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Die programmierbare DNA-Technik „druckt“ Zellen, um verschiedene biologische Umgebungen zu schaffen

Zell- und Proteinmusterung

Forscher der University of California, Berkeley, haben eine neue Technik entwickelt, die Fotolithografie und programmierbare DNA verwendet, um zweidimensionale Anordnungen von Zellen und Proteinen, die eine Vielzahl von zellulären Umgebungen im Körper nachahmen, schnell zu „drucken“. Bildnachweis: UC Berkeley Grafik von Olivia Scheideler

Forscher nutzen Fotolithografie und programmierbar DNA schnell Anordnungen von Zellen und Proteinen zu konstruieren, die die Lebensbedingungen nachahmen.

Wie Menschen können Zellen leicht durch Gruppenzwang beeinflusst werden.

Nehmen Sie eine neurale Stammzelle im Gehirn: Ob diese Zelle eine Stammzelle bleibt oder sich zu einer vollständig gebildeten Gehirnzelle differenziert, wird letztendlich durch eine komplexe Reihe molekularer Botschaften bestimmt, die die Zelle von unzähligen Nachbarn erhält. Das Verständnis dieser Botschaften ist der Schlüssel für Wissenschaftler, die hoffen, diese Stammzellen für die Behandlung neurologischer Erkrankungen wie z Alzheimer oder Parkinson.

Mit Hilfe der Fotolithografie und des kreativen Einsatzes programmierbarer DNA Universität von Kalifornien, BerkeleyForscher haben eine neue Technik entwickelt, mit der zweidimensionale Anordnungen von Zellen und Proteinen, die eine Vielzahl von zellulären Umgebungen im Körper nachahmen, schnell „gedruckt“ werden können – sei es das Gehirngewebe, das eine neurale Stammzelle umgibt, die Auskleidung des Darms oder Leber oder die zelluläre Konfiguration innerhalb eines Tumors.

Diese Technik könnte Wissenschaftlern helfen, ein besseres Verständnis des komplexen Zell-zu-Zell-Messaging zu entwickeln, das das endgültige Schicksal einer Zelle bestimmt, von der Differenzierung neuronaler Stammzellen in eine Gehirnzelle bis zu einer Tumorzelle mit dem Potenzial, zu einer embryonalen Stammzelle zu metastasieren, die zu einer wird Organzelle.

“Was an dieser Plattform wirklich mächtig ist, ist, dass Sie In-vitro-Gewebe erstellen können, die die räumliche Organisation von Zellen im Körper erfassen, von der Darmschleimhaut Ihres Verdauungstrakts bis hin zu den Anordnungen verschiedener Zelltypen in der Leber”, sagte Olivia Scheideler, die schloss die Forschung als Doktorand in Berkeley ab. “Ich denke, Sie könnten diese Technik anwenden, um jedes Gewebe wiederherzustellen, in dem Sie untersuchen möchten, wie zelluläre Interaktionen zur Gewebefunktion beitragen.”

In einem Artikel, der heute (Mittwoch, 18. März 2020) in der Zeitschrift erscheint Fortschritte in der WissenschaftScheideler und ihre Mitarbeiter zeigen, dass mit der neuen Technik schnell komplizierte Muster von bis zu 10 verschiedenen Arten von Zellen oder Proteinen auf eine flache Oberfläche gedruckt werden können.

“Mit dieser Technik können wir im Wesentlichen verschiedene Arten von Bedingungen auf einmal und mit hohem Durchsatz strukturieren”, sagte Lydia Sohn, Kanzlerprofessorin für Maschinenbau an der UC Berkeley und leitende Autorin des Papiers. “Es bietet eine ganze Reihe von Optionen für das, was Sie studieren können, weil es so flexibel ist. Sie können viele verschiedene Arten von Zellen oder Proteinen strukturieren. “

Gefangen an einer DNA-Leine

Bei der neuen Technik wird jede Zelle oder jedes Protein mit einer kurzen DNA-Kette an ein Substrat gebunden. Während ähnliche Verfahren entwickelt wurden, mit denen gebundene Zellen oder Proteine ​​einzeln gebunden werden, nutzt die neue Technik einen Strukturierungsprozess, der als Photolithographie bezeichnet wird, um jede Art von Zellprotein in einer schnellen Charge zu binden oder zu drucken, was den Prozess erheblich beschleunigt.

“Es ist wie beim Farblaserdruck, bei dem Sie eine Farbe und dann eine andere drucken”, sagte Sohn.

Wie bei der Fotografie wird bei der Fotolithografie eine beschichtete Oberfläche oder ein beschichtetes Substrat einem Lichtmuster ausgesetzt, wodurch eine chemische Reaktion ausgelöst wird, bei der die Beschichtung in den beleuchteten Bereichen aufgelöst wird und ein Substrat mit Schablonen zurückbleibt. Bei der neuen Technik wird das Substrat dann in Stränge einseitiger DNA gebadet, deren Enden chemisch verändert wurden, um fest an der Stelle zu verriegeln, an der sich die Beschichtung aufgelöst hat.

