プログラム可能な材料とのインタフェースリビング細胞を操作するために合成生物学を使用して、
Summary
本論文では、遺伝子操作された細胞およびプログラマブル材料表面を制御し、操作するために、合成遺伝子操作大腸菌を有効に官能基化表面を開発するための一連のプロトコルを提示します。
Abstract
私たちは、操作された細胞は、官能面の材料特性を制御することを可能にする非生物的・生物インタフェースを開発しました。 大腸菌細胞の合成的に操作された株と官能物質界面このシステムは、二つのモジュールを作成することによって行われます。この論文の中で、私たちの詳細遺伝的分子クローニング戦略を用いて、 大腸菌株内で選択行動を操作するためのプロトコル。化学誘導物質にさらされたときに一度開発し、この株はビオチンのレベルの上昇を生成します。セル合成ビオチンに応答することができ、それぞれが2つの異なる官能化表面を作成するために加え、我々詳細プロトコル。まとめると、我々が操作された細胞は、非生物の基板上に材料組成およびアセンブリを制御することを可能にリンクされ、非生物的・生物システムを作成するための方法論を提示します。
Introduction
ここでは、操作された細胞株からの化学信号に応答することができるプログラム可能な基板を開発するための手順を報告しています。 1我々は、合成的に操作された大腸菌（E. coli）細胞によって産生されるビオチンに応答ビオチン-ストレプトアビジンのインタフェースを作成することによってこれを行います。以前は、プログラム可能な表面は、毒素検出2と防衛・安全保障へのポイントオブケア診断3からのアプリケーションの広い範囲のために設計されています。プログラム可能な表面は、センサやアクチュエータとして有用であり得る4が、それらは異なる環境課題に適応する能力でそれらを持たせることにより、「よりスマート」にすることができます。対照的に、 大腸菌なども簡単な微生物は、固有の適応性を有しており、洗練された、多くの場合、予期しない溶液でのチャレンジに応答することが可能です。この適応性は、Eを有効にしていますその複雑な遺伝子ネットワークによって制御される大腸菌集団は、費用対効果的にするために資源を求め、5は高付加価値製品、6、さらには電力マイクロスケールのロボットを作成します。 7プログラム可能な表面の使用で生細胞の適応の利点を結合することによって、我々は、異なる環境条件に対応できるスマートな基板を作成することができます。
合成生物学は生物の動作をプログラムするために研究者に新しい能力を与えています。新しい遺伝子調節ネットワークを含むように細胞を操作することによって、研究者は、プログラムされた行動の範囲を示す細胞を設計することができます。 図8に示すように 、基礎研究を超えて9、これらの行動は、このような材料のアセンブリを制御し、生物学的に付加価値製品を製造するような用途に使用することができます。我々はアンに合成生物学のツールを使用する方法10ここで、私たちの詳細誘導時にビオチンを合成する大腸菌株をgineer。この株は、プラスミド、pKE1-のlacI-のbioBを組み立てるために、制限酵素クローニング法を使用して開発されました。このプラスミドは、 大腸菌 K-12株MG1655に形質転換されたときに、bioBのレベルの上昇を発現する能力、ビオチン合成に必須の酵素で細胞を付与します。形質転換された細胞は、イソプロピルβ-D-1-チオガラクトピラノシド（IPTG）で誘導し、ビオチン前駆体、デスチオビオチン（DTB）で提供された場合には、ビオチンのレベルの上昇を作製しました。
ストレプトアビジンとビオチンの結合相互作用は、自然界に見られる最も強い非共有結合の一つです。このように、ビオチン – ストレプトアビジン相互作用は、両方のよく特徴付けられ、非常にバイオテクノロジーに採用します。 図11は、この原稿の中で、我々は、官能表面と細胞産生ビオチンを感知し、検出するために、ビオチン-ストレプトアビジン相互作用を利用する2つの戦略を提示します。我々「間接的」と「直接」の制御方式として、これらの対照的な面を参照してください。間接的な制御方式では、セル生産ビオチンコンジュゲートとの結合部位をストレプトアビジンポリスチレン表面上に固定化されたビオチンと競合します。また、ストレプトアビジン西洋ワサビペルオキシダーゼ（HRP）とコンジュゲートされています。 HRPは3、3 '、5、5'-テトラメチルベンジジン（TMB）は、450nmで（OD 450）での分光吸光度（ すなわち 、光学密度）を定量することによってモニターすることができる光信号12を生成するように修正します。このように、間接的な制御方式は、研究者がOD 450信号のattentuationを監視することにより、細胞産生ビオチンを測定することができます。
直接制御方式は、材料表面に直接ストレプトアビジンを固定化し、結合部位をストレプトアビジンのために競争するために、セル生産ビオチンおよびビオチン化HRPを可能にすることにより、ストレプトアビジン – ビオチンイベントを利用します。ここでも、細胞産生ビオチンの相対レベルは、OD 450の信号を測定することによって監視されています。
まとめると、遺伝子操作された細胞と官能基化表面は、私たちが生きている細胞内でネットワークを誘導することによって、プログラム可能な表面の特性を制御することができます。言い換えれば、私たちは一緒に、これらのシステムを連携することにより操作材料界面の生物の適応性と信頼性と仕様を活用するシステムを作成しました。
Protocol
Representative Results
Discussion
私たちは、官能材料表面との生活設計された細胞をインタフェースするための新たな戦略を提示しています。これは、IPTGで誘導した場合に、ビオチンの上昇したレベルを合成することができる細胞株を開発することによって達成されました。ビオチンの上昇したレベルは、その後、官能化された表面を修飾するために使用することができます。プロトコルは、 大腸菌細胞株を操作す?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者は感謝して、米国の科学研究の空軍オフィスから受賞FA9550-13-1-0108からの支援を認めます。著者はさらに、米国の海軍研究局から表彰N00014-15-1-2502からバージニア工科大学での重要な技術と応用科学研究所から、国立科学財団大学院研究からの資金を支援を認めますフェローシッププログラム、受賞番号1607310。
