Name: using synthetic biology to engineer living cells that interface with programmable materials
Uploaded: 2017-03-09T15:00:00
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저자는 기꺼이 미국의 과학 연구의 공군 사무실에서 수상 FA9550-13-1-0108 지원을 인정합니다. 저자는 또한 버지니아 폴리 테크닉 연구소 및 주립 대학에서 중요한 기술 및 응용 과학 연구소에서와 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 대학원 연구에서 자금, 미국의 해군 연구소의 사무실에서 수상 N00014-15-1-2502의 지원을 인정 원정대 프로그램, 보너스 번호 1607310.

1. 미디어와 문화 준비 <ol><li> 탈 이온수 (DI) 물 1 L에 LB 분말 주식의 25g을 혼합하여 살균 20 분 동안 121 ° C의 솔루션을 고온 가압 멸균하여 원성 국물 (LB) 미디어를 준비합니다. <ol><li> , LB 플레이트를 준비 멸균 전에 LB 미디어에 15g 한천 (1.5 %)을 추가하려면 </li><li> DI 물에 1000 배 카르 베니 실린 (의 Cb) (50 ㎎ / ㎖)의 재고 솔루션을 준비합니다. </li><li> 멸균 LB 매체의 온도가 60 ° C 이하?...

<ol>
	<li>Zhang, R., Heyde, K. C., Scott, F. Y., Paek, S. -. H., Ruder, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Programming+Surface+Chemistry+with+Engineered+Cells.">Programming Surface Chemistry with Engineered Cells.</a> ACS Synth. Biol. , (2016).</li><li>Zhou, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduced+graphene+oxide+films+used+as+matrix+of+MALDI-TOF-MS+for+detection+of+octachlorodibenzo-p-dioxin.">Reduced graphene oxide films used as matrix of MALDI-TOF-MS for detection of octachlorodibenzo-p-dioxin.</a> Chem. Commun. 46, 6974-6976 (2010).</li><li>Pardee, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-Cost+Detection+of+Zika+Virus+Using+Programmable+Biomolecular+Components.">Low-Cost Detection of Zika Virus Using Programmable Biomolecular Components.</a> Cell. 165, 1255-1266 (2016).</li><li>B&#228;hring, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+Sensing+Properties+of+a+Self-Assembled+Supramolecular+Oligomer.">Design and Sensing Properties of a Self-Assembled Supramolecular Oligomer.</a> Chem. Eur. J. 22, 1958-1967 (2016).</li><li>Nicolau Jr, D. V., Armitage, J. P., Maini, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directional+persistence+and+the+optimality+of+run-and-tumble+chemotaxis.">Directional persistence and the optimality of run-and-tumble chemotaxis.</a> Comp. Biol. Chem. 33, 269-274 (2009).</li><li>Du, J., Shao, Z., Zhao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+microbial+factories+for+synthesis+of+value-added+products.">Engineering microbial factories for synthesis of value-added products.</a> J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 38, 873-890 (2011).</li><li>Kim, H., Kim, M. 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The nature of the biotin-binding site.</a> Biochem. J. 89, 599-609 (1963).</li><li>Mesulam, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tetramethyl+benzidine+for+horseradish+peroxidase+neurohistochemistry:+a+non-carcinogenic+blue+reaction+product+with+superior+sensitivity+for+visualizing+neural+afferents+and+efferents.">Tetramethyl benzidine for horseradish peroxidase neurohistochemistry: a non-carcinogenic blue reaction product with superior sensitivity for visualizing neural afferents and efferents.</a> J Histochem. Cytochem. 26, 106-117 (1978).</li><li>Litcofsky, K. D., Afeyan, R. B., Krom, R. J., Khalil, A. S., Collins, J. 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K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+biotin-(strept)avidin+system:+principles+and+applications+in+biotechnology.">The biotin-(strept)avidin system: principles and applications in biotechnology.</a> Clin. Chem. 37, 625-636 (1991).</li><li>Nerurkar, L. S., Namba, M., Brashears, G., Jacob, A. J., Lee, Y. J., Sever, J., L, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+detection+of+herpes+simplex+virus+in+clinical+specimens+by+use+of+capture+biotin-streptavidin+enzyme-linked+immunosorbent+assay.">Rapid detection of herpes simplex virus in clinical specimens by use of capture biotin-streptavidin enzyme-linked immunosorbent assay.</a> J. Clin. Micro. 20, 109-114 (1984).</li><li>Cui, Y., Wei, Q., Park, H., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanowire+Nanosensors+for+Highly+Sensitive+and+Selective+Detection+of+Biological+and+Chemical+Species.">Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species.</a> Science. 293, 1289-1292 (2001).</li></ol>

우리는 작용 물질의 표면과 생활 설계 세포를 인터페이스하기위한 새로운 전략을 발표했다. 이 IPTG로 유도 할 때 비오틴 수준 상승을 합성 할 수있는 세포주를 개발함으로써 달성되었다. 비오틴의 상승 된 수준은 기능화 된 표면을 수정하는 데 사용될 수있다. 프로토콜은 대장균 세포 라인을 설계하는 방법에 두 가지 작용 표면을 생성하는 방법을 상세히. 이 프로토콜...

