אופטימיזציה של השימוש של רובוט טיפול נוזלי לנהל גבוהה תפוקה קדימה כימי גנטיקה מסך של תודרנית לבנה
Summary
מסך תפוקה גבוהה של מולקולות קטנות סינתטי נערך על מודל צמח מינים, תודרנית לבנה. פרוטוקול זה, שפותח עבור רובוט טיפול בנוזלים, מגביר את המהירות של גנטיקה כימי קדמי מסכים, האצת גילוי הרומן מולקולות קטנות המשפיעים על פיזיולוגיה של הצמח.
Abstract
גנטיקה כימי יותר ויותר מתבצעים לפענח את תכונות בצמחים שעשויים להיות עקשניים על גנטיקה מסורתי הגן יתירות או הקטלניות. עם זאת, ההסתברות של מולקולה קטנה סינתטי להיות ביו היא נמוכה; לכן, אלפי מולקולות חייב להיבדק על מנת למצוא עניין. נוזלי טיפול רובוטיקה מערכות נועדו להתמודד עם מספר רב של דוגמאות, הגדלת המהירות שבה ספרייה כימיים יכולים להיות מוקרן בנוסף מזעור/סטנדרטיזציה של שגיאה. כדי להשיג מסך גנטיקה כימי קדימה תפוקה גבוהה של ספריה של 50,000 מולקולות קטנות על תודרנית לבנה (תודרנית), פרוטוקולים באמצעות נוזל רב-ערוצי ספסל-העליון טיפול רובוט פותחו הדורשים מינימלי טכנאי מעורבות. אותם פרוטוקולים, התגלו מולקולות קטנות 3,271 שגרם פנוטיפי שינויים הנראים לעין. תרכובות 1,563 המושרה שורשים קצרים, תרכובות 1,148 שינו צבע, תרכובות 383 גרם שורש השיער שינויים אחרים, שאינם-מחולק לקטגוריות, ואת תרכובות 177 עכבות נביטה.
Introduction
ב- 20 השנים האחרונות החוקרים בתחום ביולוגית הצמח עשו צעדים גדולים באמצעות גישות גנטיקה כימי, ויוצאים, שיפור ההבנה שלנו של דופן התא ביוסינטזה, שלד התא, הורמון ביוסינטזה והאיתות, gravitropism, פתוגנזה, ביוסינטזה פורין ו endomembrane סחר1,2,3,4,5. העסקת גנטיקה כימי קדימה טכניקות מאפשר זיהוי פנוטיפים עניין ומאפשר לחוקרים להבין את היסודות genotypic של תהליכים מסוימים. לעומת זאת, גנטיקה כימית הפוכה מחפש כימיקלים המקיימים אינטראקציה עם היעד שנקבע מראש חלבון6. תודרנית כבר בחוד החנית של תגליות אלה בביולוגיה צמח כי הגנום שלו הוא קטן, מיפוי, מבואר. יש לו זמן דור קצר, ויש מספר שורות חשבונאי/כתב זמין להקל על הזיהוי של חריגה מכונות subcellular7.
ישנם שני צווארי בקבוק גדול כי להאט התקדמות קדימה מסכי גנטי כימי הראשונית סינון, קביעת היעד של המתחם של ריבית8. מכשיר מרכזי להגדיל את המהירות של מולקולה קטנה הבחירה הוא השימוש אוטומציה, ציוד אוטומטי9. טיפול בנוזלים רובוטים היה אינסטרומנטלי שנסע התקדמות מדעי הביולוגיה10הינם כלי מצוין לטיפול ספריות גדולות של מולקולות קטנות. פרוטוקול המובאת כאן נועד להקל על צוואר הבקבוק המשויך תהליך המיון, הפעלת הזיהוי של מולקולות קטנות ביואקטיביות בקצב מהיר. טכניקה זו מקטינה את נטל העבודה ואת זמן מטעם המפעיל תוך כדי גם הפחתת העלות הכלכלית לחוקר עקרון.
