OSM steht für den Oligonukleotidsynthesizer, der zur Verwendung in der Mikrogravrität entwickelt wurde, was bedeutet, dass es sich um ein Gerät handelt, das willkürliche DNA-Stränge (der mäßigen Länge) im Weltraum lässt. erstaunlich ah? Ich habe an diesem Projekt in den letzten acht Monaten mit einem wunderbaren Team von Kollegen im Rahmen der Stanford Student Space Initiative gearbeitet, und ich möchte gerne teilen, was wir tun, was wir bereits getan haben, und Wo gehen wir hin.
Warum Platz? Nun, zunächst ist der Raum cool. Ernster, der Zugang zu willkürlicher DNA im Raum könnte jedoch die Erforschung in einer Fülle von Feldern beschleunigen, und die Fähigkeit, die Bakterien genetisch zu tiefen, um Substanzen zu produzieren (sagen auf einer Marterkolonie), könnte den Unterschied zwischen dem Tod und einem lebensrettenden Schuss bedeuten. Kurz gesagt, es ist schwer, die genaue DNA vorherzusagen, die möglicherweise Forschung oder praktischer Nutzung vor der Hand benötigt.
Erstens, wie Hackaday dazu neigt, in der Biologieterminologie ein wenig Licht zu sein, müssen wir ein wenig Vokabeln aus dem Weg bringen, um die Kommunikationsweisen zu fetten. Wenn Sie einen Ph.D. In der synthetischen Biologie möchten Sie möglicherweise diesen Abschnitt überspringen. Andernfalls sind hier fünf schnelle Begriffe, die Ihr Gehirn größer machen, also bei mir bleiben!
Desoxyribonukleinsäure (DNA)
Da DNA im Fokus dieses Projekts ist, ist es wichtig, dass man DNA verstanden, bevor Sie fortfahren. Aber da die meisten DNA in Highschool-Biologie-Kursen gesehen haben, halte ich es kurz und einfach.
Erstens ist DNA ein Polymer, das aus Nukleotiden besteht. Nukleotide sind die Bausteine der DNA und bestehen aus einem von vier Nukleobasen – Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A), oder Thymin (T) – einem Zucker namens Desoxyrise und eine Phosphatgruppe. Verschiedene Nukleotide können mit entsprechenden Nukleotiden (A bis t; c bis g) auf einem anderen Strang von DNA intermolekular verbinden. Wenn die Basen auf einem DNA-Strang der DNA die Ergänzungen der Basen auf einem anderen Strang sind, können die beiden Polymere doppelsträngige DNA binden und bilden. Und noch ein weiterer Hinweis: DNA hat zwei verschiedene Enden: ein drei erstklassiges (3 ‘) Ende und ein fünf erstklassiges Ende (5′).
Oligonukleotid (AH-LI-GO-NEW-KLEE-O-TIDE)
Oligonukleotide sind kurze DNA- oder RNA-Moleküle und sind in allgemeiner Forschung, genetischer Prüfung und Bioengineering super nützlich. Die Länge eines Oligo (kurz für Oligonukleotid) wird in der Regel als 30-Mer oder D30 im Falle eines Oligo mit 30 Basen bezeichnet. Wie kurz muss ein DNA-Strang von DNA als Oligo betrachtet werden? Nun, zurück, als wir waren … Lassen Sie uns nicht so gut in der DNA-Synthese sagen, oligonukleotide waren fest im 2-50-Bereich. Mit dem Aufkommen von Phosphoramidit (ein anorganisches DNA-Syntheseverfahren) können Oligonukleotide jedoch von 2-1000 + Basen lang reichen.
Homopolymer
Ein Oligonukleotid, bestehend aus nur einem Bodentyp (z. B. AAAAAA im Gegensatz zu AGTCTG) wird als Homopolymer bezeichnet.
Terminal Desoxynukleotidyltransferase (TDT)
Anschluss-Desoxynukleotidyl-Transferase, das üblicherweise an TDT abgekürzt ist, ist ein polymeraseartiges Enzym, das dem 3’-Ende eines DNA-Strangs beliebige Nukleotide hinzufügen kann, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. TDT kann alle vier Nukleotide anhängen, zeigt jedoch eine Präferenz für Guanin (G) und Cytosin (c). TDT kann natürlich in unreiferen, Pre-B- und Pre-t-lymphoiden Zellen gefunden werden, in denen er eine genetische Diversifizierung für unsere Immunsysteme durchführt, indem er Basen auf das 3 ‘(drei Haupt-) Ende unserer DNA hinzufügt.
