創(chuàng)造一種可以模仿生物細胞功能的人工“單細胞”是合成生物學的一個重要目標。這個想法的發(fā)展正在進行中，在這篇文章中，將研究三個示例。

如何在單片電池中復制能量和材料的交換？

在活細胞中，發(fā)生的生化反應通過與周圍環(huán)境交換能量和材料而保持在“穩(wěn)定狀態(tài)”。通常，體外系統(tǒng)不利用這種交換，因此這些系統(tǒng)將達到化學平衡，并使得難以研究細胞內(nèi)發(fā)生的復雜生化網(wǎng)絡。

為了解決這個問題，Niederholtmeyer and co。使用微流體系統(tǒng)創(chuàng)建了一個用于基因表達的系統(tǒng)，以創(chuàng)建一個單芯片細胞。該系統(tǒng)基于納升大小的微流控反應器。在該系統(tǒng)中，在稀釋步驟中將含有基因表達必需成分的混合物與模板DNA一起加入。這導致系統(tǒng)中已經(jīng)存在的流體發(fā)生位移。熒光標記用于確定系統(tǒng)中存在的DNA，RNA和蛋白質(zhì)的量。這種單芯片細胞能夠保持穩(wěn)態(tài)基因表達約30小時。

芯片細胞系統(tǒng)中的基因表達能否受到控制？

尋找單片細胞系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了可以在細胞外成功表達基因的系統(tǒng)。這些包括諸如囊泡生物反應器和類似形態(tài)發(fā)生的遺傳電路之類的系統(tǒng)。設計人工單芯片系統(tǒng)時可能出現(xiàn)的一個問題是如何使用連續(xù)表達系統(tǒng)測量基因表達的動態(tài)變化。

為了解決這個問題，帶有切換閥的微流控芯片已成功用于分析穩(wěn)態(tài)和動態(tài)基因表達。但是，這些系統(tǒng)的缺點還在于，隨著流體的流動，尤其是那些面積較小的流體，分子的濃度梯度可能會丟失。這很重要，因為某些形態(tài)過程受分子濃度變化的控制。

卡茲布倫公司?開發(fā)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以維持這樣的濃度梯度，以及在高表面密度，蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率，與環(huán)境進行材料交換的能力下均能在規(guī)定的形狀內(nèi)表達基因。

該系統(tǒng)從DNA模板開始，DNA模板編碼芯片上細胞將表達的基因。這些雙鏈DNA模板被組裝到硅芯片內(nèi)的圓形隔室中。這些隔室通過毛細管連接，然后連接到流動通道。

然后，將大腸桿菌細胞的提取物添加到單片細胞中，其中毛細管中的高流動阻力導致反應成分擴散到DNA隔室中。這使得能夠連續(xù)維持單芯片細胞內(nèi)的新陳代謝。

然后，蛋白質(zhì)合成發(fā)生在DNA隔室內(nèi)，DNA隔間通過毛細管擴散到流動通道。在此，形成濃度梯度。它在DNA隔室中最高，而在靠近毛細管和流動通道之間的連接處降低。這表明該單芯片系統(tǒng)不僅能夠表達基因，而且可以控制其在特定位置和特定濃度梯度下發(fā)生。

您可以使用單片細胞研究蛋白質(zhì)降解嗎？

上面的例子表明有可能使用單芯片系統(tǒng)制造蛋白質(zhì)，但是，是否還可以通過這種系統(tǒng)進行蛋白質(zhì)降解仍然是一個問題。為了對此進行調(diào)查，Tonooka和co。設計了一個包括蛋白質(zhì)降解和基因表達的系統(tǒng)。

首先，作者從兩株大腸桿菌中提取了細胞提取物，其中一株含有蛋白酶ClpX，后者是蛋白質(zhì)降解成分。ClpX是從質(zhì)粒表達的，這意味著可以控制其在大腸桿菌中的表達。然后將這些細胞提取物用于由硅片形成的微流體系統(tǒng)中。

為了確保蛋白質(zhì)可以在這種單芯片系統(tǒng)中降解，作者首先使用了熒光標記的蛋白質(zhì)，然后觀察熒光是否減弱，表明該蛋白質(zhì)已經(jīng)降解。觀察表明，單芯片細胞系統(tǒng)能夠降解蛋白質(zhì)。

但是，如果將蛋白質(zhì)降解與基因表達（即蛋白質(zhì)制造）結(jié)合起來，會發(fā)生什么？在這里，作者利用基因電路進行研究。簡而言之，這由“振蕩回路”和“報道分子回路”組成，其中熒光標記的報道蛋白的表達由振蕩回路控制。所得電路在大腸桿菌細胞中顯示出振蕩的基因表達模式。將該電路置于質(zhì)粒上，然后固定在單細胞上。

當添加大腸桿菌細胞提取物時，從單芯片細胞發(fā)射的熒光振蕩大約四次。這表明該單芯片系統(tǒng)不僅能夠表達基因，而且還能降解蛋白質(zhì)。該系統(tǒng)的進一步開發(fā)和完善可以為研究更復雜的基因表達鋪平道路，并使體外人工單芯片細胞更接近于體內(nèi)細胞系統(tǒng)。