Materials
| LB Broth, Miller | Fisher Scientific | 12-795-027 | |
| Agar | Fisher Scientific | BP9744500 | |
| Carbenicillin | Fisher Scientific | BP26481 | |
| M9, Minimimal Salts, 5X | Sigma-Aldrich | M6030 | |
| Casamino Acids | Fisher Scientific | BP1424-100 | |
| Magnesium Sulfate, Anhydrous | Fisher Scientific | M65-500 | |
| Calcium Chloride, Dihydrate | Fisher Scientific | C79-500 | |
| Dextrose (D-Glucose), Anhydrous | Fisher Scientific | D16-1 | |
| NEB Turbo Cell Line | New England Biolabs | C2984l | |
| Oligonucleotide Primers | Thermo Fisher Scientific | N/A | 25N synthesis, DSL purification |
| Q5 High-Fidelity Polymerase | New England Biolabs | M0491S | |
| Q5 Reaction Buffer | New England Biolabs | B9027S | |
| dNTP Solution Mix | New England Biolabs | N0447S | |
| Agarose | Bioexpress | E-3120-125 | |
| Ethidium Bromide, 1% | Fisher Scientific | BP1302-10 | |
| Gel Extraction Kits | Epoch Biolabs | 2260250 | |
| GenCatch Plasmid DNA Miniprep Kit | Epoch Biolabs | 2160250 | |
| AatII | New England Biolabs | R0117S | |
| SacII | New England Biolabs | R0157S | |
| HindIII-HF | New England Biolabs | R3104S | |
| EcoRI-HF | New England Biolabs | R3101S | |
| Cutsmart Buffer | New England Biolabs | B7204S | |
| T4 DNA Ligase | New England Biolabs | M0202S | |
| T4 DNA Ligase Reaction Buffer | New England Biolabs | B0202S | |
| ColiRolle Glass Plating Beads | EMD Millipore | 7101-3 | |
| Glycerol | Fisher Scientific | BP229-1 | |
| Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Fisher Scientific | BP1755-10 | |
| NHS-Desthiobiotin (DTB) | Thermo Fisher Scientific | 16129 | |
| Succinimidyl Trans-4-(maleimidylmethyl) Cyclohexane-1-Carboxylate (SMCC) | Thermo Fisher Scientific | S1534 | |
| Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | BP231-100 | |
| Succinimidyl 3-(2-pyridyldithio) Propionate (SPDP) | Thermo Fisher Scientific | S1531 | |
| NHS-LC-LC-biotin | Thermo Fisher Scientific | 21343 | |
| Horseradish Peroxidase (HRP) | Thermo Fisher Scientific | 31490 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS), 10X Solution | Fisher Scientific | BP399500 | |
| Streptavidin (SA) | Thermo Fisher Scientific | 21145 | |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Fisher Scientific | BP1600-100 | |
| Dithiothreitol (DTT) | Fisher Scientific | BP172-5 | |
| Ethylenediaminetetaacetic acid (EDTA) | Fisher Scientific | S311-500 | |
| Tween 80 | Fisher Scientific | T164-500 | |
| Hydrogen Peroxide | Fisher Scientific | H325-4 | |
| 3, 3', 5, 5'-tetramethylbenzidine (TMB) | Fisher Scientific | AC229280050 | |
| Vivaspin 500 Centrifugal Concentrators | Viva Products | VS0192 | |
| Sodium Acetate, Anhydrous | Fisher Scientific | BP333-500 | |
