Congelez les aliquotes de la solution d’acides aminés 4x dans de l’azote liquide et déplacez-les dans un stockage à −80 °C.</li>
</ol>6. Calibrage du tampon sans cellule
NOTA : Le tampon CFPS utilisé pour les réactions d’hydrogel a été calibré pour des concentrations optimales de DTT, de Mg-glutamate et de K-glutamate selon le protocole de Banks et al.34 modifié à partir de Sun et al.35. Les compositions de la réaction d’étalonnage ont été sélectionnées à l’aide de la méthode du plan d’expériences (DOE), avec sept niveaux de facteurs sélectionnés pour le K-glutamate (200 mM, 400 mM, 600 mM, 1 000 mM, 1 200 mM, 1 400 mM), le Mg-glutamate (0 mM, 10 mM, 20 mM, 30 mM, 40 mM, 50 mM, 60 mM) et le DTT (0 mM, 5, 10 mM, 15 mM, 20 mM, 25 mM, 30 mM). JMP Pro 15 a été utilisé pour générer un plan d’expériences personnalisé (Tableau 2) et effectuer l’analyse afin de déterminer les concentrations de facteurs optimales.
<ol><li>Récupérez l’extrait acellulaire d’un stockage à −80 °C et décongelez-le sur de la glace.</li>
	<li>Décongelez les 4 acides aminés, la solution énergétique 14 fois, le PEG-8000 à 40 %, l’ADN plasmidique, le K-glutamate à 3 M, le glutamate à 100 mM de Mg-glutamate et les stocks de DTT à 100 mM sur glace.</li>
	<li>Créez un mélange maître d’étalonnage en combinant 12,5 μL des 4 acides aminés, 3,57 μL de la solution énergétique 14x, 2,5 μL de PEG-8000 à 40 %, 3 μg d’ADN plasmidique et 10 μL d’extrait acellulaire (44,5 mg/mL), et préparez jusqu’à 35 μL par réaction avec du ddH2O.</li>
	<li>Répartir les 35 μL de mélange maître dans les puits d’une plaque de microtitration noire à 384 puits.</li>
	<li>En suivant le plan d’expérience, ajoutez le volume approprié de Mg-glutamate, de K-glutamate et de DTT à chaque réaction, ainsi que du ddH2O pour que chaque réaction atteigne 50 μL.</li>
	<li>Transférez la plaque de microtitration vers un lecteur de plaques pour la détection et l’analyse de la fluorescence à l’aide des paramètres du lecteur de plaques décrits (pour mCherry) : excitation : 587 nm, émission : 610 nm, largeur de bande de longueur d’onde : 12 nm, optique : haut, température : 37 °C, les lectures de fluorescence étant collectées toutes les 5 min pendant 4 h de temps de lecture total. Incuber les plaques en agitant sur un réglage pulsé à 60 tr/min.</li>
	<li>Chargez les résultats dans le plan d’expériences JMP et générez un profil de prédiction pour déterminer les niveaux de concentration optimaux de K-glutamate, de Mg-glutamate et de DTT en fonction des variables de réponse souhaitées. Dans ce cas, la fluorescence maximale et la vitesse de réaction étaient les variables de réponse.</li>
	<li>Combinez les réactifs comme indiqué dans le tableau 3 pour créer le tampon CFPS 2X</li>
	<li>Aliquote et conserver à −80 °C</li>
</ol>7. CFPS dans des hydrogels lyophilisés réhydratés (méthode A)
NOTE : Les plasmides utilisés dans les réactions CFPS ont été créés à l’aide de composants de la boîte à outils modulaire EcoFlex pour E. coli36 et décrits dans Whitfield et al.11 Le mCherry et l’eGFP étaient sous le contrôle du promoteur de JM23100 constitutif. Ces composants sont disponibles auprès d’Addgene.
<ol><li>Récupérez l’extrait acellulaire d’un stockage à −80 °C et décongelez-le sur de la glace pendant environ 20 minutes.</li>
	<li>Récupérez le tampon CFPS 2x et l’ADN plasmidique, et décongelez-les sur de la glace.</li>
	<li>Récupérez les hydrogels lyophilisés et laissez-les atteindre la température ambiante pendant 15 min en laissant les gels reposer sur le banc.</li>
