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基于MOFs和微流控對無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系調(diào)控模式的研究
27化工系
作品介紹

作者:2017級本科生 王鴻奎  化工系

指導(dǎo)老師:盧元  化工系

關(guān)鍵詞:無細(xì)胞體系 MOFs 微流控 調(diào)節(jié)

 

摘要

無細(xì)胞體系因?yàn)槠鋫€(gè)性化設(shè)計(jì)、易于調(diào)控、對毒性不敏感等優(yōu)點(diǎn)在合成生物學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來,但就目前來看,大多數(shù)應(yīng)用仍停留在開放體系的層面,沒有擺脫傳統(tǒng)培養(yǎng)模式的束縛,這也進(jìn)一步限制了其向更多領(lǐng)域的滲透。本文旨在結(jié)合新材料金屬有機(jī)框架(Metal organic frameworks, MOFs)及微流控技術(shù)來探討調(diào)節(jié)無細(xì)胞體系蛋白質(zhì)表達(dá)水平的基本方法,以求拓寬其的適應(yīng)性,努力就其與其他領(lǐng)域的交叉和應(yīng)用提供可能。

 

引言

近年來,材料科學(xué)突飛猛進(jìn),諸多成果數(shù)不勝數(shù),其中最引人注目之一的便是MOFs。作為一種新型材料,其具有極高的孔隙率、巨大的比表面積、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性等諸多優(yōu)點(diǎn),本文主要是利用其包覆作用來實(shí)現(xiàn)限域和減小傳質(zhì)速率的目的。同時(shí),從水凝膠的應(yīng)用得到啟發(fā),了解了微流控“極高的傳熱、傳質(zhì)速率,較高的表面效應(yīng)、易于調(diào)控液體大小”等優(yōu)點(diǎn),利用了微流控可產(chǎn)生和改變液滴大小的功能探索了油包水結(jié)構(gòu)以及液滴大小對整個(gè)無細(xì)胞體系的影響。

 

實(shí)驗(yàn)方法

1 整體實(shí)驗(yàn)流程圖解

如圖1所示,本實(shí)驗(yàn)整體分五步進(jìn)行,分別為:微流控芯片的設(shè)計(jì)和制備(模型見圖2)、MOFs材料的合成(見圖3)、無細(xì)胞體系的制備(見圖4)、微流控芯片的應(yīng)用、培養(yǎng)及熒光表征。

2 微流控芯片模型

如圖2所示,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩款芯片,主要是考慮流道結(jié)構(gòu)對流體混合和調(diào)控的影響,可產(chǎn)生體積為以下的微液滴。

 

3 MOFs材料的合成

如圖3所示,本實(shí)驗(yàn)基于MOFs材料ZIF-8的經(jīng)典合成路線,分別嘗試了冷凍干燥和非冷凍干燥兩種模式,探討對無細(xì)胞體系表達(dá)的影響。

4 無細(xì)胞體系的制備

如圖4所示,用經(jīng)過優(yōu)化的無細(xì)胞體系材料制備無細(xì)胞體系,才有熒光蛋白作為報(bào)告物質(zhì),用酶標(biāo)儀對其后期熒光強(qiáng)度做定量檢測。

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

5 不同培養(yǎng)環(huán)境下蛋白質(zhì)表達(dá)水平對比(其中O表示已水洗,S表示未水洗)

5表示的是MOFs孔徑大小、加酸、配體離子濃度對熒光蛋白表達(dá)的影響(液滴體積)。通過比較,可知:(1MOFs的孔徑大小對無細(xì)胞體系表達(dá)水平有一定影響,具體表現(xiàn)在隨著MOFs孔徑的增大,表達(dá)水平也提高;(2)游離的配體離子可能對無細(xì)胞體系有較強(qiáng)的毒性作用,且毒性強(qiáng)弱與離子濃度成正相關(guān);(3)加酸與否也會影響蛋白質(zhì)的整體表達(dá)。

6 不同培養(yǎng)環(huán)境下蛋白質(zhì)表達(dá)時(shí)間曲線

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖5中分析出的諸多影響因素及其內(nèi)部原因,本實(shí)驗(yàn)做了系列實(shí)驗(yàn),并繪制出了不同培養(yǎng)環(huán)境下的蛋白質(zhì)表達(dá)時(shí)間曲線,結(jié)果如圖6所示。

7 不同液滴大小下蛋白質(zhì)表達(dá)對比(MOFs -不含MOFs)

為進(jìn)一步探討液滴大小對蛋白質(zhì)表達(dá)的影響,本實(shí)驗(yàn)結(jié)合設(shè)計(jì)的兩款芯片,形成了不同大小的液滴,并在含有MOFs和不含有MOFs兩個(gè)不同體系下進(jìn)行了相應(yīng)地?zé)晒獗碚?,結(jié)果如圖7所示。從結(jié)果中我們可以明顯的發(fā)現(xiàn),在不同的體系下,蛋白質(zhì)的表達(dá)水平隨液滴大小的變化水平呈現(xiàn)相同的趨勢,表現(xiàn)出在實(shí)驗(yàn)梯度范圍內(nèi)局部最優(yōu)的狀態(tài);此結(jié)果表明,液滴的大小確實(shí)對蛋白質(zhì)的表達(dá)水平有一定影響,但其影響效果成峰形分布,這意味著不同液滴大小中影響因素不單一。

 

結(jié)論

本研究主要基于新材料MOFs 和微流控技術(shù),探討了影響蛋白質(zhì)表達(dá)的諸多因素,并總結(jié)歸納相關(guān)因素,提出相應(yīng)的調(diào)控蛋白質(zhì)表達(dá)水平行之有效的辦法:改變MOFs孔徑大小、調(diào)節(jié)酸性物質(zhì)含量、控制游離配體離子濃度、調(diào)節(jié)氧含量、改變液滴大小等。但由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試劑眾多,培養(yǎng)環(huán)境多變,蛋白質(zhì)表達(dá)呈現(xiàn)出了高度的綜合性,了解清楚每一個(gè)因素的影響趨勢及每一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的科學(xué)依據(jù),需要一定的時(shí)間,也從側(cè)面反映了實(shí)際體系的復(fù)雜性。

作品PPT

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