作者：2017級(jí)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(duì)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(duì)整個(gè)無細(xì)胞體系的影響。
實(shí)驗(yàn)方法
圖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。
圖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(duì)流體混合和調(diào)控的影響，可產(chǎn)生體積為
以下的微液滴。
圖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(duì)無細(xì)胞體系表達(dá)的影響。
圖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(duì)其后期熒光強(qiáng)度做定量檢測。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
圖5 不同培養(yǎng)環(huán)境下蛋白質(zhì)表達(dá)水平對(duì)比(其中O表示已水洗,S表示未水洗)
圖5表示的是MOFs孔徑大小、加酸、配體離子濃度對(duì)熒光蛋白表達(dá)的影響(液滴體積
)。通過比較，可知：（1）MOFs的孔徑大小對(duì)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(duì)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(huì)影響蛋白質(zhì)的整體表達(dá)。
圖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。
圖7 不同液滴大小下蛋白質(zhì)表達(dá)對(duì)比(含MOFs -不含MOFs)
為進(jìn)一步探討液滴大小對(duì)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(duì)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。