	<li>Transférer les gels dans des tubes de microcentrifugation de 1,5 mL, en coupant les gels avec un scalpel si nécessaire pour les faire entrer dans les puits.</li>
	<li>Dans un tube de microcentrifugation de 1,5 mL, mélanger 10 μL d’extrait acellulaire avec 25 μL de tampon 2x CFPS et 4 μg d’ADN plasmidique ; jusqu’à un volume total de 50 μL avec ddH2O pour créer la solution CFPS.</li>
	<li>Pipeter la solution CFPS sur les hydrogels lyophilisés.</li>
	<li>Laissez les gels tremper dans le système CFPS pendant 5 à 10 minutes à température ambiante.</li>
	<li>Transférez les gels sur une plaque de microtitration noire à 384 puits à l’aide d’une spatule.</li>
	<li>Transférez la plaque de microtitration vers un lecteur de plaques pour la détection et l’analyse de la fluorescence à l’aide des paramètres du lecteur de plaques décrits à l’étape 6.6. Des résultats représentatifs sont disponibles dans des études antérieures31,33.</li>
</ol>8. Synthèse de protéines acellulaires dans des hydrogels déployables (Méthode B)
<ol><li>Récupérer l’extrait acellulaire d’un stockage à −80 °C et le décongeler sur de la glace pendant environ 20 minutes.</li>
	<li>Collectez l’ADN plasmidique et décongelez-le sur de la glace.</li>
	<li>Dans un tube de microcentrifugation de 1,5 mL sur glace, mélanger 10 μL d’extrait acellulaire avec 3 μg d’ADN plasmidique et 25 μL de tampon 2x CFPS, soit un volume total de 37,5 μL.</li>
	<li>Mesurez 3 g d’agarose et ajoutez-la à 100 mL de tampon ddH2O pour obtenir 3 % d’agarose.</li>
	<li>Cuire l’agarose à 3 % au micro-ondes en 30 s rafales à haute puissance.</li>
	<li>Pipeter 12,5 μL d’agarose fondue dans des tubes de microcentrifugation de 1,5 mL contenant un mélange de CFPS jusqu’à un volume total de 50 μL.</li>
	<li>Laissez l’agarose fondue refroidir, mais pas polymériser, en laissant l’agarose dans un bloc thermique réglé à 50 °C.</li>
	<li>Combiner l’agarose fondue avec la solution CFPS ; mélanger par pipetage et agitation avec l’embout, et s’assurer de se déplacer rapidement pour éviter la polymérisation du gel avant que la solution CFPS ne puisse être mélangée.</li>
	<li>Laissez les gels refroidir à température ambiante et polymérisez pendant environ 2 min.</li>
	<li>Transférer l’agarose polymérisée dans des tubes de microcentrifugation de 1,5 mL à l’aide d’une spatule et congeler rapidement dans de l’azote liquide.</li>
	<li>Placez les hydrogels surgelés dans un stockage à −80 °C pendant 1 h.</li>
	<li>Récupérez les gels de l’entreposage ; Retirez les couvercles des tubes de la microcentrifugeuse, couvrez les tubes d’un film de cire et percez le film pour permettre à l’humidité d’être séchée.</li>
	<li>Enclencher la lyophilisateur avec les réglages suivants : température : −20 °C, pression : 0,1 mbar, lyophilisation pendant 18 h (toute la nuit).</li>
	<li>Conservez les dispositifs CFPS lyophilisés dans un stockage à −80 °C jusqu’à leur utilisation.</li>
	<li>Les appareils CFPS lyophilisés, d’un volume humide d’environ 50 μL, peuvent être réhydratés avec 50 μL de ddH2O sans excès de liquide. La réhydratation dure environ 30 min.</li>
	<li>Transférez les gels sur une plaque de microtitration noire à 384 puits à l’aide d’une spatule.</li>
	<li>Transférez la plaque de microtitration vers un lecteur de plaques pour la détection et l’analyse de la fluorescence à l’aide des paramètres du lecteur de plaques décrits à l’étape 6.6. Des résultats représentatifs sont disponibles dans des publications antérieures31,33.</li>
</ol>

