Массив капли Femtoliter для массивно параллельного синтеза белка от одиночных молекул дна
Summary
Общая цель протокола состоит в том, чтобы подготовить более миллиона упорядоченных, однородных, стабильных и биокомсуатимных капель фемтолитров на 1 см2 планарного субстрата, который может быть использован для синтеза белка без клеток.
Abstract
Достижения в области пространственного разрешения и чувствительность к обнаружению научных приборов позволяют применять небольшие реакторы для биологических и химических исследований. Чтобы удовлетворить спрос на высокопроизводительные микрореакторы, мы разработали устройство для капель femtoliter (FemDA) и стали примером его применения в массово параллельных реакциях на синтез белка без клеток (CFPS). Более одного миллиона однородных капель были легко сгенерированы в области размером с палец с помощью двухступенчатого протокола уплотнения масла. Каждая капля была поставлена на якорь в микрохоморе femtoliter, состоящей из гидрофильных дна и гидрофобной боковины. Гибридная гидрофильная в гидрофобной структуре и выделенные герметичные масла и сурфаканты имеют решающее значение для стабильного сохранения эффективного раствора в пространстве фемтолитров без потери испарения. Конфигурация фемтолитров и простая структура устройства FemDA позволили минимальное потребление реагентов. Равномерное измерение капельных реакторов сделало крупномасштабные количественные и временные измерения убедительными и надежными. Технология FemDA соотнесла выход белка реакции CFPS с количеством молекул ДНК в каждой капле. Мы упростили процедуры микрофабрики устройства, формирования капель фемтолитров, а также приобретения и анализа микроскопических данных изображения. Подробный протокол с оптимизированной низкой стоимостью работы делает технологию FemDA доступной для всех, кто имеет стандартные помещения для очистки и обычный флуоресценционный микроскоп на своем месте.
Introduction
Исследователи используют реакторы для проведения би/химических реакций. Предпринимаются значительные усилия по уменьшению размеров реактора и увеличению экспериментальной пропускной способности в целях снижения потребления реагентов при одновременном повышении эффективности работы. Оба аспекта направлены на освобождение исследователей от большой нагрузки, снижение затрат и ускорение научных исследований и разработок. У нас есть четкая историческая дорожная карта о развитии реакторных технологий с точки зрения объемов реакции и пропускной способности: одиночные стаканы/колба/тест-трубы, миллилитровые трубки, микролитровые трубки, микролитр 8-трубчатые полоски, микролитр 96/384/1536-ну пластины, и микрофлуидные нанолитые/пиколитр/фемтотир реакторы1,2,,3,4,5,6,7. По аналогии с сокращением размера функции транзисторов на интегральных микросхемах в полупроводниковой промышленности в последние десятилетия, био/химические микрореакторы проходят через сокращение объема и системную интеграцию. Такие мелкомасштабные инструменты оказали глубокое влияние на клеточной или клеточной синтетической биологии, биоучтумагажества, и высокой пропускной способности прототипирования и скрининга8,9,10,11,12. В этой статье описаны наши недавние усилия по разработке уникальной технологии массива капель и демонстрирует его применение в CFPS13, фундаментальной технологии для синтетической биологии и молекулярного скрининга сообществ14. В частности, мы намеренно предоставляем оптимизированный и недорогой протокол, чтобы сделать устройство FemDA доступным для всех. Недорогой и простой в обращении протокол для миниатюрного устройства будет способствовать образовательным целям университетов и поможет распространению технологии.
