Микрофлюидика в химической биологии - Microfluidics in chemical biology

Микрофлюидика в химической биологии это применение микрофлюидика в изучении химическая биология.

Благодаря своим физическим размерам, микрофлюидика обеспечивает уникальную платформу для использования инструментов химической биологии и сама по себе служит инструментом химической биологии. Определяется как манипулирование жидкостями через микрон размером каналов, область микрофлюидики широко изучалась в течение последних двадцати 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 не могут быть достигнуты с помощью стандартных массовых методов.

Преимущества

Основные преимущества, достигаемые за счет миниатюризации объема образца применительно к приложениям химической биологии, включают возможность выполнения высокая пропускная способность эксперименты с использованием минимума образца, средства для выделения, усиления и обнаружения редких событий из сложной смеси, а также ресурсы для возмущения среды клеточного образца в масштабе самой клетки.[1][2][3] Благодаря этим возможностям исследователи смогли использовать микрофлюидику для кристаллизовать белки,[4] выполнить полимеразной цепной реакции,[5][6] последовательность ДНК,[5] изучать экспрессию белка в отдельных клетках,[7][8] нарушать эмбриональное развитие мух,[9] культура клеток[10] а также выполнять многие другие важные биологические исследования.

Одна уникальная особенность, которая является результатом миниатюризации сосуда для образца, - это неизбежное увеличение отношения площади поверхности к объему. Эта неотъемлемая особенность микрофлюидных экспериментов может либо способствовать преимуществам использования микрофлюидики, либо может потребовать дальнейшего усовершенствования 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 способствует успеху экспериментального плана. В других случаях необходимо предотвратить миграцию молекул на поверхность. Наиболее распространенным примером этого является склонность белковых молекул адсорбироваться на границе раздела между воздухом и водой или маслом и водой. Для этих применений необходимо модифицировать поверхности поверхностно-активным веществом или другой химической добавкой, чтобы предотвратить этот нежелательный эффект.

Материалы

Способность разрабатывать и производить устройства для проведения микрофлюидных экспериментов с использованием хорошо зарекомендовавших себя подходов делает полезными изучение химической биологии с помощью микрофлюидики. Наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления устройств, является полидиметилсилоксан (ПДМС).[2] Этот материал, несомненно, является самым популярным среди исследователей из-за его совместимых свойств с биологическими системами. Эти характеристики включают его относительную инертность к большинству веществ, прозрачность для ультрафиолета и видимого света, пластичность и газопроницаемость.[2] Кроме того, поверхности PDMS можно обработать, чтобы гидрофильный или же гидрофобный, в зависимости от желаемого приложения.[2] Эта универсальность позволяет использовать PDMS практически во всех микрофлюидных приложениях. Несмотря на широкий спектр применения, есть случаи, когда предпочтение отдается другим материалам. Стекло - обычная альтернатива, когда нежелателен ПДМС. Мягкая литография - наиболее распространенный метод изготовления устройств PDMS. Этот метод относительно дешев и может использоваться для создания практически любой архитектуры, используемой в микрофлюидных экспериментах.

Приложения

В зависимости от природы желаемого эксперимента способ манипулирования флюидами и количество фаз, присутствующих в потоке флюида, может быть различным. В Число Рейнольдса (Re) определяет, поток жидкости является ламинарный или же бурный. При ламинарном потоке обмен смешивающимися жидкостями, текущими параллельно друг другу, происходит из-за диффузии и, следовательно, происходит медленно. Эта характеристика была использована для создания стабильных градиентов малых молекул в потоках жидкости.[11] Вместо использования одной жидкой фазы можно также использовать две жидкие фазы для образования капель. Наиболее распространенный метод получения капель включает в себя поток водного потока, перпендикулярный потоку масла.[12] Когда эти два потока встречаются в Т-образный переход образуются однородные водные капли, окруженные масляной фазой. В зависимости от геометрии микрожидкостного устройства, а также от используемых скоростей потока, капли также могут быть сформированы с использованием фокусировка потока устройство.