Intégration de réactions CFPS dans une variété de matrices d’hydrogel

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</ol>

Voici deux protocoles pour l’incorporation de réactions CFPS à base de lysat de cellules d’E. coli dans les hydrogels d’agarose. Ces méthodes permettent l’expression simultanée des gènes dans l’ensemble du matériel. Le protocole peut être adapté à d’autres systèmes CFPS et a été mis en œuvre avec succès avec des kits CFPS disponibles dans le commerce en plus des lysats cellulaires préparés en laboratoire détaillés ici. Il est important de noter que le protocole permet l’expression des gènes en l’absence d’une ph...

La biologie synthétique intègre diverses disciplines d’ingénierie pour concevoir et concevoir des pièces, des dispositifs et des systèmes biologiques qui peuvent remplir des fonctions que l’on ne trouve pas dans la nature. La plupart des approches de biologie synthétique sont encore liées aux cellules vivantes. En revanche, les systèmes de biologie synthétique acellulaires offrent des niveaux de contrôle et de liberté de conception sans précédent, ce qui permet une flexibilité accrue et un temps plus court pour l’ingénierie des systèmes biologiques, tout en éliminant de nombreuses contraintes des méthodes traditionnelles d’expression génique cellulaires 1,2,3. Le CFPS est utilisé dans un nombre croissant d’applications dans de nombreuses disciplines, notamment la construction de cellules artificielles, le prototypage de circuits génétiques, le développement de biocapteurs et la production de métabolites 4,5,6. Le CFPS s’est également avéré particulièrement utile pour produire des protéines recombinantes qui ne peuvent pas être facilement exprimées dans les cellules vivantes, telles que les protéines sujettes à l’agrégation, les protéines transmembranaires et les protéines toxiques 6,7,8.
Le CFPS est généralement effectué dans les réactions liquides. Ceci, cependant, peut limiter leur déploiement dans certaines situations, car tout dispositif sans cellule liquide doit être contenu dans un récipient de réaction. La raison d’être du développement des méthodes présentées ici était de fournir des protocoles robustes pour l’intégration de dispositifs de biologie synthétique acellulaires dans des hydrogels, non pas en tant que plate-forme de production de protéines en soi, mais plutôt pour permettre l’utilisation d’hydrogels comme châssis physique pour le déploiement de dispositifs sans cellules au-delà du laboratoire. L’utilisation d’hydrogels comme châssis CFPS présente plusieurs avantages. Les hydrogels sont des matériaux polymères qui, malgré une teneur élevée en eau (parfois supérieure à 98%), possèdent des propriétés solides 9,10,11. Ils ont des utilisations comme pâtes, lubrifiants et adhésifs et sont présents dans des produits aussi divers que les lentilles de contact, les pansements, les rubans adhésifs marins, les amendements de sol et les couches pour bébés 9,11,12,13,14. Les hydrogels font également l’objet d’études actives en tant que véhicules d’administration de médicaments 9,15,16,17. Les hydrogels peuvent également être biocompatibles, biodégradables et posséder des réponses aux stimuli qui leur sont propres 9,18,19,20. Par conséquent, l’objectif ici est de créer une synergie entre la fonctionnalité dérivée de la biologie moléculaire et la science des matériaux. À cette fin, des efforts ont été faits pour intégrer la biologie synthétique acellulaire à une gamme de matériaux, notamment le collagène, la laponite, le polyacrylamide, la fibrine, le peptide PEG et l’agarose 11,21,22, ainsi que pour recouvrir les surfaces de verre, de papier et de tissu 11,23,24 avec les appareils CFPS. Les protocoles présentés ici démontrent deux méthodes d’intégration des réactions CFPS dans des matrices d’hydrogel à l’échelle macroscopique (c’est-à-dire >1 mm), en utilisant l’agarose comme matériau exemplaire. L’agarose a été choisie en raison de sa grande capacité d’absorption d’eau, de ses propriétés autogélifiantes contrôlées et de ses propriétés mécaniques réglables 11,24,25,26. L’agarose prend également en charge les CFPS fonctionnels, est moins chère que de nombreuses autres alternatives à l’hydrogel et est biodégradable, ce qui en fait un choix attrayant en tant que système modèle expérimental. Cependant, il a déjà été démontré que ces méthodes étaient appropriées pour l’intégration du CFPS dans une gamme d’hydrogels alternatifs11. Compte tenu du large éventail d’applications des hydrogels et de la fonctionnalité des CFPS, les méthodes démontrées ici peuvent fournir une base à partir de laquelle les chercheurs sont en mesure de développer des matériaux hydrogels biologiquement améliorés adaptés à leurs propres fins.