FemDA готовит капли фемтолитров при сверхвысокой плотности 106 на 1 см2 на планарном стеклянном субстрате. Мы покрыли гидрофобный полимер, CYTOP15, на стеклянном субстрате и выборочно травления (удалены) CYTOP на предопределенных позициях для создания микропамббер массива на субстрате. Таким образом, полученная микрохожная находится в гидрофобной боковине (CYTOP) и гидрофильной нижней (стеклянной). При последовательном течет вода и масло по узорной поверхности, вода может быть захвачена и запечатана в микрочастам. Гидрофильные в гидрофобной структуре имеет жизненно важное значение для отражения воды за пределами микрокамберов, изоляции отдельных микрореакторов и сохранения крошечного aqueous раствора внутри пространства фемторитера. Уникальное свойство было успешно применено для подготовки капель в масле и липидных биспаретов16,,17. По сравнению с прототипом устройства16,мы сначала оптимизировали процесс микрофабрикации, чтобы реализовать полное удаление полимера CYTOP, а также полную экспозицию дна стекла. CYTOP является специальным фторполимером с чрезвычайно низким поверхностным натяживанием (19 мн/м) ниже, чем у обычных микрореакторных материалов, таких как стекло, пластмассы и силикон. Его хорошие оптические, электрические и химические характеристики уже были использованы в поверхностной обработке микрофлюидных устройств18,,19,20,,21,,22,23,24. В системе FemDA, для достижения хорошего смачивания нефти на поверхности CYTOP, поверхностное натяжение масла должно быть ниже, чем у твердой поверхности25. В противном случае жидкое масло, соприкасающееся с твердой поверхностью, имеет тенденцию становиться сферическим, а не распространяется по поверхности. Кроме того, мы обнаружили, что некоторые популярные перфторуглеродные масла (например, 3М ФК-40)16 и гидрофторетерные масла (например, серия 3M Novec) могут растворить CYTOP в результате аморфной морфологии CYTOP, которая является фатальной для количественного измерения и будет сомнительной с точки зрения перекрестного загрязнения среди капель. К счастью, мы определили биосовместимые и экологически чистые масла, демонстрирующие более низкое (Зтт; 19 мН/м) поверхностное натяжение13. Мы также нашли новый сурфактант, который может растворяться в выбранном масле и функционировать в низкой концентрации (0,1%, по крайней мере в 10 раз ниже, чем ранее сообщалось популярных26,27)13. Полученный интерфейс воды/масла может быть стабилизирован сурфактантом. Из-за высокой скорости испарения масла, после заподлицо с маслом, мы применили другое биосовместимое и экологически чистое масло, чтобы заменить первое, чтобы запечатать микрочабры. Мы называем первое масло (ASAHIKLIN AE-3000 с 0,1 WT % SURFLON S-386) «флеш-маслом», а второе масло (Fomblin Y25) «уплотниющим маслом», соответственно.
Двухступенчатая стратегия уплотнения масла может реализовать надежное формирование массива капли femtoliter в течение нескольких минут и без сложных приборов. Из-за проблемы испарения, было сочтено сложным для создания микрореакторов меньше, чем пиколитикон объемов28. FemDA рассмотрела этот вопрос путем систематической оптимизации материалов и процессов, используемых для подготовки микрореакторов/капель. Некоторые примечательные особенности результирующей капли включают высокую однородность (или монодисперсность), стабильность и биосовместимость в масштабе фемтолитров. Коэффициент вариации (CV) объема капель составляет всего 3% (без коррекции виньетирования для микроскопических изображений), наименьшее резюме среди капельных платформ в мире, которое обеспечивает высоко параллельные и количественные измерения. Капли фемтолитров стабильны в течение по крайней мере 24 часов без перекрестного загрязнения среди капель при комнатной температуре, что ценно для надежного измерения времени курса. Что касается биосовместимости, нам удалось синтезировать различные белки из одной копии шаблона ДНК в капли фемтолитров, которые ранее считались трудными или неэффективными29,30. Было бы достойно выяснить, почему некоторые белки, способные быть синтезированы в FemDA не могут быть синтезированы в других системах капель. FemDA не только технический прогресс, но и реализован беспрецедентно количественные измерения, которые могут соотнести выход белка (как это отражено интенсивностью флуоресценции капель) на количество шаблонных молекул ДНК в каждой капельке. В результате гистограмма интенсивности флуоресценции капель от CFPS на основе FemDA показала дискретное распределение, которое может быть красиво установлено на сумму гауссианской дистрибутивов равных интервалов пик-пик- до пика. Кроме того, вероятность возникновения капель, содержащих разные числа молекул ДНК, идеально подходила для распределенияПуассона 31. Таким образом, различные урожаи белка в каждой капле могут быть нормализованы на основе дискретного распределения. Эта важная функция позволяет отделить информацию о ферментативной активности от очевидной интенсивности, которая еще не была доступна с другими платформами микрореакторов. Существующие микрофлюидные клетки / капли сортировок системы квалифицированы в полностью автоматической сортировки и хорошо концентрировать образцы, но иногда может только выход относительно широкий или длиннохвостый гистограмма в аналитическом аспекте32,33. Наша высококолическая и биосовместимая система FemDA устанавливает новый эталон и высокий аналитический стандарт в области разработки микрореакторов.
