211service.com
Een stap in de richting van kunstmatige cellen, gemaakt van silicium
In een stap in de richting van geavanceerde kunstmatige cellen hebben wetenschappers een siliciumchip ontwikkeld die eiwitten kan produceren uit DNA, de meest elementaire functie van het leven.
Het systeem, hoewel relatief eenvoudig, suggereert een manier om het leven na te bootsen met gedeeltelijk gefabriceerde componenten, zegt: Roy Bar-Ziv , een materiaalwetenschapper aan het Weizmann Institute of Science in Israël, die het werk leidt.
Cellen creëren voortdurend eiwitten op basis van instructies die zijn gecodeerd in DNA-sequenties. Hoeveel van elk eiwit wordt gemaakt, wordt bepaald door andere genen, vaak in ingewikkelde feedbackloops. Bar-Ziv noemt zijn cel-op-een-chip een nieuw systeem waarmee we kunnen onderzoeken hoe genen buiten de levende cel worden aan- en uitgeschakeld.
De chips zijn gemaakt met behulp van een techniek die het laboratorium van Bar-Ziv enkele jaren geleden ontwikkelde om DNA aan silicium te verankeren door het oppervlak eerst te coaten met een door licht geactiveerde chemische stof. Ze gebruikten lichtpatronen om plekken te creëren waar DNA zich bindt en zich samenvoegt tot tandenborstelachtige bundels. Elke DNA-borstel was beperkt tot een klein, rond compartiment. Deze compartimenten werden door een smal capillair van 20 micrometer breed verbonden met een groter kanaal, dat een stroom van vloeibare extracten van bacteriecellen droeg - alle ingrediënten die nodig zijn om eiwitten uit de DNA-borstels te synthetiseren.
Het systeem, beschreven in a Wetenschap paper in augustus door Bar-Ziv, samen met zijn studenten Eyal Karzbrun en Alexandra Tayar, en Vincent Noireaux van de Universiteit van Minnesota, stelden de onderzoekers in staat om een eenvoudig netwerk van op elkaar inwerkende genen te creëren.
Een eenvoudige kunstmatige cel heeft cirkelvormige kamers die in silicium zijn geëtst. Deze bevatten DNA en zijn via microfluïdische kanalen verbonden met een bad van cellulaire enzymen.
Wetenschappers kunnen al gemakkelijk eiwitten uit DNA synthetiseren in een reageerbuis, maar die reacties verdwijnen uiteindelijk als eiwitten zich ophopen en de synthese vertraagt. Dat heeft het moeilijk gemaakt om functionerende genetische circuits te creëren - interagerende netwerken van genen en eiwitten - buiten cellen. Bar-Ziv zegt dat zijn chip dat probleem oplost door afvalproducten weg te spoelen. Door de lengtes van de kanalen die naar elk DNA-compartiment leiden te veranderen, kon hij ook bepalen hoe snel de daarin vervaardigde eiwitten naar andere delen van de chip diffundeerden, waardoor andere reacties werden beïnvloed. Als je de dynamische aard van genen die op en neer gaan, wilt herstellen, moet je een mechanisme hebben om te degraderen wat je maakt, zegt Bar-Ziv.
Andere synthetisch biologen - zo genoemd omdat ze nieuwe, gemanipuleerde genetische circuits willen creëren - zijn ook begonnen hun DNA-programma's buiten levende wezens te installeren, zoals op vellen papier, met het oog op het creëren van nieuwe soorten diagnostische tests (zie Synthetische Biologen maken op papier gebaseerde diagnose voor ebola).
Evenzo kan de chip van Bar-Ziv uiteindelijk leiden tot toepassingen in diagnostiek, omgevingsdetectie of medicijnscreening, met de wending dat het reacties voor een langere tijd aan de gang kan houden. Wetenschappers zeggen dat de chips kunnen worden gebruikt om nieuwe genetische constructies te testen voordat ze in echte cellen worden gestopt, zoals bacteriën. Als ik deze ontwerpen snel buiten cellen kan prototypen en dan de beste paar kan selecteren om in cellen te plaatsen, kan dat het proces versnellen, zegt hij. Timothy Lu , een synthetisch bioloog aan het MIT.
De volgende stap, zegt Bar-Ziv, is om complexere patronen en grotere netwerken te creëren. Hij hoopt uiteindelijk honderden verschillende genen in duizenden kunstmatige cellen tegelijk te kunnen controleren, zodat ze met elkaar kunnen communiceren en elkaar kunnen beïnvloeden, zoals in een levend organisme. Dat is nog een eind weg, geeft hij toe. Van één transistor naar miljarden gaan, ging niet in een dag, zegt hij.