Dans des études antérieures, des systèmes de microgel d’une gamme de tailles de 1 μm à 400 μm ont été utilisés pour effectuer des CFPS dans des hydrogels immergés dans des tampons de réaction 23,27,28,29,30,31. Cependant, l’obligation d’immerger les hydrogels dans les tampons de réaction du CFPS limite les possibilités de leur utilisation en tant que matériaux à part entière. Les protocoles présentés ici permettent aux réactions CFPS de se produire dans les hydrogels sans qu’il soit nécessaire d’immerger les gels dans des tampons de réaction. Deuxièmement, l’utilisation de gels à l’échelle macroscopique (d’une taille comprise entre 2 mm et 10 mm) permet d’étudier l’interaction physique entre les hydrogels et l’expression des gènes acellulaires. Par exemple, avec cette technique, il est possible d’étudier comment la matrice d’hydrogel affecte les réactions CFPS11 et comment les réactions CFPS peuvent avoir un impact sur la matrice d’hydrogel31. Des hydrogels de plus grande taille permettent également le développement de nouveaux matériaux bioprogrammables32. Enfin, l’intégration des réactions CFPS dans les hydrogels permet également de réduire considérablement les besoins en récipients de réaction en plastique. Pour le déploiement de capteurs sans cellules, cela présente des avantages évidents par rapport aux appareils dépendant de la vaisselle en plastique. Dans l’ensemble, l’intégration des réactions CFPS dans les hydrogels offre plusieurs avantages pour le déploiement de dispositifs acellulaires au-delà du laboratoire.
L’objectif global des méthodes présentées ici est de permettre l’exploitation des réactions CFPS au sein de matrices d’hydrogel. Deux méthodes différentes sont démontrées pour intégrer des réactions de production de protéines acellulaires dans des matériaux hydrogel à l’échelle macroscopique (Figure 1). Dans la méthode A, les composants du CFPS sont introduits dans des hydrogels d’agarose lyophilisés pour former un système actif. Dans la méthode B, l’agarose fondue est mélangée avec des composants de réaction CFPS pour former un système complet d’hydrogel CFPS, qui est ensuite lyophilisé et stocké jusqu’à ce que cela soit nécessaire. Ces systèmes peuvent être réhydratés avec un volume d’eau ou un tampon et un analyte pour commencer la réaction.
Cette étude utilise des systèmes à base de lysat de cellules d’Escherichia coli. Ce sont quelques-uns des systèmes expérimentaux CFPS les plus populaires, car la préparation de lysat de cellules E. coli est simple, peu coûteuse et permet d’obtenir des rendements protéiques élevés. Le lysat cellulaire est complété par les composants macromoléculaires nécessaires à la transcription et à la traduction, notamment les ribosomes, les ARNt, les aminoacyl-ARNt synthétases et les facteurs d’initiation, d’élongation et de terminaison. Plus précisément, cet article démontre la production d’eGFP et de mCherry dans des hydrogels d’agarose à l’aide de lysats cellulaires d’E. coli et surveille l’apparence de la fluorescence à l’aide d’un lecteur de plaques et d’une microscopie confocale. Des résultats représentatifs pour le lecteur de plaques de microtitration peuvent être consultés dans Whitfield et al.31, et les données sous-jacentes sont accessibles au public 33. De plus, l’expression des protéines fluorescentes dans les gels est confirmée par microscopie confocale. Les deux protocoles présentés dans cet article permettent l’assemblage et le stockage de dispositifs génétiques basés sur le CFPS dans des matériaux dans le but ultime de créer un environnement physique approprié pour la distribution de circuits génétiques acellulaires d’une manière favorable au déploiement sur le terrain.

