Kimyasal biyolojide mikroakışkanlar - Microfluidics in chemical biology

Kimyasal biyolojide mikroakışkanlar uygulaması mikroakışkanlar çalışmasında kimyasal biyoloji.

Fiziksel boyutları nedeniyle, mikroakışkanlar hem kimyasal biyoloji araçlarını kullanmak için benzersiz bir platform sağlar hem de kendi başına bir kimyasal biyoloji aracı olarak hizmet eder. Sıvıların manipülasyonu olarak tanımlanır mikron boyutlandırılmış kanallar, mikroakışkanlar alanı son yirmi yılda kapsamlı bir şekilde çalışılmıştır ve sıvıların bu ölçekte nasıl davrandığı hakkında çok şey bilinmektedir.[1] Bu nedenle, bu bilgi biyolojik numuneleri standart yığın yöntemleri kullanılarak elde edilemeyen şekillerde işlemek için kullanılabilir ve kullanılmıştır.

Avantajlar

Kimyasal biyoloji uygulamalarıyla ilgili olarak numune hacminin minyatürleştirilmesiyle elde edilen başlıca avantajlar, yüksek verim minimum numune kullanan deneyler, karmaşık bir karışımdan nadir olayları izole etme, büyütme ve tespit etme araçları ve hücresel bir numunenin çevresini hücrenin kendi ölçeğinde bozma kaynakları.[1][2][3] Bu yetenekler sayesinde araştırmacılar, mikroakışkanları kullanarak proteinleri kristalleştirmek,[4] Gerçekleştir polimeraz zincirleme reaksiyonu,[5][6] DNA dizisi,[5] tek hücrelerin protein ekspresyonunu incelemek,[7][8] sineklerde embriyonik gelişimi bozar,[9] kültür hücreleri[10] yanı sıra birçok önemli biyolojik çalışma gerçekleştirir.

Numune kabının minyatürleştirilmesinden kaynaklanan benzersiz bir özellik, kaçınılmaz olarak artan yüzey alanı / hacim oranıdır. Mikroakışkan deneylerin bu doğal özelliği, mikroakışkan kullanımının avantajlarına katkıda bulunabilir veya deneysel tekniğin daha da iyileştirilmesini gerektirebilir. Bazı durumlarda, ilgilenilen molekülleri iki faz arasındaki ara yüze yönlendirebilmek arzu edilir. Bu durumda, toplam reaksiyon hacmine göre geliştirilmiş yüzey alanı, deneysel tasarımın başarısına katkıda bulunur. Diğer durumlarda, moleküllerin yüzeye göçünü önlemek gerekir. Bunun en yaygın örneği, protein moleküllerinin hava ile su veya yağ ve su arasındaki arayüzde adsorbe olma eğilimidir. Bu uygulamalar için, bu istenmeyen etkiyi önlemek için yüzeyleri bir yüzey aktif madde veya başka bir kimyasal katkı maddesi ile modifiye etmek gerekir.

Malzemeler

Yerleşik yaklaşımları kullanarak mikroakışkan deneyler yapmak için cihazlar tasarlama ve üretme yeteneği, mikroakışkanlar ile kimyasal biyoloji çalışmasının faydasını sağlar. Cihaz imalatında kullanılan en yaygın malzeme polidimetilsiloksan (PDMS).[2] Bu materyal, biyolojik sistemlerle uyumlu özelliklerinden dolayı araştırmacılar arasında en popüler olanıdır. Bu özellikler arasında çoğu maddeye göre göreceli eylemsizliği, ultraviyole ve görünür ışığa şeffaflığı, işlenebilirliği ve gazlara geçirgenliği sayılabilir.[2] Ek olarak, PDMS yüzeyleri bunları oluşturmak için işlenebilir. hidrofilik veya hidrofobik, istenen uygulamaya bağlı olarak.[2] Bu çok yönlülük, PDMS'nin neredeyse tüm mikroakışkan uygulamalarda kullanılmasına izin verir. Geniş kullanım yelpazesine rağmen, diğer malzemelerin tercih edildiği durumlar vardır. PDMS istenmediğinde cam yaygın bir alternatiftir. Yumuşak litografi, PDMS cihazları yapmak için en yaygın yöntemdir. Bu teknik nispeten ucuzdur ve mikroakışkan deneylerinde kullanılan hemen hemen her mimariyi yapmak için kullanılabilir.

Başvurular

İstenen deneyin doğasına bağlı olarak, akışkanların manipüle edilme biçimi ve akışkan akışı içinde bulunan fazların sayısı farklı olabilir. Reynolds sayısı (Re) belirler sıvı akışı dır-dir laminer veya çalkantılı. Laminer akışta, birbirine paralel akan karışabilir sıvıların değişimi difüzyondan kaynaklanır ve bu nedenle yavaştır. Bu özellik, sıvı akışları içinde küçük moleküllerin kararlı gradyanlarını üretmek için kullanılmıştır.[11] Tek bir sıvı faz kullanmak yerine, damlacıklar oluşturmak için iki sıvı faz kullanmak da mümkündür. Damlacıklar oluşturmanın en yaygın yöntemi, bir petrol akışına dik olan bir sulu akımın akışını içerir.[12] Bu iki akarsu bir noktada buluştuğunda T-bağlantı bir yağ fazı ile çevrelenmiş tekdüze, sulu damlacıklar oluşur. Mikroakışkan cihazın geometrisine ve kullanılan akış hızlarına bağlı olarak, damlacıklar ayrıca bir akış odaklama cihaz.

