文章名稱：Large-scale-integration and collective oscillations of 2D artificial cells

期刊：Nature Communications IF 17

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54098-0

【引言】

隨著半導(dǎo)體與微流體技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成（LSI）概念逐漸得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，集成電路通過在硅片上構(gòu)建二維層顯著提升了元件密集度， 21世紀(jì)，微流控技術(shù)用軟單片微閥精準(zhǔn)操控成千上萬的微型流體室。這種技術(shù)融合到合成生物學(xué)中，尤其是在無細(xì)胞轉(zhuǎn)錄-翻譯（TXTL）技術(shù)的支持下，科學(xué)家們期望通過基因編程的人工細(xì)胞來模擬自然生物組織的集體行為和計(jì)算功能。但此前人工細(xì)胞研究大多局限于一維布局，缺乏對(duì)二維結(jié)構(gòu)的探索，限制了模擬復(fù)雜生物過程的能力。

近期，以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)斬獲重大突破，成功實(shí)現(xiàn)人工細(xì)胞的二維大規(guī)模集成。作者利用小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3在芯片上創(chuàng)新性地構(gòu)筑了30×30的方格網(wǎng)絡(luò)，通過基因振蕩器突破性地展示了集體振蕩和同步現(xiàn)象。通過精心的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作者準(zhǔn)確調(diào)節(jié)細(xì)胞間的耦合強(qiáng)度，從而觀察到在不同耦合條件下，同步傳播前沿的動(dòng)態(tài)變化行為。這項(xiàng)研究不僅為理解基因表達(dá)的時(shí)空動(dòng)態(tài)模式提供了新的研究平臺(tái)，同時(shí)也推進(jìn)了合成生物學(xué)在人工細(xì)胞領(lǐng)域的發(fā)展。相關(guān)研究成果以《Large-scale-integration and collective oscillations of 2D artificial cells》為題，發(fā)表于國際SCI期刊《Nature Communications》。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. a.所制備芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。b.DNA在微腔中的空間分布結(jié)果。c.DNA刷（紅色，Alexa 647）和細(xì)胞外表達(dá)的GFP（綠色）的疊加熒光圖。d.根據(jù)(b)中的分布，在t=3.35小時(shí)時(shí)的GFP的熒光表征結(jié)果。e.根據(jù)(b)中GFP表達(dá)結(jié)果的剖面圖。f.不同時(shí)長下（5-19分鐘）微腔芯片的明場圖像，刻度尺150微米。g. 微腔中遺傳振蕩器的表達(dá)結(jié)果。h.單一微腔的掃描電子顯微鏡圖像，刻度尺20微米。i.振蕩器周期隨微腔壽命變化的函數(shù)圖。

圖2. a. 30×30的互通微腔芯片。b. GFP向鄰近微腔擴(kuò)散的纖維結(jié)果。c. t=60分鐘（橙色圓盤）、t=120分鐘（綠色三角）、t=240分鐘（黑色方塊）時(shí)空間分布。d.初始位置和相鄰微腔中的GFP濃度隨時(shí)間變化的曲線。e.GFP濃度在不同微腔中的濃度分布圖。

圖3. a.疊加了明場和熒光圖像的DNA刷，展示了在30×30耦合陣列。刻度尺150微米。b.在網(wǎng)格中，九個(gè)時(shí)間點(diǎn)的GFP表達(dá)圖的二維渲染。c 微腔中GFP的表達(dá)圖像。刻度尺300微米。d.所有900個(gè)振蕩器隨時(shí)間的GFP信號(hào)。e. 900個(gè)振蕩器相對(duì)于均值的相位函數(shù)的極坐標(biāo)圖。時(shí)間點(diǎn)用紅色標(biāo)記。f.三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的振蕩器相對(duì)于空間均值的相位的二維渲染結(jié)果。

圖4. a. 利用MicroWriter所制備的微流控裝置在芯片背面的示意圖。從芯片的入口處，流體被分成32個(gè)等效流，以均勻分配TXTL無細(xì)胞提取液的資源。b.芯片背面的顯微圖（刻度尺3毫米）。入口在密封的PDMS板上打孔。無細(xì)胞提取液流動(dòng)后被分成32個(gè)平行的流道。每條通道連接到32個(gè)微腔，連接了微腔和流道。c.平行微通道的特寫及流量分流器（刻度尺1000微米）。d.在背面流道中跟蹤熒光顆粒（PIV）可以估算流道中的平均速度，v=1.2毫米/分鐘（刻度尺250微米）。e.使用PIV技術(shù)測量每個(gè)通道的無細(xì)胞提取液的平均速度。

圖5. a.利用MicroWriter所制備的芯片上覆蓋液滴的顯微圖，每個(gè)液滴都是通過SciFLEXARRAY技術(shù)分配到微腔中。刻度尺1000 µm。b.分配液滴的顯微照片。刻度尺500 µm。c.顯示針頭噴出40 pl液滴的圖像。

【結(jié)論】

以色列魏茨曼科學(xué)研究學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在二維大規(guī)模集成的人工細(xì)胞體系里，成功實(shí)現(xiàn)基因編程的振蕩器達(dá)成集體振蕩和同步效果。其中，強(qiáng)耦合振蕩器在網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)出快速的前沿傳播和相位的平滑變化。研究還發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)邊界對(duì)振蕩器的同步有顯著影響，直接引起相位的差異。通過調(diào)整人工細(xì)胞的尺寸和耦合強(qiáng)度，可以有效控制集體行為。這為基因表達(dá)模式的研究和細(xì)胞間化學(xué)信號(hào)的傳播提供了新的研究途徑。值得一提的是，從該團(tuán)隊(duì)對(duì)小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3的運(yùn)用實(shí)踐來看，MicroWriter能夠在非傳統(tǒng)基底上迅速實(shí)現(xiàn)高精度的光刻任務(wù)，無論是光刻的精細(xì)度、復(fù)雜度，還是套刻的精準(zhǔn)度，都能夠滿足科研中多樣化、高標(biāo)準(zhǔn)的光刻需求，為芯片等領(lǐng)域的研究提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

圖6.小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

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1、小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

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