Масла и сурфактанты, которые могут быть использованы для приготовления капель по-прежнему очень ограничены34. Сочетание ASAHIKLIN AE-3000 и SURFLON S-386, созданного в FemDA, является новым членом растущего арсенала физиохимического интерфейса между аквеимой фазой и фазой13масла. Новый интерфейс в FemDA физически стабилен, химически инертен и биологически совместим со сложной транскрипцией, переводом и посттранстрансловальной модификацией для многих видов белков13. Было бы довольно привлекательным, чтобы найти белок, который не может быть синтезирован в настройках капель вместо. Кроме того, экономия реагентов более очевидна в системе капель фемтотир, чем в нанолитых и пиколитовых реакторных системах35,,36. В частности, часто будет большой мертвый объем, который в основном вызван трубами или внешними поставками, в системах генерации капель микрофлюид, но не в нашей FemDA. Формат массива также благоприятствует повторной и подробной микроскопической характеристике (по аналогии с так называемым анализом высокого содержания) для каждого реактора37,а не только одним моментальным снимком для быстро движущегося объекта. Масштаб фемторитера позволил интегрировать более одного миллиона реакторов на площади размером с палец, в то время как такое же количество реакторов нанолилитров (если она существует) требует площади более квадратного метра, что, несомненно, было бы нецелесообразно производить или использовать такую систему.
Protocol
Representative Results
Discussion
Высококоличественное измерение, основанное на высоко однородной, стабильной и биосовместимых каплях в FemDA, позволило дискретное распределение, уникальная особенность нашего исследования, отличающаяся от других. Мы систематически оптимизировали и подробно описали процессы микрофабр…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана JSPS KAKENHI грантовый номер JP18K14260 и бюджет Японского агентства по морской науке и технике. Мы благодарим Сигэру Дегучи (JAMSTEC) и Tetsuro Ikuta (JAMSTEC) за предоставление объектов по характеристике. Мы благодарим Кена Такаи (JAMSTEC) за коммерческую поддержку программного обеспечения. Микрофабрикация была проведена в Такеда Sentanchi Supercleanroom, Университет Токио, при поддержке “Нанотехнологии Платформа программа” Министерства образования, культуры, спорта, науки и техники (MEXT), Япония, Грант номер JPMXP09F19UT0087.
Materials
| (3-aminopropyl)triethoxysilane | Sigma-Aldrich | 440140 | |
| 1 mL syringe | Terumo | SS-01T | |
| 2-propanol | Kanto Chemical | EL grade | EL: for electronic use. |
| 3D laser scanning confocal microscope | Lasertec | OPTELICS HYBRID | Other similar microscopes (e.g., Keyence VK-X1000, Olympus LEXT OLS5000) are also applicable. |
| 50 mL syringe | Terumo | SS-50LZ | |
| 6,8-difluoro-4-methylumbelliferyl phosphate | Thermo Fisher Scientific | D6567 | Prepare a 5 mM stock solution in dimethyl sulfoxide |
| Acetone | Kanto Chemical | EL grade | EL: for electronic use. Purity 99.8%. |
| Air blower | Hozan | Z-263 | |
| Aluminum block | BIO-BIK | AB-24M-02 | |
| Aluminum microtube stand | BIO-BIK | AB-136C | |
| ASAHIKLIN AE-3000 | AGC | (Test sample) | Free test sample may be available upon inquiry to AGC. |
| BEMCOT PS-2 wiper | Ozu | 028208 | |
| Biopsy punch with plunger | Kai | BPP-10F | |
| Cover glass | Matsunami Glass | No. 1 (24 mm × 32 mm, 0.13~0.17 mm thickness) | Size-customized. |