<table><tbody><tr><td>Material</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>3-PGA</td><td>Santa Cruz Biotechnology</td><td>sc-214793B</td><td></td></tr><tr><td>Acide acétique</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A6283</td><td></td></tr><tr><td>Agar</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>A10752.22</td><td></td></tr><tr><td>Agarose</td><td>Severn Biotech</td><td>30-15-50</td><td></td></tr><tr><td>Kit d’échantillonnage d’acides aminés</td><td>VWR</td><td></td><td></td>BTRABR1401801</tr><tr><td>ATP</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A8937-1G</td><td></td></tr><tr><td>cAMP</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A9501-1G</td><td></td></tr><tr><td>Coenzyme A (CoA)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C4282-100MG</td><td></td></tr><tr><td>CTP</td><td>Alfa Aesar</td><td>J14121.MC</td><td></td></tr><tr><td>DTT</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>R0862</td><td></td></tr><tr><td>Acide folinique</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F7878-100MG</td><td></td></tr><tr><td>GTP</td><td>Carbosynth</td><td>NG01208</td><td></td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H4034-25G</td><td></td></tr><tr><td>K-glutamate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G1149-100G</td><td></td></tr><tr><td>Lysozyme</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>L6876-1G</td><td></td></tr><tr><td>Mg-glutamate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>49605-250G</td><td></td></tr><tr><td>NAD</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>N6522-250MG</td><td></td></tr><tr><td>PEG-8000</td><td>Promega</td><td>V3011</td><td></td></tr><tr><td>Hydroxyde de potassium (KOH)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>757551-5G</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate de potassium dibasique (K2HPO4)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3786-500G</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate de potassium monobasique (KH2PO4)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>RDD037-500G</td><td></td></tr><tr><td>Cocktail d’inhibiteurs de protéase</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P2714-1BTL</td><td></td></tr><tr><td>Qubit Kit de concentration en protéines</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>A50668</td><td></td></tr><tr><td>Rossetta 2 DE 3 E.coli</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>71397-3</td><td></td></tr><tr><td>Chlorure de sodium (NaCl)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9888-500G</td><td></td></tr><tr><td>Spermidine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85558-1G</td><td></td></tr><tr><td>Tryptone</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>211705</td><td></td></tr><tr><td>Tris</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>GE17-1321-01</td><td></td></tr><tr><td>ARNt</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>10109541001</td><td></td></tr><tr><td>UTP</td><td>Alfa Aesar</td><td>J23160.MC</td><td></td></tr><tr><td>Extrait de levure</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Y1625-1KG</td><td></td></tr><<tr><td>strong>Equipment</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1.5 mL microtubes à centrifuger</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HS4323-500EA</td><td></td></tr><tr><td>Cassettes de dialyse 10K MWCO</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>66381</td><td></td></tr><tr><td>Tube à centrifuger 15 mL</td><td>Sarstedt</td><td>62.554.502</td><td></td></tr><tr><td>Flacons à centrifuger 50 mL</td><td>Sarstedt</td><td>62.547.254</td><td></td></tr><tr><td>Flacons à centrifuger 500 mL</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>3120-9500</td><td></td></tr><tr><td>Alpha 1-2 LD Plus lyophilisateur</td><td>Christ</td><td>réf. 101521, 101522, 101527</td><td></td></tr><tr><td>Centrifugeuse de paillasse</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>H-X3R</td><td></td></tr><tr><td>Black 384 plaques de microtitrage de puits</td><td>Fischer Scientific</td><td>66</td><td></td></tr><tr><td>Cuvettes</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>222S</td><td></td></tr><tr><td>Elga Purelab Chorus</td><td>Elga</td><td>#####</td><td></td></tr><tr><td>Eppendorf Microcentrifugeuse 5425R</td><td>Eppendorf</td><td>EP00532</td><td></td></tr><tr><td>Centrifugeuse à grande vitesse</td><td>Beckman Coulter</td><td>B34183</td><td></td></tr><tr><td>Licence JMP</td><td>SAS Institute</td><td>15</td><td></td></tr><tr><td>Agitateur magnétique</td><td>Fischer Scientific</td><td>15353518</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>Amcor</td><td>PM-966</td><td></td></tr><tr><td>Photospectromètre (Biophotomètre)</td><td>Eppendorf</td><td>16713</td><td></td></tr><tr><td>Pipettes et pointes</td><td>Gilson</td><td>Balance de précision #####</td><td></td></tr><tr><td>Fluorimètre</td><td>Sartorius</td><td>16384738</td><td></td></tr><tr><td>Qubit 2.0 Thermo</td><td>Fisher Scientific</td><td>Q32866</td><td></td></tr><tr><td>Incubateur à secousses</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>SHKE8000</td><td></td></tr><tr><td>Sonic Dismembrator (Sonicator)</td><td>Incubateur</td> statique <td>12893543</td><td></td>Thermo Fisher Scientific</tr><tr><td></td><td>Sanyo</td><td>MIR-162</td><td></td></tr><tr><td>Seringue et aiguilles</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>66490</td><td></td></tr><tr><td>Thermo max Q8000 (Incubateur à secousses)</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>SHKE8000</td><td></td></tr><tr><td>Varioskan Lux lecteur de plaques</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>VLBL00GD1</td><td></td></tr><tr><td>Vortex Genie 2</td><td>Cole-parmer</td><td>OU-04724-05</td><td></td></tr><tr><td>VWR PHenomenal pH 1100 L, ph/mv/&deg ; c-mètre</td><td>VWR</td><td>662-1657</td><td></td></tr></tbody></table>

