微流控芯片在顯微鏡下追蹤細胞群體的動力學

人工構(gòu)建基因回路有兩種常用的策略。第一種是基于理論設(shè)計的“即插即用”模式，研究者利用已被定量刻畫的基因元件，結(jié)合理論計算模型來構(gòu)建基因回路，以使之產(chǎn)生特定功能。第二種則是基于高通量篩選的定向進化，或“突變-篩選”模式，在此模式下，研究者往往需要對回路中重要的原件構(gòu)建規(guī)模龐大的突變體文庫并隨后進行篩選，以獲得所需的表型。

對于后者而言，盡管大規(guī)模的建庫-篩選技術(shù)近年來已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，然而對于一些復雜的表型，特別是涉及到時間依賴的動力學行為時，同時記錄大規(guī)模突變體庫的動力學表型是困難的。近期，美國加州大學圣地亞哥分校Jeff Hasty課題組在Cell Systems上發(fā)表以“Design， mutate， screen： Multiplexed creation and arrayed screening of synchronized genetic clocks”為題的研究論文，介紹了其新開發(fā)的微流控芯片，基于此芯片可以在顯微鏡下同時記錄大量細胞群體的動力學行為。

圖1 Hasty實驗室開發(fā)的微流控芯片，可以同時追蹤48個細胞群體的動力學。

應(yīng)用這一微流控系統(tǒng)，研究人員對實驗室已有的群體振蕩基因回路進行了突變-篩選。該基因回路利用細菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)，通過AHL分子進行細胞間通訊，使細胞群體以共同的節(jié)律表達細胞裂解相關(guān)蛋白，從而產(chǎn)生群體的同步化振蕩（如圖2所示）。研究人員首先對裂解蛋白的核糖體結(jié)合位點（RBS）序列中的五個位點進行了突變，并隨機選取其中24個分別用96孔板和微流控系統(tǒng)進行篩選。結(jié)果表明，在96孔板中生長的細菌群體無法表現(xiàn)出規(guī)則的振蕩行為，而在微流控篩選系統(tǒng)中則可以表現(xiàn)出周期性振蕩。研究人員進一步定量測定了不同突變體在不同條件下的振蕩周期和振幅，并展示這一系統(tǒng)可以用于精確調(diào)整振蕩系統(tǒng)的動力學性質(zhì)。

圖2 應(yīng)用微流控系統(tǒng)規(guī)?；Y選具有不同振蕩周期的菌株

接著，研究人員挑選篩選所得的兩個菌株（pSpSLC?和pSpSLC??，以下簡稱0號和10號）進行了深入分析。相比而言，10號菌株的振蕩更慢，振幅更高。研究人員首先在無反饋的菌株內(nèi)刻畫了兩種RBS的強度，并畫出了兩種RBS下細胞裂解對AHL的劑量響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)0號菌株（快振蕩）的EC50要顯著小于10號菌株（慢振蕩）的EC50值，這一結(jié)果與數(shù)學模型定性地吻合。

圖3 更慢的振蕩周期對應(yīng)更強的AHL響應(yīng)

此外，研究人員應(yīng)用前任發(fā)展的RBS計算器對這兩個篩選得到的RBS序列進行了強度預(yù)測，但結(jié)果顯示二者并沒有明顯區(qū)別（在誤差精度范圍內(nèi)）。研究人員分析產(chǎn)生這一結(jié)果原因可能在于下游裂解蛋白濃度與細胞裂解之間的非線性關(guān)系，即微小的RBS強度改變也可能帶來細胞裂解水平的很大變化。這進一步說明了規(guī)?；膸旌Y選的重要性——即便是在很大程度上可以被理性設(shè)計的基因回路中，也會有潛在的、未被充分考慮的復雜性。

最后，研究人員應(yīng)用這一篩選平臺構(gòu)建了一個不依賴于細胞裂解的新型群體振蕩回路。該回路由簡單的負反饋構(gòu)成：細菌表達產(chǎn)生的AHL可以誘導tetR的表達，而tetR又可以抑制AHL的表達。初始構(gòu)建的菌株并未表現(xiàn)出明顯的振蕩特征，研究人員隨后對tetR的RBS構(gòu)建了突變體文庫，并選擇其中在分批培養(yǎng)條件下具有脈沖式動力學現(xiàn)象的菌株進行了微流控平臺篩選，最終得到了具有穩(wěn)定振蕩表型的菌株。相比初始菌株而言篩選得到的菌株明顯具有更穩(wěn)定的振蕩周期。

圖4 篩選前后細胞群里動力學的對比（c圖上半部分為篩選前的細胞群體動力學，下半部分為篩選后的群體動力學，可以看到發(fā)生了規(guī)律的周期振蕩）。

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種可以規(guī)?；Y選細胞群體動力學的技術(shù)平臺，應(yīng)用這一平臺可以有效地獲得具有預(yù)期的定量表型的菌株，并可以用來篩選產(chǎn)生全新動力學行為的菌株（從衰減振蕩到持續(xù)振蕩），為復雜基因回路的規(guī)?；Y選與定向進化提供了新的思路和工具。

原文標題：基于微流控芯片的分子鐘基因回路的高通量設(shè)計與篩選技術(shù)

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