Mikroakışkanlar, tek moleküllü çalışmalar için büyük bir potansiyele sahiptir. Tek molekülleri tespit etmek için, genellikle ilgilenilen bir sinyali güçlendirmek veya büyütmek gerekir.[13] Toplu yöntem çözümlerinde, tek bir molekülden gelen amplifiye edilmiş bir sinyal, sürekli olarak neredeyse her ölçüm sınırının altına seyreltilecektir. florofor veya diğer sinyal okuması. Mikroakışkanlar yoluyla mümkün kılınan küçük özelliklerde, tek bir molekülün amplifikasyonu, nanolitrelerden pikolitreye kadar her yerde değişen bir hacim içinde sınırlanacaktır.[13] Amplifiye edilmiş bir sinyalin yoğunluğu, bu küçük hacimlerde saptama sınırının üzerine çıkma potansiyeline sahiptir ve böylece tek moleküllü çalışmalara izin verir.[13] Mikroakışkan cihaz tasarımındaki ve deneysel uygulamadaki çok yönlülük, mikroakışkanların benzersiz boyut avantajlarıyla birleştiğinde, bir kimyasal biyoloji aracı olarak kullanımı için neredeyse sonsuz olanaklar sağlar. Nanosıvı teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte, mikroakışkanlar ve nanoakışkanların birleşik yetenekleri, kimyasal biyoloji araçlarını kullanarak önemli biyolojik keşifler için gerekli çerçeveyi sağlayabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b Whitesides GM (2006). "Mikroakışkanların kökenleri ve geleceği". Doğa. 442 (7101): 368–373. Bibcode:2006Natur.442..368W. doi:10.1038 / nature05058. PMID  16871203.
  2. ^ a b c d Weibel DB, Whitesides GM (Aralık 2006). "Mikroakışkanların kimyasal biyolojide uygulamaları". Curr Opin Chem Biol. 10 (6): 584–91. doi:10.1016 / j.cbpa.2006.10.016. PMID  17056296.
  3. ^ Song H, Chen DL, Ismagilov RF (Kasım 2006). "Mikroakışkan kanallarda damlacıklar halinde reaksiyonlar". Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 45 (44): 7336–56. doi:10.1002 / anie.200601554. PMC  1766322. PMID  17086584.
  4. ^ Li L, Ismagilov RF (2010). "Valflere, damlacıklara ve SlipChip'e dayalı mikroakışkan teknolojileri kullanarak protein kristalizasyonu". Annu Rev Biophys. 39: 139–58. doi:10.1146 / annurev.biophys.050708.133630. PMID  20192773.
  5. ^ a b Melin J, Quake SR (2007). "Mikroakışkan büyük ölçekli entegrasyon: biyolojik otomasyon için tasarım kurallarının evrimi". Annu Rev Biophys Biomol Struct. 36: 213–31. doi:10.1146 / annurev.biophys.36.040306.132646. PMID  17269901.
  6. ^ Shen F, Du W, Kreutz JE, Fok A, Ismagilov RF (Ekim 2010). "SlipChip üzerinde Dijital PCR". Laboratuar Çipi. 10 (20): 2666–72. doi:10.1039 / c004521g. PMC  2948063. PMID  20596567.
  7. ^ Greif D, Pobigaylo N, Frage B, Becker A, Regtmeier J, Anselmetti D (Eylül 2010). "Bir çip üzerinde gözlemlenen tek bakteriyel hücrelerde uzay ve zamanla çözümlenmiş protein dinamikleri". J. Biotechnol. 149 (4): 280–8. doi:10.1016 / j.jbiotec.2010.06.003. PMID  20599571.
  8. ^ Spiller DG, Wood CD, Rand DA, White MR (Haziran 2010). "Tek hücre dinamiğinin ölçülmesi". Doğa. 465 (7299): 736–45. Bibcode:2010Natur.465..736S. doi:10.1038 / nature09232. PMID  20535203.
  9. ^ Lucchetta EM, Lee JH, Fu LA, Patel NH, Ismagilov RF (Nisan 2005). "Drosophila'nın dinamikleri embriyonik modelleme ağı, mikroakışkanlar kullanılarak uzay ve zamanda bozuldu". Doğa. 434 (7037): 1134–8. Bibcode:2005Natur.434.1134L. doi:10.1038 / nature03509. PMC  2656922. PMID  15858575.
  10. ^ Young EW, Beebe DJ (Mart 2010). "Kontrollü mikro ortamlarda mikroakışkan hücre kültürünün temelleri". Chem Soc Rev. 39 (3): 1036–48. doi:10.1039 / b909900j. PMC  2967183. PMID  20179823.
  11. ^ Dertinger SK, Chiu DT, Jeon NL, Whitesides GM (2001). "Mikroakışkan Ağları Kullanarak Karmaşık Şekillere Sahip Degradelerin Üretimi". Analitik Kimya. 73 (6): 1240–1246. doi:10.1021 / ac001132d.
  12. ^ Tice JD, Song H, Lyon AD, Ismagilov RF (2003). "Reynolds ve Kapiler Sayıların Düşük Değerlerinde Çok Fazlı Mikroakışkanlarda Damlacıkların Oluşumu ve Karışımı". Langmuir. 19 (22): 9127–9133. doi:10.1021 / la030090w.
  13. ^ a b c Vincent ME, Liu W, Haney EB, Ismagilov RF (Mart 2010). "Mikroakışkan stokastik hapsetme, hücreleri izole ederek ve yayılabilir sinyallerin kontrolü için yüksek yoğunluklu ortamlar yaratarak nadir hücrelerin analizini geliştirir". Chem Soc Rev. 39 (3): 974–84. doi:10.1039 / b917851a. PMC  2829723. PMID  20179819.