| Cover glass staining rack | Nakayama | 803-131-11 | |
| CRECIA TechnoWipe clean wiper | Nippon Paper Crecia | C100-M | |
| Cutting mat | GE Healthcare | WB100020 | |
| CYTOP | AGC | CTL-816AP | |
| Deaeration mixer | Thinky | AR-100 | |
| Desktop cutter | Roland | STIKA SV-8 | |
| Developer | AZ Electronic Materials | AZ 300 MIF | AZ Electronic Materials was now acquired by Merck. Other alkaline developers may be also applicable but should require optimization of development conditions (time, temperature, etc.) |
| Double-coated adhesive Kapton film tape | Teraoka Seisakusho | 7602 #25 | |
| Ethanol | Kanto Chemical | EL grade | EL: for electronic use. Purity 99.5%. |
| Fiji | Version: ImageJ 1.51n | ||
| Flat-cable cutter | Tokyo-IDEAL | MT-0100 | |
| Fomblin oil | Solvay | Y25, or Y25/6 | Free test sample may be available upon inquiry to Solvay. Fomblin Y25/6 is an alternative if Y25 is not readily available. |
| Hot plate | AS ONE | TH-900 | |
| Injection needle | Terumo | NN-2270C | 22G × 70 mm |
| Inverted fluorescence microscope | Nikon | Eclipse Ti-E | Epifluorescence specification, CCD or sCMOS camera, motorized stage, autofocus system, and high NA objective lens are required. |
| KaleidaGraph | Synergy | Version: 4.5 | |
| Mask aligner | SUSS | MA-6 | Other mask aligners are also applicable as long as the vacuum contact mode is avaliable. |
| MICROMAN pipette | GILSON | E M250E | Capillary piston tip: CP250 |
| Microsoft Excel | Microsoft | Version: 16.16.15 | |
| Mini vacuum chamber | AS ONE | MVP-100MV | |
| Nuclease-free water | NIPPON GENE | 316-90101 | |
| Parafilm | Amcor | PM-996 | |
| PCR tube | NIPPON Genetics | FG-021D/SP | |
| Petri dish | AS ONE | GD90-15 | Diameter 90 mm, height 15 mm. |
| Photoresist | AZ Electronic Materials | AZ P4903 | AZ Electronic Materials was now acquired by Merck. AZ P4620 is an alternative. |
| Plate reader | BioTek | POWERSCAN HT | |
| Polyethelene gloves | AS ONE | 6-896-02 | Trade name: Saniment. |
| PURExpress in vitro protein synthesis kit | New England Biolabs | E6800S or E6800L | For cell-free protein synthesis reaction. |
| Reactive-ion etching system | Samco | RIE-10NR | Other RIE systems are also applicable but should require optimization of RIE conditions (gas flow rate, chamber pressure, RF power, etching time, etc.) |
| RNase inhibitor | New England Biolabs | M0314S | |
| Scotch tape | 3M | 810-1-18D | |
| Sodium hydroxide solution | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 194-09575 | 8 M concentration; danger. |
| Spin coater | Oshigane | SC-308 | |
| SURFLON S-386 surfactant | AGC | (Test sample) | Free test sample may be available upon inquiry to AGC. |
| SYLGARD 184 silicone elastomer | Dow | Sylgard184 | Chemical composition: polydimethylsiloxane. The default mixing ratio is base : curing agent = 10 : 1 (m/m). |
| Tweezers | Ideal-tek | 2WF.SA.1 2A |
|
| Ultrasonic cleaner | AS ONE | ASU-2M | |
| Vacuum chuck | Oshigane | (Customized) | Material: delrin; rectangular sample stage with multiple holes (48 holes, each with 1 mm diameter); the size is customzied to fit the size of the cover glass (24 mm × 32 mm). |
Referências
- Chiu, D. T., Lorenz, R. M., Jeffries, G. D. M. Droplets for ultrasmall-volume analysis. Analytical Chemistry. 81 (13), 5111-5118 (2009).
- Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77 (3), 977-1026 (2005).
- Guo, M. T., Rotem, A., Heyman, J. A., Weitz, D. A. Droplet microfluidics for high-throughput biological assays. Lab on a Chip. 12 (12), 2146-2155 (2012).
- Zhu, P. A., Wang, L. Q. Passive and active droplet generation with microfluidics: a review. Lab on a Chip. 17 (1), 34-75 (2017).
- Griffiths, A. D., Tawfik, D. S. Miniaturising the laboratory in emulsion droplets. Trends in Biotechnology. 24 (9), 395-402 (2006).
- Tran, T. M., Lan, F., Thompson, C. S., Abate, A. R. From tubes to drops: droplet-based microfluidics for ultrahigh-throughput biology. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (11), 114004 (2013).
- Zhang, Y., Jiang, X., Fan, C. Microfluidic tools for DNA analysis. DNA Nanotechnology. , 113-153 (2013).
- Dubuc, E., et al. Cell-free microcompartmentalised transcription-translation for the prototyping of synthetic communication networks. Current Opinion in Biotechnology. 58, 72-80 (2019).
- Damiati, S., Mhanna, R., Kodzius, R., Ehmoser, E. K. Cell-free approaches in synthetic biology utilizing microfluidics. Genes. 9 (3), (2018).
- Lee, K. H., Kim, D. M. Applications of cell-free protein synthesis in synthetic biology: Interfacing bio-machinery with synthetic environments. Biotechnology Journal. 8 (11), 1292-1300 (2013).
- Supramaniam, P., Ces, O., Salehi-Reyhani, A. Microfluidics for artificial life: techniques for bottom-up synthetic biology. Micromachines. 10 (5), (2019).
- Bowman, E. K., Alper, H. S. Microdroplet-assisted screening of biomolecule production for metabolic engineering applications. Trends in Biotechnology. , (2019).
- Zhang, Y., et al. Accurate high-throughput screening based on digital protein synthesis in a massively parallel femtoliter droplet array. Science Advances. 5 (8), 8185 (2019).
- Silverman, A. D., Karim, A. S., Jewett, M. C. Cell-free gene expression: an expanded repertoire of applications. Nature Reviews Genetics. , (2019).
- Sakane, Y., Suzuki, Y., Kasagi, N. The development of a high-performance perfluorinated polymer electret and its application to micro power generation. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (10), 104011 (2008).
- Sakakihara, S., Araki, S., Iino, R., Noji, H. A single-molecule enzymatic assay in a directly accessible femtoliter droplet array. Lab on a Chip. 10 (24), 3355-3362 (2010).
- Watanabe, R., et al. Arrayed lipid bilayer chambers allow single-molecule analysis of membrane transporter activity. Nature Communications. 5, 4519 (2014).
- Chiu, C., Lisicka-Skrzek, E., Tait, R. N., Berini, P. Fabrication of surface plasmon waveguides and devices in Cytop with integrated microfluidic channels. Journal of Vacuum Science & Technology B. 28 (4), 729-735 (2010).
- Krupin, O., Asiri, H., Wang, C., Tait, R. N., Berini, P. Biosensing using straight long-range surface plasmon waveguides. Optics Express. 21 (1), 698-709 (2013).
- Hanada, Y., Ogawa, T., Koike, K., Sugioka, K. Making the invisible visible: a microfluidic chip using a low refractive index polymer. Lab on a Chip. 16 (13), 2481-2486 (2016).
- Berry, S., Kedzierski, J., Abedian, B. Low voltage electrowetting using thin fluoroploymer films. Journal of Colloid and Interface Science. 303 (2), 517-524 (2006).
- Lin, Y. Y., et al. Low voltage electrowetting-on-dielectric platform using multi-layer insulators. Sensors and Actuators B-Chemical. 150 (1), 465-470 (2010).
- Kimura, H., Yamamoto, T., Sakai, H., Sakai, Y., Fujii, T. An integrated microfluidic system for long-term perfusion culture and on-line monitoring of intestinal tissue models. Lab on a Chip. 8 (5), 741-746 (2008).