| 96-Well Polystyrene Plates | Thermo Fisher Scientific | 266120 |
References
- Zhang, R., Heyde, K. C., Scott, F. Y., Paek, S. -. H., Ruder, W. C. Programming Surface Chemistry with Engineered Cells. ACS Synth. Biol. , (2016).
- Zhou, X., et al. Reduced graphene oxide films used as matrix of MALDI-TOF-MS for detection of octachlorodibenzo-p-dioxin. Chem. Commun. 46, 6974-6976 (2010).
- Pardee, K., et al. Low-Cost Detection of Zika Virus Using Programmable Biomolecular Components. Cell. 165, 1255-1266 (2016).
- Bähring, S., et al. Design and Sensing Properties of a Self-Assembled Supramolecular Oligomer. Chem. Eur. J. 22, 1958-1967 (2016).
- Nicolau Jr, D. V., Armitage, J. P., Maini, P. K. Directional persistence and the optimality of run-and-tumble chemotaxis. Comp. Biol. Chem. 33, 269-274 (2009).
- Du, J., Shao, Z., Zhao, H. Engineering microbial factories for synthesis of value-added products. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 38, 873-890 (2011).
- Kim, H., Kim, M. J. Electric Field Control of Bacteria-Powered Microrobots Using a Static Obstacle Avoidance Algorithm. IEEE Trans. Rob. 32, 125-137 (2016).
- Gardner, T. S., Cantor, C. R., Collins, J. J. Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature. 403, 339-342 (2000).
- Heyde, K. C., Ruder, W. C. Exploring Host-Microbiome Interactions using an in Silico Model of Biomimetic Robots and Engineered Living Cells. Sci. Rep. 5, 11988 (2015).
- Rice, M. K., Ruder, W. C. Creating biological nanomaterials using synthetic biology. Sci. Tech. Adv. Mater. 15, 014401 (2014).
- Green, N. M. Avidin. 3. The nature of the biotin-binding site. Biochem. J. 89, 599-609 (1963).
- Mesulam, M. M. Tetramethyl benzidine for horseradish peroxidase neurohistochemistry: a non-carcinogenic blue reaction product with superior sensitivity for visualizing neural afferents and efferents. J Histochem. Cytochem. 26, 106-117 (1978).
- Litcofsky, K. D., Afeyan, R. B., Krom, R. J., Khalil, A. S., Collins, J. J. Iterative plug-and-play methodology for constructing and modifying synthetic gene networks. Nat. Meth. 9, 1077-1080 (2012).
- Gibson, D. G., et al. Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome. Science. 319, 1215-1220 (2008).
- Diamandis, E. P., Christopoulos, T. K. The biotin-(strept)avidin system: principles and applications in biotechnology. Clin. Chem. 37, 625-636 (1991).
- Nerurkar, L. S., Namba, M., Brashears, G., Jacob, A. J., Lee, Y. J., Sever, J., L, Rapid detection of herpes simplex virus in clinical specimens by use of capture biotin-streptavidin enzyme-linked immunosorbent assay. J. Clin. Micro. 20, 109-114 (1984).
- Cui, Y., Wei, Q., Park, H., Lieber, C. M. Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species. Science. 293, 1289-1292 (2001).