여기서, 우리는 조작 세포주에서 화학적 신호에 응답 할 수있는 프로그래밍이 된 기판을 현상하는 절차를보고한다. (1) 우리는 합성 조작 된 대장균 (대장균) 세포에 의해 생성 비오틴에 응답 비오틴 - 스트렙 타비 딘 인터페이스를 작성하여이를 수행합니다. 이전 프로그램은 독소의 표면 검사 2 및 치료 시점 진단 3 방위 및 보안에서 다양한 애플리케이션을 위해 설계되었다. 프로그래머블 표면 센서 및 액추에이터로서 유용 할 수있는 4이지만, 서로 다른 환경 문제에 적응할 수있는 능력을 부여하는로 &#39;똑똑한&#39;할 수있다. 대조적으로, 대장균 심지어 간단한 미생물은 본래 적응성이 있고 정교 종종 예기치 솔루션 과제에 응답 할 수있다. 이 적응성은 E. 사용할 수있다복잡한 유전자 네트워크에 의해 제어 대장균 인구는 비용 효율적으로 자원을 찾아, 5 부가가치 제품, 6, 심지어 전원 마이크로 규모의 로봇을 만들 수 있습니다. 7 프로그래밍 표면을 이용하여 살아있는 세포의 적응 효과를 결합함으로써, 우리는 상이한 환경 조건에 응답 할 수있는 스마트 기판을 생성 할 수있다. 합성 생물학은 생물의 행동을 프로그래밍하는 연구자들에게 새로운 능력을 부여하고있다. 새로운 유전자 조절 네트워크를 포함하는 셀을 설계함으로써, 연구자들은 프로그래밍 동작의 범위를 나타내는 셀을 설계 할 수있다. 기초 연구 너머 (8, 9)는, 이러한 동작은 부가가치 제품을 재 조립을 제어 생물학적 생산과 같은 애플리케이션에 사용될 수있다. 10 여기, 우리가 합성 생물학의 도구를 사용하여 우리 세부 방법 엔유도에 비오틴 합성 대장균 균주 때문에 엔지니어. 이 균주는 플라스미드 pKE1-의 lacI-bioB 조립 제한 효소 클로닝 방법을 사용하여 개발되었다. 대장균 균주 K-12 MG1655로 변환 할 때, 플라스미드는 bioB 비오틴 합성에 필수적인 효소의 상승 된 수준을 발현하는 능력을 부여한다 세포. 형질 전환 된 세포가 이소 프로필 β-D-1- 티오 갈 락토 피 라노 사이드 (IPTG)를 유도 비오틴 전구체 desthiobiotin (DTB)가 제공되었을 때, 비오틴의 높은 수준이 생성되었다. 스트렙 타비 딘과 비오틴의 결합 상호 작용은 자연에서 발견 강한 비 공유 결합 중 하나입니다. 이와 같이, 비오틴 - 스트렙 트 아비딘 상호 작용은 잘 특성화 높은 바이오 채용 모두이다. 이 원고 (11) 내에서, 우리는 감지 관능면 셀 생산 바이오틴을 검출 바이오틴 - 스트렙 상호 작용을 이용하는 두 가지 전략을 제시한다. 우리&quot;간접적&quot;와 &quot;직접&quot;제어 방식으로 이러한 대조적 인면을 참조하십시오. 간접 제어 방식에서, 셀 생산 바이오틴이 결합하고 결합 부위를 스트렙 타비 딘을위한 폴리스티렌 표면 상에 고정화 된 바이오틴 경쟁. 또한, 스트렙 타비 딘은 고추 냉이 퍼 옥시 다제 (HRP)가 결합된다. HRP 3, 3 &#39;, 5, 5&#39;- 테트라 메틸 벤지딘 (TMB)을 450 nm의 (OD 450)에서 스펙트럼의 흡광도 (즉, 광학 밀도)을 정량함으로써 모니터링 될 수있는 광 신호 (12)를 생성하기 위하여 변경한다. 따라서, 간접적 인 제어 방식이 연구는 OD 450 attentuation 신호를 모니터링하여 셀 생산 비오틴을 측정 할 수있다. 직접 제어 방식은 재료 표면에 직접 스트렙 타비 딘을 고정화 및 결합 부위를 스트렙 타비 딘 경쟁하는 셀 생산 비오틴 및 비오틴 HRP를 허용하여 스트렙 타비 딘 - 비오틴 이벤트를 이용한다. 다시,셀 생산 비오틴의 상대적 수준은 OD 450 신호를 측정하여 모니터링됩니다. 함께 찍은, 조작 된 세포와 기능화 된 표면은 우리가 살아있는 세포에 네트워크를 유도하여 프로그램 표면의 특성을 제어 할 수 있습니다. 즉, 우리는 함께 이러한 시스템을 연결하여 조작 재 계면의 생물체의 적응성과 신뢰성 사양을 활용하는 시스템을 만들었다.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1072">
	<tbody>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">LB Broth, Miller&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">12-795-027</td>
			<td style="width:219px;"></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Agar</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP9744500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Carbenicillin&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP26481</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">M9, Minimimal Salts, 5X</td>
			<td style="width:209px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">M6030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Casamino Acids&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP1424-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Magnesium Sulfate, Anhydrous</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">M65-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Calcium Chloride, Dihydrate</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">C79-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Dextrose (D-Glucose), Anhydrous</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">D16-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">NEB Turbo Cell Line</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">C2984l</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Oligonucleotide Primers</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td>25N synthesis, DSL purification</td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Q5 High-Fidelity Polymerase</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">M0491S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Q5 Reaction Buffer</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">B9027S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">dNTP Solution Mix</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">N0447S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Agarose</td>
			<td style="width:209px;">Bioexpress</td>
			<td style="width:119px;">E-3120-125</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Ethidium Bromide, 1%</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP1302-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Gel Extraction Kits</td>
			<td style="width:209px;">Epoch Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">2260250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">GenCatch Plasmid DNA Miniprep Kit</td>
			<td style="width:209px;">Epoch Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">2160250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">AatII</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">R0117S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">SacII</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">R0157S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">HindIII-HF</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">R3104S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">EcoRI-HF</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">R3101S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">Cutsmart Buffer</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">B7204S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">T4 DNA Ligase</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">M0202S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">T4 DNA Ligase Reaction Buffer</td>
			<td style="width:209px;">New England Biolabs</td>
			<td style="width:119px;">B0202S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">ColiRolle Glass Plating Beads&#160;</td>
			<td style="width:209px;">EMD Millipore</td>
			<td style="width:119px;">7101-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Glycerol</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP229-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Isopropyl &#946;-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG)</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP1755-10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;width:527px;">NHS-Desthiobiotin (DTB)</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">16129</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Succinimidyl Trans-4-(maleimidylmethyl) Cyclohexane-1-Carboxylate (SMCC)&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">S1534</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Dimethyl Sulfoxide (DMSO)&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP231-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Succinimidyl 3-(2-pyridyldithio) Propionate (SPDP)&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">S1531</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">NHS-LC-LC-biotin</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">21343</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Horseradish Peroxidase (HRP)&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">31490</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Phosphate Buffered Saline (PBS), 10X Solution</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP399500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Streptavidin (SA)&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">21145</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Bovine Serum Albumin (BSA)</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP1600-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Dithiothreitol (DTT)</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP172-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Ethylenediaminetetaacetic acid (EDTA)&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">S311-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Tween 80&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">T164-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Hydrogen Peroxide</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">H325-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">3, 3&#39;, 5, 5&#39;-tetramethylbenzidine (TMB)</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">AC229280050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Vivaspin 500 Centrifugal Concentrators&#160;</td>
			<td style="width:209px;">Viva Products</td>
			<td style="width:119px;">VS0192</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">Sodium Acetate, Anhydrous</td>
			<td style="width:209px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP333-500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="27">
			<td height="27" style="height:27px;">96-Well Polystyrene Plates</td>
			<td style="width:209px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">266120</td>
			<td></td>
		</tr>
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</table>