עד כה, ספריות כימי רוב ניתח להחזיק בין תרכובות 10,000 ו- 20,000, חלקם עם כמה שיותר 150,000 וחלק עם כמה כמו 709,11,12,13,14, 15 , 16. פרוטוקול הציג במסמך זה יושם על ספריה מולקולה קטנה של תרכובות 50,000 (ראה טבלה של חומרים), אחד של הגנטיקה כימי קדמי גדול יותר מסכי תודרנית מתנהל על תאריך. פרוטוקול זה מתאים עם המגמה הנוכחית לקראת התייעלות ומהירות לגבי גנטיקה כימי קדימה, במיוחד כאשר זה נוגע גם גילוי קוטל עשבים, חרקים גילוי, פטריות לגלות, סמים גילוי, וביולוגיה סרטן17 ,18,19,20,21. למרות מיושמת כאן עם תודרנית, פרוטוקול זה, יכול בקלות להיות מותאם תרביות תאים, נבגים וחרקים שעלולים אפילו בינוני נוזלי בתוך 96, 384- או צלחות 1536-. טוב. בגלל גודלו הקטן, תודרנית הוא נוטה הקרנה ב- 96 צלחות היטב. עם זאת, הפצת זרעים באופן שווה בין וולס הוא אתגר. יד זריעה מדויקת אבל עבודה אינטנסיבית, למרות קיימים התקנים שנועדו לוותר על זרעים לוחות 96-ובכן, הם יקרים לרכוש. כאן, אנו מראים איך שלב זה אוכל מצויין עם רק הפסד קטן ברמת הדיוק.
המטרה הכוללת של שיטה זו היתה ההקרנה ספריה גדולה כימי נגד תודרנית יותר לניהול, מבלי להתפשר על דיוק, באמצעות השימוש של רובוט טיפול בנוזלים. השימוש בשיטה זו משפרת את היעילות של החוקר על ידי הפחתת לוקחים את הזמן כדי להשלים את סדרת דילול ראשוני וניהול במסכים הבאים פנוטיפי, המאפשר ויזואליזציה מהירה של דגימות תחת מיקרוסקופ ויבתר, ומהירה זיהוי של הרומן ביואקטיביות מולקולות קטנות. איור 1 מציג התוצאות של פרוטוקול זה מפתח ב- 4 שלבים.
איור 1: זרימת העבודה הכולל של המסך גנטיקה כימי קדימה. מבט כולל על פרוטוקול מכדי לתארו כמה פרטים עבור כל אחד השלבים המפתח 4. 1: קבלת הספרייה כימי, 2: ביצוע הספרייה דילול, 3: מכין את הצלחות הקרנת ו- 4: המקננת והצגה של הלוחות ההקרנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה תוכנן כדי לסייע לחוקרים שישותו מסך קדמי גנטיקה כימי על תודרנית. אנו מספקים תוצאות נציג ממסך של תרכובות 50,000 (איור 2 , איור 3), באחד המסכים הקדמיים גנטיקה כימי הגדול ביותר לבצע תודרנית עד כה9,13,23. השי…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים Jozsef החסידה, מיטשל ריצ’מונד, לג’רד Gollihue, אנדריאה סאנצ’ס לדיון ביקורתי ובונה. ד ר פרי Sharyn עבור הצילומים פנוטיפי. חומר זה מתבסס על עבודה הנתמכים על ידי הקרן הלאומית למדע תחת שיתופית הסכם מס 1355438.