Sybr green i.
SYRB (ausgesprochen wie Cyber) ist ein Molekül, das an DNA bindet, der einen DNA-Farbstoffkomplex bildet, der blaues Licht aufnimmt und grünes Licht emittiert. Darüber hinaus bindet SYBR vorzugsweise an doppelsträngige DNA an, bindet jedoch einzelsträngige DNA in geringerem Umfang.
Ziele, DNA im Weltraum zu machen
Nun, da wir dieselbe Sprache sprechen, nehmen wir einen weiteren Blick auf das Ziel, willkürliche DNA im Raum enzymatisch zu machen. Was genau bedeutet das genau und warum Platz? Okay, lass uns dieses Wort mit dem Wort nehmen:
WIRKLICH: Unser Prozess sollte nicht einfach Kopien von DNA (wie PCR) erstellen, sondern stattdessen eine beliebige Sequenz erstellen (z. B. AGCTATC), dass man in einen Computer eingeben kann (und kann physisch existieren).
DNA: Ich denke, du hast das bekommen
Im Weltraum: Offensichtliche Bedeutung: Wir möchten, dass unser endgültiges Gerät im Weltraum funktioniert, was alle möglichen körperlichen und chemischen Einschränkungen auferlegt.
Enzymatisch: Wir möchten eine neue Methode der DNA-Synthese mit Enzymen anstelle der gefährlichen und ressourcenintensiven Phosphoramidit-Methode verwenden.
Durch das Hinzufügen der Fähigkeit, kundenspezifische DNA in der Mikrogravität herzustellen, kann ein erheblicher Sprung in unsere Fähigkeit bedeuten, die Erde von der Erde zu überleben. OSM dient als BIOHACKER-Toolkit für unordentlicher Probleme, denen wir in neuen Umgebungen konfrontieren werden, wenn wir das Leben auf und um andere Planeten unterstützen.
Zusammenfassend wollen wir definierbare Oligonukleotide in der anspruchsvollen Umgebung mit einer neuen enzymbasierten Methode erstellen. Sie sagen, stellen Sie Ihre Ziele hoch, richtig?
Minimal praktikables Produkt (MVP)
Okay, vielleicht nicht so hoch. Zumindest nicht anfangs. Anstatt in allen oder nichts zu springen, haben wir uns entschieden, einen iterativen Ansatz zu ergreifen. Nun arbeiten wir an der Start eines “minimal praktikablen Produkts” fürEinige Gründe:
Um unsere Arbeit bisher zu bestätigen
Bequemer werden mit dem Weltraumfertiges Design
Um echte Weltraumdaten zu erhalten
Glaubwürdigkeit für zukünftige Startungen zu erhalten
MVP-Prozess.
Da dies unser minimal praktikables Produkt ist, nehmen wir einen kleinen Biss aus unserem Gesamtziel. Somit wird unser MVP am Ende eines vorhandenen Oligo ein Homopolymer synthetisieren, anstatt vollständig willkürliche DNA zu erstellen. Wir haben nicht die vollständige Kontrolle über ihre Reihenfolge (alles in guter Zeit), aber wir werden einen Beweis einigen unserer Arbeit nachweisen.
Erstens beginnen wir mit Homopolymer-Adenin (a) Stränge von DNA in Lösung. Im Weltraum erheben wir die Temperatur und ermöglichen TDT, Thymin (t) an die Stränge anzuhängen.
Da Thymin (T) und Adenin (A) ergänzend sind, sollte die einsträngige DNA doppelsträngige DNA bilden.
Dann verwenden wir SYBR GREEN I, um herauszufinden, ob es doppelsträngige DNA in Lösung gibt, um festzustellen, ob unser Experiment funktioniert hat. Dies funktioniert, weil SYBR vorzugsweise an doppelsträngige DNA bindet, und nur Fluoreszenz, wenn sie an DNA gebunden ist. Dieser Überprüfungsschritt ist unglaublich wichtig, da wir unbemannt sein, und die Wissenschaft ohne Überprüfung ist nicht wirklich Wissenschaft.