procédés d’intégration de réactions de synthèse de protéines acellulaires dans des hydrogels à l’échelle macroscopique

Methods for Embedding Cell-Free Protein Synthesis Reactions in Macro-Scale Hydrogels

Les réseaux de gènes synthétiques fournissent une plate-forme aux scientifiques et aux ingénieurs pour concevoir et construire de nouveaux systèmes avec des fonctionnalités codées au niveau génétique. Alors que le paradigme dominant pour le déploiement des réseaux de gènes se trouve à l’intérieur d’un châssis cellulaire, les réseaux de gènes synthétiques peuvent également être déployés dans des environnements sans cellules. Les applications prometteuses des réseaux de gènes acellulaires comprennent les biocapteurs, car ces dispositifs ont été démontrés contre des cibles biotiques (virus Ebola, Zika et SRAS-CoV-2) et abiotiques (métaux lourds, sulfures, pesticides et autres contaminants organiques). Les systèmes acellulaires sont généralement déployés sous forme liquide dans une cuve de réaction. Cependant, être capable d’intégrer de telles réactions dans une matrice physique peut faciliter leur application plus large dans un ensemble plus large d’environnements. À cette fin, des méthodes d’intégration des réactions de synthèse de protéines acellulaires (CFPS) dans une variété de matrices d’hydrogel ont été développées. L’une des principales propriétés des hydrogels propices à ce travail est la grande capacité de reconstitution en eau des matériaux hydrogels. De plus, les hydrogels possèdent des caractéristiques physiques et chimiques fonctionnellement bénéfiques. Les hydrogels peuvent être lyophilisés pour le stockage et réhydratés pour une utilisation ultérieure. Deux protocoles étape par étape pour l’inclusion et le dosage des réactions CFPS dans les hydrogels sont présentés. Tout d’abord, un système CFPS peut être incorporé dans un hydrogel par réhydratation avec un lysat cellulaire. Le système à l’intérieur de l’hydrogel peut alors être induit ou exprimé de manière constitutive pour une expression complète de la protéine à travers l’hydrogel. Deuxièmement, le lysat cellulaire peut être introduit dans un hydrogel au point de polymérisation, et l’ensemble du système peut être lyophilisé et réhydraté à un point ultérieur avec une solution aqueuse contenant l’inducteur du système d’expression codé dans l’hydrogel. Ces méthodes ont le potentiel de permettre la création de réseaux de gènes acellulaires qui confèrent des capacités sensorielles aux matériaux hydrogel, avec un potentiel de déploiement au-delà du laboratoire.