using synthetic biology to engineer living cells that interface with programmable materials

우리는 설계 세포 관능 표면의 물성을 제어 할 수있는 생물 적 생물 - 인터페이스를 개발했다. 대장균의 합성 조작 된 균주 및 관능 재 계면이 시스템은 두 개의 모듈을 생성함으로써 만들어진다. 이 논문에서, 우리는 세부 유전자 분자 복제 전략을 사용하여 대장균의 균주 내에서 선택 행동을 설계하기위한 프로토콜. 화학 유도제에 노출 될 때 회 전개,이 균주는 바이오틴의 높은 수준을 생성한다. 또한, 세포 합성 비오틴에 응답 할 수있는 각각의 두 가지 작용 표면을 만들기위한 우리 상세히 프로토콜. 종합하면, 우리는 무생물 재료 기판 상 조성물 및 조립을 제어하는 ​​셀을 설계 허용 연결된, 비 생물 - 생물학적 시스템을 생성하는 방법을 제시한다.

대표 결과 첨부 다섯 수치로 표시됩니다. 리더 시각적 합성 조작 된 대장균 균주를 생성하기위한 중요한 단계를 수행 할 수 있도록 먼저, 그래픽 복제 프로세스 (도 1)을 제시한다. 세포 집단의 동력학을 특성화하기 위해, 우리는 인구의 600 나노 미터 (OD 600)에서 광학 밀도를 측정함으로써 생성되는 성장 곡선 (도 2)을 제공한다. 그 ?...

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Using Synthetic Biology to Engineer Living Cells That Interface with Programmable Materials

이 논문은 조작 된 세포와 합성 제어 프로그램 재료 표면을 조작하는 대장균을 설계 에이블 작용 표면을 개발하기위한 프로토콜의 시리즈를 제공합니다.

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