Микрофлюидика обладает огромным потенциалом для изучения отдельных молекул. Чтобы обнаружить отдельные молекулы, часто необходимо усилить или усилить интересующий сигнал.[13] В растворах объемных методов усиленный сигнал от отдельной молекулы будет постоянно разбавляться до уровня ниже предела обнаружения почти каждого флуорофор или считывание другого сигнала. Однако в небольших функциях, которые становятся возможными с помощью микрофлюидики, амплификация отдельной молекулы будет ограничена объемом от нанолитров до пиколитров.[13] Усиленный сигнал может расти по интенсивности выше предела обнаружения в этих небольших объемах, что позволяет проводить исследования отдельных молекул.[13] Универсальность конструкции микрожидкостных устройств и проведения экспериментов в сочетании с уникальными размерами микрофлюидики предоставляет почти безграничные возможности для ее использования в качестве инструмента химической биологии. С развитием наножидкостных технологий объединенные возможности микрофлюидики и наножидкости могут обеспечить необходимую основу для важных биологических открытий с использованием инструментов химической биологии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Уайтсайдс GM (2006). «Истоки и будущее микрофлюидики». Природа. 442 (7101): 368–373. Bibcode:2006 Натур.442..368Вт. Дои:10.1038 / природа05058. PMID  16871203.
  2. ^ а б c d Weibel DB, Whitesides GM (декабрь 2006 г.). «Применение микрофлюидики в химической биологии». Curr Opin Chem Biol. 10 (6): 584–91. Дои:10.1016 / j.cbpa.2006.10.016. PMID  17056296.
  3. ^ Сонг Х, Чен Д.Л., Исмагилов РФ (ноябрь 2006 г.). «Реакции капель в микрофлюидных каналах». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ.. 45 (44): 7336–56. Дои:10.1002 / anie.200601554. ЧВК  1766322. PMID  17086584.
  4. ^ Ли Л, Исмагилов РФ (2010). «Кристаллизация белков с использованием микрофлюидных технологий на основе клапанов, капель и SlipChip». Анну Рев Биофиз. 39: 139–58. Дои:10.1146 / annurev.biophys.050708.133630. PMID  20192773.
  5. ^ а б Мелин Дж., Quake SR (2007). «Микрожидкостная крупномасштабная интеграция: эволюция правил проектирования для биологической автоматизации». Annu Rev Biophys Biomol Struct. 36: 213–31. Дои:10.1146 / annurev.biophys.36.040306.132646. PMID  17269901.
  6. ^ Шен Ф, Ду В, Кройц Дж. Э., Фок А., Исмагилов РФ (октябрь 2010 г.). «Цифровая ПЦР на SlipChip». Лабораторный чип. 10 (20): 2666–72. Дои:10,1039 / c004521g. ЧВК  2948063. PMID  20596567.
  7. ^ Грейф Д., Побигайло Н., Фраге Б., Беккер А., Регтмайер Дж., Ансельметти Д. (сентябрь 2010 г.). «Динамика протеинов с пространственным и временным разрешением в отдельных бактериальных клетках, наблюдаемых на чипе». J. Biotechnol. 149 (4): 280–8. Дои:10.1016 / j.jbiotec.2010.06.003. PMID  20599571.
  8. ^ Spiller DG, Wood CD, Rand DA, White MR (июнь 2010 г.). «Измерение динамики отдельных ячеек». Природа. 465 (7299): 736–45. Bibcode:2010Натура.465..736С. Дои:10.1038 / природа09232. PMID  20535203.
  9. ^ Лукчетта Е.М., Ли Дж. Х., Фу Л.А., Патель Н.Х., Исмагилов РФ (апрель 2005 г.). «Динамика сети формирования эмбрионального паттерна дрозофилы, возмущенная в пространстве и времени с помощью микрофлюидики». Природа. 434 (7037): 1134–8. Bibcode:2005 Натур.434.1134L. Дои:10.1038 / природа03509. ЧВК  2656922. PMID  15858575.
  10. ^ Young EW, Beebe DJ (март 2010 г.). «Основы микрофлюидных клеточных культур в контролируемых микросредах». Chem Soc Rev. 39 (3): 1036–48. Дои:10.1039 / b909900j. ЧВК  2967183. PMID  20179823.
  11. ^ Дертингер СК, Чиу Д.Т., Чон Н.Л., Уайтсайдс Г.М. (2001). «Создание градиентов сложной формы с использованием микрофлюидных сетей». Аналитическая химия. 73 (6): 1240–1246. Дои:10.1021 / ac001132d.
  12. ^ Тайс JD, Сонг H, Лион AD, Исмагилов РФ (2003). «Формирование капель и перемешивание в многофазной микрофлюидике при низких значениях числа Рейнольдса и капиллярных чисел». Langmuir. 19 (22): 9127–9133. Дои:10.1021 / la030090w.
  13. ^ а б c Винсент М.Э., Лю В., Хейни Е.Б., Исмагилов Р.Ф. (март 2010 г.). «Микрожидкостное стохастическое ограничение улучшает анализ редких клеток за счет изоляции клеток и создания среды с высокой плотностью для управления диффузными сигналами». Chem Soc Rev. 39 (3): 974–84. Дои:10.1039 / b917851a. ЧВК  2829723. PMID  20179819.