Materials
| Keyboard | Local Provider | N/A | Used for protocol design and operating the Biomek FX |
| Mouse | Local Provider | N/A | Used for protocol design and operating the Biomek FX |
| Computer Screen | Local Provider | N/A | Used for protocol design and operating the Biomek FX |
| Computer | Local Provider | N/A | Used for protocol design and operating the Biomek FX |
| DIVERSet Diverse Screening Library | ChemBridge | N/A | Chemical library |
| Biomek Software | Beckman Coulter | N/A | Runs and designs the Biomek FX |
| Device Controller | Beckman Coulter | 719366 | Operates the water pump/tip washing station |
| Stacker Carousel Pendent | Beckman Coulter | 148240 | Manual operation of Biomek Stacker Carousel |
| Biomek Stacker Carousel | Beckman Coulter | 148520 | Rotary unit that houses all FX Stacker 10's |
| FX Stacker 10 | Beckman Coulter | 148522 | Elevator unit that houses components for screen |
| FX Stacker 10 | Beckman Coulter | 148522 | Elevator unit that houses components for screen |
| FX Stacker 10 | Beckman Coulter | 148522 | Elevator unit that houses components for screen |
| FX Stacker 10 | Beckman Coulter | 148522 | Elevator unit that houses components for screen |
| Biomek FX | Beckman Coulter | https://www.beckman.com/liquid-handlers | Robot that performs the desired operations |
| Accuframe | Artisan Technology Group | 76853-4 | Frames arm to place components corretly |
| Framing Fixture | Beckman Coulter | 719415 | Centers arm in the Accuframe |
| Multichannel Tip Wash ALP | Beckman Coulter | 719662 | Washes the tips after the ethanol bath |
| Tip Loader ALP | Beckman Coulter | 719356 | Pneumatically loads tips onto the arm |
| Air Compressor | Local Provider | N/A | Provides air for pneumatic tip loading |
| MasterFlex Console Drive | Cole-Parmer | 77200-65 | Pump used to circulate water through the Multichannel Tip Washer |
| Air Hose | Local Provider | N/A | Provides air from air compressor to Tip Loader |
| Water Hose | Local Provider | N/A | Provides water from 5 Gallon Reserviour to Tip Washer |
| Static ALP's | Beckman Coulter | Comes with Biomek FX | Supports equipment for the Screen |
| 5 Gallon Reserviour | Local Provider | N/A | Recirculates the dirty water from cleaning the tips |
| Grippers | Beckman Coulter | Comes with Biomek FX | Grabs and moves the equipment to the correct places |
| 96-Channel 200 µL Head | Beckman Coulter | Comes with Biomek FX | Holds the 96 tips used within the screen |
| AP96 P200 Pipette Tips | Beckman Coulter | 717251 | Used to make the screening library |
| 96 Well Flat Bottom Plate | Costar | 9018 | Aids in visulization of screen |
| 96 Well V-Bottom Plate | Costar | 3897 | Aids in storing of dilution library |
| AlumaSeal 96 Sealing Film | MedSci | F-96-100 | Seals for storage both the chemicle library and dilution library |
| Plastic ziplock sandwich bags | Local Provider | N/A | Used to ensure a humid environment for screen |
| AP96 P20 Pipette Tips | Beckman Coulter | 717254 | Used in the dilution library creation |
| Growth Chamber | Percival | AR36L3 | Germinates seeds for phenotypic visulization |
| Spatula | Local Provider | N/A | Holds seeds to add into wells where liquid seeding failed seed adequatly |
| Toothpick | Local Provider | N/A | Pushes seeds from spatula to wells |
| Murashige and Skoog Basal Salt Mixture | PhytoTechnology Laboratories | M524 | Add to MS media mixture |
| MES Free Acid Monohydrate | Fisher Scientific | ICN19483580 | Added to MS media to decrease pH |
| Agar Powder | Alfa Aesar | 9002-18-0 | Increases thickness of media to support seed suspension |
| 5M KOH | Sigma-Aldrich | 484016 | Increases pH to adequate levels |
| 1L Media Storage Bottle | Corning | 1395-1L | Holds enough media for a screen |
| Polypropylene Centrifuge Tubes | Corning | 431470 | Sterilizes seeds prior to vernilization |
| pH Probe | Davis Instruments | YX-58825-26 | Used for making media |
| ALPs (Automated Labware Positioners) Users Manual | Beckman Coulter | PN 987836 | Aids in setting up the accompaning equipment for the Biomek FX |
| Biomek 2000 Stacker Carousel Users Guide | Beckman Coulter | 609862-AA | Aids in setting up the Stacker Carousel |
| Biomek FX and FXP Laboratory Automation Workstations Users Manual | Beckman Coulter | PN 987834 | Used to frame the Multichannel Pod |
| Biomek FXP Laboratory Automation Workstation Customer Startup Guide | Beckman Coulter | PN B32335AB | Used to aid in setting up the Biomek FX |
| Biomek Software User's Manual | Beckman Coulter | PN 987835 | Used to set up and understand the Software |
References
- Blackwell, H. E., Zhao, Y. Chemical genetic approaches to plant biology. Plant Physiol. 133 (2), 448-455 (2003).
- Dejonghe, W., Russinova, E. Plant chemical genetics: From phenotype-based screens to synthetic biology. Plant Physiol. 174 (1), 5-20 (2017).
- McCourt, P., Desveaux, D. Plant chemical genetics. New Phytol. 185 (1), 15-26 (2010).