- Yang, T. J., Choo, J., Stavrakis, S., de Mello, A. Fluoropolymer-coated PDMS microfluidic devices for application in organic synthesis. Chemistry-a European Journal. 24 (46), 12078-12083 (2018).
- de Gennes, P. G. Wetting: statics and dynamics. Reviews of Modern Physics. 57 (3), 827-863 (1985).
- Holtze, C., et al. Biocompatible surfactants for water-in-fluorocarbon emulsions. Lab on a Chip. 8 (10), 1632-1639 (2008).
- Wagner, O., et al. Biocompatible fluorinated polyglycerols for droplet microfluidics as an alternative to PEG-based copolymer surfactants. Lab on a Chip. 16 (1), 65-69 (2016).
- Mashaghi, S., Abbaspourrad, A., Weitz, D. A., van Oijen, A. M. Droplet microfluidics: a tool for biology, chemistry and nanotechnology. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 82, 118-125 (2016).
- Mazutis, L., et al. Droplet-based microfluidic systems for high-throughput single DNA molecule isothermal amplification and analysis. Analytical Chemistry. 81 (12), 4813-4821 (2009).
- Galinis, R., et al. DNA nanoparticles for improved protein synthesis in vitro. Angewandte Chemie-International Edition. 55 (9), 3120-3123 (2016).
- Zhang, Y., Noji, H. Digital bioassays: theory, applications, and perspectives. Analytical Chemistry. 89 (1), 92-101 (2017).
- Mazutis, L., et al. Single-cell analysis and sorting using droplet-based microfluidics. Nature Protocols. 8 (5), 870-891 (2013).
- Courtois, F., et al. An integrated device for monitoring time-dependent in vitro expression from single genes in picolitre droplets. ChemBioChem. 9 (3), 439-446 (2008).
- Baret, J. C. Surfactants in droplet-based microfluidics. Lab on a Chip. 12 (3), 422-433 (2012).
- Agresti, J. J., et al. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (9), 4004-4009 (2010).
- Fallah-Araghi, A., Baret, J. C., Ryckelynck, M., Griffiths, A. D. A completely in vitro ultrahigh-throughput droplet-based microfluidic screening system for protein engineering and directed evolution. Lab on a Chip. 12 (5), 882-891 (2012).
- Duncombe, T. A., Dittrich, P. S. Droplet barcoding: tracking mobile micro-reactors for high-throughput biology. Current Opinion in Biotechnology. 60, 205-212 (2019).
- Qin, D., Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft lithography for micro- and nanoscale patterning. Nature Protocols. 5 (3), 491-502 (2010).
- Mukhopadhyay, R. When PDMS isn’t the best. Analytical Chemistry. 79 (9), 3248-3253 (2007).
- Shaner, N. C., et al. A bright monomeric green fluorescent protein derived from Branchiostoma lanceolatum. Nature Methods. 10 (5), 407-409 (2013).
- Bradshaw, R. A., et al. Amino acid sequence of Escherichia coli alkaline phosphatase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 78 (6), 3473-3477 (1981).
- Shimizu, Y., et al. Cell-free translation reconstituted with purified components. Nature Biotechnology. 19 (8), 751-755 (2001).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Mantilla, C. B., Prakash, Y. S., Sieck, G. C., Conn, P. M. Volume measurements in confocal microscopy. Techniques in Confocal Microscopy. , 143-162 (2010).
- Noji, H. Single-molecule counting of biomolecules with femtoliter dropret chamber array. The 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXVII. , 630-632 (2013).
- Zhang, Y., et al. Matrix-localization for fast analysis of arrayed microfluidic immunoassays. Analytical Methods. 4 (10), 3466-3470 (2012).
- Zhang, Y., et al. Two dimensional barcode-inspired automatic analysis for arrayed microfluidic immunoassays. Biomicrofluidics. 7 (3), 034110 (2013).
- Gonzalez, R. C., Woods, R. E. . Digital image processing. , (2018).
- Cohen, L., Walt, D. R. Single-molecule arrays for protein and nucleic acid analysis. Annual Review of Analytical Chemistry. 10 (1), 345-363 (2017).