Ce protocole détaille deux méthodes d’intégration des réactions CFPS dans des matrices d’hydrogel, la figure 1 présentant une vue d’ensemble schématique des deux approches. Les deux méthodes se prêtent à la lyophilisation et au stockage à long terme. La méthode A est la méthode la plus utilisée pour deux raisons. Tout d’abord, il a été démontré qu’il s’agit de la méthode la plus applicable pour travailler avec une gamme de matériaux hydrogel11. Deuxièmement, la méthod...

Nous présentons ici deux protocoles permettant d’intégrer des réactions de synthèse de protéines acellulaires dans des matrices d’hydrogel à l’échelle macroscopique sans avoir besoin d’une phase liquide externe.

Procédés d’intégration de réactions de synthèse de protéines acellulaires dans des hydrogels à l’échelle macroscopique

Synthetic gene networks provide a platform for scientists and engineers to design and build novel systems with functionality encoded at a genetic level. ...

Nous savons que les systèmes vivants intègrent en permanence des informations provenant de nombreuses sources différentes et que ces signaux déclenchent des réponses complexes et subtiles. Une grande partie de ce traitement de l’information se produit au niveau moléculaire. Nous nous intéressons à l’exploitation de ces processus dans les matériaux, mais sans cellules.L’objectif est de donner aux matériaux de nouvelles fonctionnalités. Les défis de ce travail sont principalement associés à la réaction de synthèse des protéines acellulaires, plutôt qu’au travail avec de l’hydrogel. La réaction cellulaire nécessite un lysat cellulaire de haute qualité ainsi qu’un ADN de haute qualité et pureté pour bien fonctionner.Ce protocole permet aux chercheurs d’intégrer des réactions de biologie moléculaire dans un matériau physique biodégradable qui peut être emporté à l’extérieur du laboratoire. De plus, étant donné que la sortie de réaction interagit directement avec le châssis du matériau, il existe un potentiel pour le développement de matériaux dotés de nouvelles capacités de détection et de réponse. À court terme, nous considérons que ces méthodes offrent une nouvelle voie vers le déploi

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Nous présentons des protocoles pour les 3 dimensions (3D) d'encapsulation des cellules à l'intérieur des hydrogels synthétiques. La procédure d'encapsulation est décrite pour les deux méthodes couramment utilisées de réticulation (type Michael addition et la lumière à l'initiative gratuite mécanismes radicale), ainsi qu'un certain nombre de techniques pour évaluer le comportement des cellules encapsulées.

Encapsulation Cellulaire dans les hydrogels 3D pour l&#39;ingénierie tissulaire

Dans ce protocole, nous démontrons la fabrication d'un tableau de messages microactionneur déplacé verticalement sur lequel la technologie est basée, et comment cette technologie de base peut être modifié pour mener à haut débit de culture de cellules mécanique dynamique dans la culture à la fois à deux dimensions et en trois dimensions paradigmes.

Plates-formes pour la culture cellulaire microfabriqués mécanique dynamique

Cette vidéo d'illustration, un procédé rapide et efficace de méthacrylate de poly (éthylène glycol), permettant à des polymérisations en chaîne et la synthèse de l'hydrogel. Il démontrera comment introduire similaire fonctionnalités de méthacrylamide en peptides, les méthodes d'analyse communs de détail pour évaluer l'efficacité de la fonctionnalisation, des suggestions pour le dépannage et les modifications avancées, et la démonstration de techniques typiques hydrogel de caractérisation.