Darüber hinaus ist die Haarnadel-DNA oder formaler, die intramolekulare Basis-Paarung von Stammschleifen, etwas, das mit diesem Design eine mögliche Ausgabe aufgerufen wurde. Wenn die DNA mit sich selbst bindet, kann es nicht mit anderen Strängen binden. klingt nach einem Problem, richtig? Aber schauen Sie genau an: Wenn die DNA mit sich selbst bindet. Selbst wenn wir Haarnadeln als “ordnungsgemäße” doppelsträngige DNA bilden, haben wir noch doppelsträngige DNA, die wir erkennen können.
Im Bericht verwenden wir ein Enzym, dessen Zweck eine genetische Diversifizierung mit SYRR GREEN I ist, ein Molekül, das üblicherweise zum Färben von Gelen verwendet wird, die in der Elektrophorese verwendet werden, um DNA im Raum zu synthetisieren.
Während dies in der Praxis einfach klingt, klingt synthetische Biologie immer einfach. In meiner Biologieerfahrung ist jedoch nichts einfacher. Alle möglichen Daten sind erforderlich, damit wir zuversichtlich sein können, dass unser Gerät funktioniert. Was wir bisher gemacht haben:
Haarnadel Lebensfähigkeitsdaten
Bestätigt, dass wir Homopolymere mit TDT effektiv und zuverlässig mit allen Nukleotiden synthetisieren können
Entschlossene langfristige Kompatibilität unserer Reagenzien (sie könnten 2+ Monate zusammensetzen)
Erkundete Temperaturabhängigkeit von sybr green i
Entschlossen den Pegel, mit dem wir den Unterschied zwischen einstrandierter und doppelsträngiger DNA mit SYBR GREEN i entdecken können
MVP-Design
Erstes Konzept Design-Visualisierung (Klicken Sie für vollständige Animation 22MB)
Die Arbeit mit Enzymen im Raum ist schwer. TDT erfordert insbesondere kontrollierte Temperaturen, Pufferlösungen und einen Nicht-Metall-Container, der alle seit mehr als einem Monat im Raum aufrechterhalten ist. Darüber hinaus benötigen wir ein Bestätigungssystem an Bord, was bedeutet, dass wir fragile Filter und visuellen Zugriff auf unsere Proben benötigen.
Unsere anfängliche Konstruktion verfügt über ein 50 μl-PDMS (eine eindeutige Bio-Safe-siliziumbasierte organische Polymerbasis) -E-Reaktionskammer, die von einem von Peltier-Modulen beheizten Aluminium-Wärmeausgleicher umgeben ist. Die Peltier-Module übertragen derzeit ihre Wärme auf / von einem generischen Kühlkörper anstelle von etwas mehr Anwendungsspezifisch, da wir nicht wissen, was unsere Startbedingungen sein können. Darüber hinaus umarmen sich eine Fotodiode, ein Filter und eine LED die PDMS-Reaktionskammer, sodass Fluoreszenztests den experimentellen Erfolg überprüfen können.
Jenseits von MVP.
Da unser MVP nur ein Trittstein zu unserem ultimativen Ziel ist, arbeiten wir an allen Arten anderer Dinge. Beispielsweise arbeiten wir an einer Elektroration auf dielektrischer Vorrichtung (siehe rechts) als Stand-In für herkömmliche mikrofluidische Geräte, die üblicherweise im Raum verwendet werden.
μWet, weil es klein ist und es nass ist
Wir haben auch Pyresequencing und Synthese auf magnetischen Perlen erforscht. Darüber hinaus sprechen wir so viel über DNA, so dass wir nackte Knochen-DNA-Visualisierungssoftware gemacht haben, um das Gespräch zu erleichtern. (Die DNA-Bilder in diesem Artikel wurden von dieser Software generiert.)
Soweit wir kommen, spülen wir jedoch immer noch unser Design aus und würden irgendwelche Ideen lieben, die Sie haben könnten. Insbesondere haben wir Probleme mit dem Finden von Leiterplattenherstellern, die einen minimalen Spurenabstand von 1 Meilen haben. Tipps, Beratung und gesundes Gespräch Hiervon sind alle in den folgenden Kommentaren begrüßt.