Микрофлюидика в химической биологии
Микрофлюидика в химической биологии — это применение микрофлюидики в изучении химической биологии .
Благодаря своим физическим размерам микрофлюидика обеспечивает уникальную платформу для использования инструментов химической биологии и сама по себе служит инструментом химической биологии. Область микрофлюидики , определяемая как манипулирование жидкостями через каналы микронного размера, широко изучалась за последние двадцать лет, и многое известно о том, как жидкости ведут себя в этом масштабе. [ 1 ] Таким образом, эти знания могут использоваться и использовались для манипулирования биологическими образцами способами, которые невозможно достичь с помощью стандартных массовых методов.
Преимущества
[ редактировать ]Основные преимущества, достигаемые за счет миниатюризации объема образца по отношению к приложениям химической биологии, включают возможность проводить высокопроизводительные эксперименты с использованием минимума образца, средства для изоляции, амплификации и обнаружения редких событий из сложной смеси, а также ресурсы для возмущения. среду клеточного образца в масштабе самой клетки. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Благодаря этим возможностям исследователи смогли использовать микрофлюидику для кристаллизации белков . [ 4 ] провести полимеразную цепную реакцию , [ 5 ] [ 6 ] последовательность ДНК , [ 5 ] изучить экспрессию белка в отдельных клетках, [ 7 ] [ 8 ] нарушают эмбриональное развитие у мух, [ 9 ] культуральные клетки [ 10 ] а также выполнить множество других важных биологических исследований.
Одной из уникальных особенностей, возникающих в результате миниатюризации сосуда для проб, является неизбежное увеличение соотношения площади поверхности к объему. Эта присущая микрофлюидным экспериментам особенность может либо обеспечить преимущества использования микрофлюидики, либо потребовать дальнейшего совершенствования экспериментальной техники. В некоторых случаях желательно иметь возможность направлять интересующие молекулы к границе раздела двух фаз. В этом случае увеличенная площадь поверхности по отношению к общему реакционному объему обеспечивает успех экспериментального плана. В других случаях необходимо предотвратить миграцию молекул на поверхность. Наиболее распространенным примером этого является склонность белковых молекул адсорбироваться на границе раздела воздуха и воды или масла и воды. Для этих применений необходимо модифицировать поверхности либо поверхностно-активным веществом, либо какой-либо другой химической добавкой, чтобы предотвратить этот нежелательный эффект.
Материалы
[ редактировать ]Способность разрабатывать и производить устройства для проведения микрофлюидных экспериментов с использованием хорошо зарекомендовавших себя подходов делает изучение химической биологии с помощью микрофлюидики полезным. Наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления устройств, является полидиметилсилоксан (ПДМС). [ 2 ] Этот материал, несомненно, является самым популярным среди исследователей благодаря своим свойствам совместимости с биологическими системами. Эти характеристики включают его относительную инертность к большинству веществ, прозрачность для ультрафиолетового и видимого света, пластичность и проницаемость для газов. [ 2 ] Кроме того, поверхности ПДМС можно обрабатывать, чтобы сделать их гидрофильными или гидрофобными , в зависимости от желаемого применения. [ 2 ] Эта универсальность позволяет использовать PDMS практически во всех микрофлюидных приложениях. Несмотря на широкий спектр применения, бывают случаи, когда предпочтение отдается другим материалам. Стекло является распространенной альтернативой, когда ПДМС нежелателен. Мягкая литография — наиболее распространенный метод изготовления устройств PDMS. Этот метод относительно дешев и может быть использован для создания практически любой архитектуры, используемой в микрофлюидных экспериментах.
Приложения
[ редактировать ]В зависимости от характера желаемого эксперимента способ манипулирования жидкостями и количество фаз, присутствующих в потоке жидкости, могут быть разными. Число Рейнольдса (Re) определяет, является ли жидкости поток ламинарным или турбулентным . При ламинарном потоке обмен смешивающимися жидкостями, текущими параллельно друг другу, происходит за счет диффузии и, следовательно, происходит медленно. Эта характеристика была использована для создания стабильных градиентов малых молекул в потоках жидкости. [ 11 ] Вместо использования одной жидкой фазы также можно использовать две жидкие фазы для образования капель. Наиболее распространенный метод создания капель включает подачу водного потока перпендикулярно потоку масла. [ 12 ] Когда эти два потока встречаются в Т-образном соединении , образуются однородные капли воды, окруженные масляной фазой. В зависимости от геометрии микрофлюидного устройства, а также используемых скоростей потока, капли также могут быть сформированы с использованием устройства фокусировки потока .
