OSM là viết tắt của Bộ tổng hợp Oligonucleotide được thiết kế để sử dụng trong MicroGraVity, có nghĩa là đó là một thiết bị tạo ra các chuỗi DNA tùy ý (chiều dài vừa phải) trong không gian. eh tuyệt vời? Tôi đã làm việc trong dự án này trong tám tháng qua với một nhóm tin tặc tuyệt vời như một phần của sáng kiến không gian sinh viên Stanford, và tôi muốn chia sẻ những gì chúng ta đang làm, những gì chúng ta đã thực hiện và chúng ta sẽ đi đâu
Tại sao không gian? Vâng, trước hết, không gian là mát mẻ. Nhưng nghiêm túc hơn, việc tiếp cận DNA tùy ý hơn trong không gian có thể tăng tốc nghiên cứu trong một plethora của các lĩnh vực, và khả năng của vi khuẩn kỹ sư di truyền để sản xuất các chất (nói trên một thuộc địa sao Hỏa) có thể có nghĩa là sự khác biệt giữa cái chết và một cú sút cứu sinh. Nói tóm lại, thật khó để dự đoán DNA chính xác người ta có thể cần nghiên cứu hoặc sử dụng thực tế trước khi tay.
Đầu tiên, vì Hackaday có xu hướng là một chút ánh sáng về thuật ngữ sinh học, chúng ta cần có một từ vựng nhỏ ra khỏi đường để bôi mỡ các cách liên lạc. Nếu bạn có một tiến sĩ. Trong sinh học tổng hợp, bạn có thể muốn bỏ qua phần này. Mặt khác, đây là năm thuật ngữ nhanh sẽ khiến bộ não của bạn lớn hơn khi ở lại với tôi!
Acid deoxyribonucleic (DNA)
Vì DNA là trọng tâm của dự án này, đó là điều tối quan trọng mà người ta hiểu DNA trước khi tiến hành. Nhưng, vì hầu hết đã thấy DNA trong các khóa học sinh học trung học, tôi sẽ giữ cho nó ngắn và đơn giản.
Đầu tiên, DNA là một polymer bao gồm các nucleotide. Nucleotide là những khối xây dựng DNA, và bao gồm một trong bốn nuclebase – cytosine (c), guanine (g), adenine (a) hoặc thymine (t) – một loại đường gọi là khử oxy, và một nhóm phosphate. Các nucleotides khác nhau có thể liên kết giữa các nucleotide tương ứng (A đến T; C đến G) trên một chuỗi DNA khác nhau. Nếu các căn cứ trên một sợi DNA là sự bổ sung của các căn cứ trên một sợi khác, hai polymer có thể liên kết và tạo thành DNA hai sợi. Và, một lưu ý nữa: DNA có hai kết thúc khác nhau: kết thúc ba nguyên tố (3 ‘) và năm đầu nguyên tố (5’).
Oligonucleotide (Ah-Li-Go-New-Klee-O-Tide)
Oligonucleotide là các phân tử DNA hoặc RNA ngắn và rất hữu ích trong nghiên cứu chung, xét nghiệm di truyền và sinh học. Chiều dài của một oligo (ngắn đối với oligonucleotide) thường được biểu thị là 30-mer hoặc d30 trong trường hợp oligo với 30 căn cứ. Một chuỗi DNA sẽ ngắn như thế nào để được coi là một oligo? Chà, quay lại khi chúng ta … hãy nói không tốt trong quá trình tổng hợp DNA, oligonucleotide chắc chắn trong phạm vi 2-50. Tuy nhiên, với sự ra đời của phosphoramidite (một phương pháp tổng hợp DNA vô cơ), oligonucleotide có thể dao động từ 2-1000 + bazơ.
Homopolymer.
Một oligonucleotide chỉ bao gồm một loại cơ sở (ví dụ AAAAAA trái ngược với AGTCTG) được gọi là homopolymer.
Thiết bị đầu cuối deoxynucleotidyl transionase (TDT)
Transfering Deoxynucleotidyl, thường được viết tắt thành TDT, là một enzyme giống như polymerase có thể thêm các nucleotide tùy ý vào phần 3 ‘của chuỗi DNA khi các điều kiện nhất định được đáp ứng. TDT có thể nối thêm cả bốn nucleotide nhưng cho thấy một ưu tiên cho guanine (g) và cytosine (c). TDT có thể được tìm thấy một cách tự nhiên trong các tế bào bạch huyết non nớt, Pre-B và Pre-T, nơi nó thực hiện đa dạng hóa di truyền cho các hệ thống miễn dịch của chúng ta bằng cách thêm các căn cứ vào đầu 3 ‘(ba nguyên tố) của DNA của chúng ta.
Sybr xanh I.
Sybr (phát âm như Cyber) là một phân tử liên kết với DNA tạo thành một phức hợp nhuộm DNA hấp thụ ánh sáng xanh và phát ra ánh sáng xanh. Hơn nữa, SYBR ưu tiên liên kết với DNA hai sợi nhưng sẽ liên kết DNA đơn bị mắc kẹt ở mức độ thấp hơn.