- Lumba, S., Cutler, S., McCourt, P. Plant nuclear hormone receptors: A role for small molecules in protein-protein interactions. Annu Rev Cell Dev Biol. 26, 445-469 (2010).
- Hicks, G. R., Raikhel, N. Opportunities and challenges in plant chemical biology. Nat Chem Biol. 5 (5), 268-272 (2009).
- De Rybel, B., et al. A role for the root cap in root branching revealed by the non-auxin probe naxillin. Nat Chem Biol. 8 (9), 798-805 (2012).
- Koornneef, M., Meinke, D. The development of Arabidopsis as a model plant. Plant J. 61 (6), 909-921 (2010).
- Serrano, M., Kombrink, E., Meesters, C. Considerations for designing chemical screening strategies in plant biology. Front Plant Sci. 6, 131 (2015).
- Yoshitani, N., et al. A structure-based strategy for discovery of small ligands binding to functionally unknown proteins: Combination of in silico screening and surface plasmon resonance measurements. Proteomics. 5 (6), 1472-1480 (2005).
- Macarron, R., et al. Impact of high-throughput screening in biomedical research. Nat Rev Drug Discov. 10 (3), 188-195 (2011).
- DeBolt, S., et al. Morlin, an inhibitor of cortical microtubule dynamics and cellulose synthase movement. Proc Natl Acad Sci U S A. 104 (14), 5854-5859 (2007).
- Christian, M., Hannah, W. B., Luthen, H., Jones, A. M. Identification of auxins by a chemical genomics approach. J Exp Bot. 59 (10), 2757-2767 (2008).
- Drakakaki, G., et al. Clusters of bioactive compounds target dynamic endomembrane networks in vivo. PNAS. 108 (43), 17850-17855 (2011).
- Armstrong, J. I., Yuan, S., Dale, J. M., Tanner, V. N., Theologis, A. Identification of inhibitors of auxin transcriptional activation by means of chemical genetics in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (41), 14978-14983 (2004).
- Brown, L. A., et al. A small molecule with differential effects on the PTS1 and PTS2 peroxisome matrix import pathways. Plant J. 65 (6), 980-990 (2011).
- De Rybel, B., et al. Chemical inhibition of a subset of Arabidopsis thaliana GSK3-like kinases activates brassinosteroid signaling. Chem Biol. 16 (6), 594-604 (2009).
- Arkin, M. R., Tang, Y., Wells, J. A. Small-molecule inhibitors of protein-protein interactions: progressing toward the reality. Chem Biol. 21 (9), 1102-1114 (2014).
- St Onge, R., Schlecht, U., Scharfe, C., Evangelista, M. Forward chemical genetics in yeast for discovery of chemical probes targeting metabolism. Molecules. 17 (11), 13098-13115 (2012).
- Vassilev, L. T., et al. In vivo activation of the p53 pathway by small-molecule antagonists of MDM2. Science. 303 (5659), 844-848 (2004).
- Zhao, Y., et al. Chemical genetic interrogation of natural variation uncovers a molecule that is glycoactivated. Nat Chem Biol. 3 (11), 716-721 (2007).
- Walsh, T. A. The emerging field of chemical genetics: Potential applications for pesticide discovery. Pest Manag Sci. 63 (12), 1165-1171 (2007).
- . Seed Handling Available from: https://abrc.osu.edu/seed-handling (2013)
- Knoth, C., Salus, M. S., Girke, T., Eulgem, T. The synthetic elicitor 3,5-dichloroanthranilic acid induces NPR1-dependent and NPR1-independent mechanisms of disease resistance in Arabidopsis. Plant Physiol. 150 (1), 333-347 (2009).
- Conway, M. K., et al. Scalable 96-well Plate based iPSC culture and production using a robotic liquid handling system. J Vis Exp. , (2015).
- Daniszewski, M., et al. Automated cell culture systems and their applications to human pluripotent stem cell studies. SLAS Technol. , (2017).
- Popa-Burke, I., Russell, J. Compound precipitation in high-concentration DMSO solutions. J Biomol Screen. 19 (9), 1302-1308 (2014).
- Partridge, F. A., et al. An automated high-throughput system for phenotypic screening of chemical libraries on C. elegans and parasitic nematodes. Cold Spring Harb Protoc. , (2017).