Микрофлюидика имеет огромный потенциал для исследования одиночных молекул. Чтобы обнаружить отдельные молекулы, часто необходимо усилить интересующий сигнал. [ 13 ] В решениях для массовых методов усиленный сигнал одной молекулы будет постоянно разбавляться до уровня ниже предела обнаружения почти каждого флуорофора или другого считываемого сигнала. Однако в небольших объектах, которые становятся возможными благодаря микрофлюидике, амплификация одной молекулы будет ограничена объемом от нанолитров до пиколитров. [ 13 ] Усиленный сигнал может вырасти по интенсивности выше предела обнаружения в этих небольших объемах, что позволяет проводить исследования одиночных молекул. [ 13 ] Универсальность конструкции микрофлюидных устройств и экспериментального исполнения в сочетании с уникальными размерами микрофлюидики обеспечивает практически безграничные возможности ее использования в качестве инструмента химической биологии. С развитием нанофлюидных технологий объединенные возможности микрофлюидики и нанофлюидики могут обеспечить необходимую основу для важных биологических открытий с использованием инструментов химической биологии.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Уайтсайдс GM (2006). «Истоки и будущее микрофлюидики». Природа . 442 (7101): 368–373. Бибкод : 2006Natur.442..368W . дои : 10.1038/nature05058 . ПМИД 16871203 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Вейбель Д.Б., генеральный директор Whitesides (декабрь 2006 г.). «Применение микрофлюидики в химической биологии». Curr Opin Chem Biol . 10 (6): 584–91. дои : 10.1016/j.cbpa.2006.10.016 . ПМИД 17056296 .
- ^ Сонг Х, Чен Д.Л., Исмагилов Р.Ф. (ноябрь 2006 г.). «Реакции в каплях в микрофлюидных каналах» . Энджью. хим. Межд. Эд. англ . 45 (44): 7336–56. дои : 10.1002/anie.200601554 . ПМК 1766322 . ПМИД 17086584 .
- ^ Ли Л, Исмагилов Р.Ф. (2010). «Кристаллизация белков с использованием микрофлюидных технологий на основе клапанов, капель и SlipChip». Анну Рев Биофиз . 39 : 139–58. doi : 10.1146/annurev.biophys.050708.133630 . ПМИД 20192773 .
- ^ Перейти обратно: а б Мелин Дж., Quake SR (2007). «Крупномасштабная интеграция микрофлюидности: эволюция правил проектирования биологической автоматизации». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 36 : 213–31. doi : 10.1146/annurev.biophys.36.040306.132646 . ПМИД 17269901 .
- ^ Шен Ф., Ду В., Кройц Дж.Э., Фок А., Исмагилов Р.Ф. (октябрь 2010 г.). «Цифровая ПЦР на SlipChip» . Лабораторный чип . 10 (20): 2666–72. дои : 10.1039/c004521g . ПМК 2948063 . ПМИД 20596567 .
- ^ Грайф Д., Побигайло Н., Фраге Б., Беккер А., Регтмайер Дж., Ансельметти Д. (сентябрь 2010 г.). «Динамика белков с пространственным и временным разрешением в отдельных бактериальных клетках, наблюдаемая на чипе». Дж. Биотехнология . 149 (4): 280–8. doi : 10.1016/j.jbiotec.2010.06.003 . ПМИД 20599571 .
- ^ Спиллер Д.Г., Вуд К.Д., Рэнд Д.А., Уайт М.Р. (июнь 2010 г.). «Измерение динамики отдельных клеток». Природа . 465 (7299): 736–45. Бибкод : 2010Natur.465..736S . дои : 10.1038/nature09232 . ПМИД 20535203 .
- ^ Луккетта Э.М., Ли Дж.Х., Фу Л.А., Патель Н.Х., Исмагилов Р.Ф. (апрель 2005 г.). «Динамика сети формирования эмбрионального паттерна дрозофилы, возмущенная в пространстве и времени с помощью микрофлюидики» . Природа . 434 (7037): 1134–8. Бибкод : 2005Natur.434.1134L . дои : 10.1038/nature03509 . ПМК 2656922 . ПМИД 15858575 .
- ^ Молодой EW, Beebe DJ (март 2010 г.). «Основы микрофлюидной культуры клеток в контролируемой микросреде» . Chem Soc Rev. 39 (3): 1036–48. дои : 10.1039/b909900j . ПМК 2967183 . ПМИД 20179823 .
- ^ Дертингер С.К., Чиу Д.Т., Чон Н.Л., генеральный менеджер Уайтсайдс (2001). «Генерация градиентов сложной формы с использованием микрофлюидных сетей». Аналитическая химия . 73 (6): 1240–1246. дои : 10.1021/ac001132d .
- ^ Тайс Дж.Д., Сонг Х., Лион А.Д., Исмагилов Р.Ф. (2003). «Формирование капель и смешивание в многофазной микрофлюидике при низких значениях чисел Рейнольдса и капиллярных чисел». Ленгмюр . 19 (22): 9127–9133. дои : 10.1021/la030090w .
- ^ Перейти обратно: а б с Винсент М.Э., Лю В., Хейни Э.Б., Исмагилов Р.Ф. (март 2010 г.). «Микрофлюидное стохастическое удержание улучшает анализ редких клеток за счет изоляции клеток и создания среды высокой плотности для контроля диффузных сигналов» . Chem Soc Rev. 39 (3): 974–84. дои : 10.1039/b917851a . ПМЦ 2829723 . ПМИД 20179819 .