La fonctionnalisation assistée par micro-ondes de poly (éthylène glycol) et peptides sur-résine pour l&#39;utilisation dans la polymérisation en chaîne et de la Formation hydrogel

Nous présentons la synthèse d'un hydrogel split-induite par une intéine de protéines. Les éléments constitutifs de cet hydrogel sont deux copolymères de protéines contenant chacun une sous-unité d'une protéine trimérique qui sert d'agent de réticulation et une moitié d'une intéine dissociée. Le mélange des deux copolymères de protéine déclenche une réaction de trans-épissage d'intéine, ce qui donne une unité de polypeptide qui s'auto-assemble en un hydrogel. Cet hydrogel est très stable au pH...

Synthèse d&#39;une protéine artificielle induite par une intéine Hydrogel

Nous décrivons un processus séquentiel pour la formation médiée par la lumière et la structuration biochimique ultérieure de matrices d’hydrogel synthétiques pour des applications de culture cellulaire tridimensionnelle. La construction et la modification d’hydrogels avec la chimie photoclic cytocompatible sont démontrées. De plus, des techniques simples pour quantifier et observer les modèles et déterminer la viabilité cellulaire au sein de ces hydrogels sont présentées.

Formation et Patterning Light-médiée hydrogels pour la culture cellulaire Applications

Différentes méthodes pour manipuler l’architecture tridimensionnelle en hydrogels à base de protéines sont évaluées ici en ce qui concerne les propriétés du matériau. Les réseaux macroporeux sont fonctionnalisés avec un peptide de la cellule-adhésif et leur faisabilité en culture cellulaire est évaluée à l’aide de deux lignées de cellules de modèle différent.

Manipulation facile des Architectures à base de protéines Hydrogels pour Applications de Culture de cellules

Dans cette méthode, nous utilisons la photopolymérisation et techniques chimie clic pour créer des motifs protéique ou peptidique sur la surface des hydrogels de polyéthylène glycol (PEG), fournissant immobilisée bioactifs signaux pour l’étude des réponses cellulaires in vitro .

Structuration des protéines bioactives ou Peptides sur Hydrogel utilisant photochimie pour Applications biologiques

Hydrogels d’ingénierie de protéines recombinantes sont avantageuses pour la culture cellulaire 3D car ils permettent accordabilité complète de l’épine dorsale de polymère et par conséquent, le microenvironnement cellulaire. Nous décrivons ici le processus de purification de protéine recombinante élastine et son application dans l’encapsulation de cellules 3D hydrogel.

Production de protéine élastine Hydrogels pour Encapsulation et immunomarquage des cellules en 3D

Ici, un protocole est présenté pour encapsuler et cultivant les cellules en poly(ethylene glycol) (PEG) hydrogels fonctionnalisés avec un fluorogène matrice métalloprotéinases (MMP)-peptide dégradable. MMP cellulaire et l’activité métabolique sont mesurées directement à partir de l’hydrogel de cultures à l’aide d’un lecteur de microplaques standard.

Mesure des métalloprotéinases de la matrice cellulaire Global et l’activité métabolique des Hydrogels 3D

Cet article décrit les protocoles de fabrication de microgel méthacryloyl à haut débit à l’aide de dispositifs microfluidiques, la conversion de microgels en poudre resuspension (micro-aérogels), l’assemblage chimique de microgels pour former des échafaudages d’hydrogel granulaires et le développement de bio-encres d’hydrogel granulaires avec microporosité préservée pour la bio-impression 3D.

Échafaudages d’hydrogel granulaire méthacryloyl de gélatine : fabrication de microgel à haut débit, lyophilisation, assemblage chimique et bio-impression 3D

Découvrez l'intégration de réactions de synthèse protéique acellulaire dans des hydrogels d'agarose à l'aide de lysats d'E. coli. Cette méthode permet de développer des dispositifs diagnostiques portables avec capacités de détection fluorescente.

Procédés d’intégration de réactions de synthèse de protéines acellulaires dans des hydrogels à l’échelle macroscopique

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