Биочип позволяет генам экспрессироваться
Платформы биочипов, работающие как искусственные клетки, перспективны для медицинской диагностики, изучения биологических процессов и производства важных биомолекул. Однако для соответствия сложности природы биочипы должны быть спроектированы так, чтобы белки, ДНК и другие важные биологические компоненты могли располагаться в специфических, пространственно чётко определённых областях на чипах. Это позволяет устройствам имитировать сложные, последовательные и часто каскадные события, участвующие в биологических процессах.
В крупном прорыве группа исследователей из Института науки Вейцмана в Израиле под руководством Роя Бар-Зива в сотрудничестве с Маргеритой Морпурго из Университета Падуи в Италии разработала молекулу, ласково названную «маргариткой», которая способна связывать гены на чипах в миниатюрных структурированных массивах.
Бар-Зив и его коллеги смогли использовать «маргаритку» для нанесения крошечных участков двуцепочечной ДНК на поверхности диоксида кремния. Иммобилизованные гены способны выполнять свои функции на структурированных кремниевых подложках без необходимости в живых клетках. Эти биочипы могут действовать как белковые микроловушки, селективно захватывая специфические белки из неочищенных клеточных экстрактов с высоким пространственным разрешением. Более того, иммобилизованные на биочипах генные последовательности могут использоваться для производства белков на чипе с помощью процессов транскрипции/трансляции, подобных происходящим в клетках.
Исследователи также продемонстрировали интеграцию этих систем с микрофлюидикой. Интеграция с проточными системами интересна для создания миниатюрных сборочных линий на чипах, где белки могут синтезироваться на чипах и транспортироваться к конечным пунктам назначения через микрофлюидные каналы.
В примечательной демонстрации полезности подхода с «маргариткой» исследователи нанесли два разных гена в виде чередующихся полос на биочип. Белок, синтезированный на одной полосе, диффундирует ко второй полосе, где регулирует синтез второго белка. Более сложные искусственные генетические цепи можно представить, расширив этот протокол, и, таким образом, биочипы смогут выполнять сложные каскадные функции обработки информации, имитируя таковые в живых организмах.
«Этот подход — первый шаг к функциональным бесклеточным биохимическим фабрикам для синтеза биомолекул и модулей принятия решений», — сказал Бар-Зив. Амнон Букбойм, аспирант в группе Бар-Зива и один из основных исследователей, добавил, что размещение генов близко друг к другу на поверхности предоставляет возможности, недоступные в объёмном растворе, позволяя осуществлять коммуникацию между отдельными генными последовательностями в этих искусственных клетках.
Цитирование: Roy Bar-Ziv, A Single-Step Photolithographic Interface for Cell-Free Gene Expression and Active Biochips, Small 2006, 2, No. 3, doi: 10.1002/smll.200600489