Jeder einseitige DNA-Strang ist so programmiert, dass er eine spezifische Sequenz der Nukleotide Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) aufweist. Einseitige DNA-Stränge mit der komplementären Nukleotidsequenz werden eingebettet oder an interessierende Zellen oder Proteine ​​gebunden.

Schließlich wird die Oberfläche mit einer Mischung von Zellen oder Proteinen gewaschen, die an die komplementären Stränge einseitiger DNA gebunden sind, die sich mit der bereits an die Oberfläche gebundenen einseitigen DNA verbinden, um Doppelhelix- “Bänder” zu bilden.

“Alle Zellen und Proteine ​​haften aufgrund der DNA-Programmierung genau dort, wo sie sein sollten”, sagte Sohn.

Durch Wiederholen des Vorgangs können bis zu 10 verschiedene Arten von Zellen oder Proteinen in einem beliebigen Muster an die Oberfläche gebunden werden.

Widersprüchliche Nachrichten

Um eine der vielen Anwendungen der Technik zu demonstrieren, nutzten Scheideler und Co-Autor David Schaffer, Hubbard Howe Jr., angesehener Professor für Bioverfahrenstechnik an der UC Berkeley, die Plattform, um die chemische Signalübertragung zu untersuchen, die neuronale Stammzellen zur Differenzierung in reife Zellen anregt .

“Stammzellen haben Programme in ihre DNA eingebettet, die ihnen sagen, dass sie entweder eine Stammzelle bleiben oder sich in eine reife Zelle differenzieren sollen”, sagte Schaffer. „Und sie erhalten viele Informationen darüber, was zu tun ist und welche Programme von der Umgebung und von anderen Zellen in ihrer Umgebung aktiviert werden müssen. Wenn wir lernen könnten, wie man Stammzellen dazu bringt, unsere Gebote abzugeben, wie man sie in einen bestimmten Zelltyp verwandelt, könnten wir die Stammzellen nutzen, um spezialisierte Zelltypen zu produzieren, die aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen verloren gegangen sind. “

Neuronale Stammzellen im Gehirn erhalten regelmäßig widersprüchliche Nachrichten von ihren Nachbarn darüber, wie sie sich verhalten sollen, sagte Scheideler. Ein Bote, das FGF-2-Protein, fordert sie auf, mehr Stammzellen herzustellen. Das andere, das Ephrin-B2-Protein, fordert sie auf, sich in ein reifes Neuron zu differenzieren.

Scheideler verwendete die neue Technik, um neurale Stammzellen auf Tausende verschiedener Arrays der beiden Proteine ​​FGF-2 und Ephrin-B2 zu strukturieren, um zu sehen, wie die räumliche Organisation der beiden Signale das endgültige Schicksal der Zellen bestimmt.

Sie fand heraus, dass sich viele Stammzellen zu reifen Neuronen differenzierten, selbst wenn sie hauptsächlich mit FGF-2 in Kontakt standen oder „Stammzellen bleiben“, Botenstoffe. Bei näherer Betrachtung stellte sie jedoch fest, dass die differenzierten Zellen eher kleine, fingerähnliche Verlängerungen oder „Neuriten“ aufweisen, die das Ephrin-B2 berühren oder Botenstoffe „differenzieren“.

“Das Tolle an dieser Mustertechnologie ist, dass Sie diese kleinen Muster problemlos hunderte oder tausende Male auf einer Folie replizieren können”, sagte Schaffer. „Es ist, als würde man tausend kleine unabhängige Experimente durchführen, von denen jedes ein Probelauf ist, um zu sehen, wie eine Stammzelle auf die Zellen um sie herum hört. Und dann können Sie sehr, sehr tiefe Statistiken über die verschiedenen Arten der Regulierung erhalten. “

Referenz: 18. März 2020, Fortschritte in der Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / sciadv.aay5696

Zu den Mitautoren des Papiers gehören Chun Yang, Molly Kozminsky, Kira I. Mosher, Roberto Falcon-Banchs, Emma C. Ciminelli und Andrew W. Bremer von der UC Berkeley und Sabrina A. Chern von der Harvard University.

Diese Forschung wurde von den National Institutes of Health durch die Zuschüsse 1R01CA190843-01, 1R21EB019181-01A1, NIH / NCI F32 CA243354-01 und 1R21CA182375-01A1 unterstützt. Es wurde auch vom Graduate Research Fellowship-Programm der National Science Foundation, dem Siebel Scholars-Programm und einem PEO-Stipendium unterstützt.