Mục tiêu làm DNA trong không gian
Bây giờ chúng ta đang nói cùng một ngôn ngữ, hãy xem xét mục tiêu thực hiện DNA tùy ý trong không gian enzyme. Chính xác thì điều đó có nghĩa là gì, và tại sao không gian? Được rồi, hãy lấy từ này bằng từ:
Tùy ý: Quá trình của chúng tôi không chỉ đơn giản là tạo các bản sao của DNA (như PCR) mà thay vào đó nên tạo bất kỳ chuỗi nào (ví dụ: Agctatc) mà người ta có thể nhập vào máy tính (và có thể tồn tại vật lý).
DNA: Tôi nghĩ rằng bạn đã có cái này
Trong không gian: Ý nghĩa rõ ràng: Chúng tôi muốn thiết bị cuối cùng của chúng tôi hoạt động trong không gian, áp dụng tất cả các loại hạn chế vật lý và hóa học.
EnzymeChility: Chúng tôi muốn sử dụng một phương pháp tổng hợp DNA mới bằng cách sử dụng enzyme thay vì phương pháp phosphoramidite nhiều nguồn lực nguy hiểm và chuyên sâu.
Thêm khả năng sản xuất DNA tùy chỉnh trong MicroGraVity có thể có nghĩa là một bước nhảy vọt đáng kể về khả năng sống sót của chúng ta. OSM phục vụ như một bộ công cụ của Biohacker vì những vấn đề không thể chứng mức, chúng ta sẽ gặp phải trong các môi trường mới khi chúng ta hỗ trợ cuộc sống và xung quanh các hành tinh khác.
Tóm lại, chúng tôi muốn tạo các oligonucleotide có thể xác định trong môi trường không gian khắt khe với phương pháp dựa trên enzyme mới. Họ nói đặt mục tiêu của bạn cao, phải không?
Sản phẩm khả thi tối thiểu (MVP)
Được rồi, có lẽ không cao. Ít nhất, không phải ban đầu. Thay vì nhảy vào tất cả hoặc không có gì, chúng ta đã chọn cách tiếp cận lặp đi lặp lại. Bây giờ, chúng tôi đang làm việc để ra mắt một sản phẩm khả thi tối thiểu của người VikingMột vài lý do:
Để xác nhận công việc của chúng tôi cho đến nay
Để trở nên thoải mái với thiết kế sẵn sàng cho không gian
Để có được dữ liệu không gian thực
Để có được uy tín cho các lần ra mắt trong tương lai
Quy trình MVP.
Vì đây là sản phẩm khả thi tối thiểu của chúng tôi, chúng tôi sẽ cắn một miếng nhỏ từ mục tiêu tổng thể của chúng tôi. Như vậy, MVP của chúng tôi sẽ tổng hợp một homopolyme ở cuối oligo hiện có thay vì tạo DNA hoàn toàn tùy tiện. Chúng tôi sẽ không kiểm soát hoàn toàn theo trình tự (tất cả trong thời gian tốt) nhưng chúng tôi sẽ chứng minh một bằng chứng khái niệm về một số công việc của chúng tôi.
Đầu tiên, chúng ta sẽ bắt đầu với các chuỗi DNA của Adenine (a) của DNA trong dung dịch. Khi trong không gian, chúng ta sẽ tăng nhiệt độ và cho phép TDT nối sâu thymine (T) vào các sợi.
Vì thymine (t) và adenine (a) là bổ sung, DNA sợi đơn sẽ tạo thành DNA hai sợi.
Sau đó, chúng ta sẽ sử dụng Sybr Green I để khám phá nếu có DNA bị mắc kẹt trong giải pháp, để xác định xem thử nghiệm của chúng ta có hoạt động hay không. Điều này hoạt động vì SyBR ưu tiên liên kết với DNA bị mắc kẹt và chỉ fluoresces nếu bị ràng buộc với DNA. Bước xác minh này cực kỳ quan trọng vì chúng tôi sẽ không được chứng minh, và khoa học được thực hiện mà không cần xác minh không thực sự là khoa học.
Ngoài ra, Kẹp tóc DNA hoặc chính thức hơn, ghép đôi cơ sở nội phân của thân cây, là thứ đã được đưa lên như một vấn đề có thể với thiết kế này. Nếu DNA liên kết với chính nó, nó không thể liên kết với các chuỗi khác. Nghe có vẻ như một vấn đề, phải không? Nhưng hãy nhìn kỹ: nếu DNA liên kết với chính nó. Ngay cả khi chúng ta tạo thành kẹp tóc thay vì DNA hai sợi “thích hợp, chúng ta vẫn sẽ có DNA hai sợi, mà chúng ta có thể phát hiện.
Khi xem xét, chúng tôi đang sử dụng một enzyme có mục đích là đa dạng hóa di truyền với sybr xanh i, một phân tử thường được sử dụng để nhuộm gel được sử dụng trong điện di để tổng hợp DNA trong không gian.
Bây giờ, trong khi điều này nghe có vẻ đơn giản trong thực tế, sinh học tổng hợp luôn luôn đơn giản. Tuy nhiên, trong kinh nghiệm sinh học của tôi, không có gì đơn giản. Tất cả các loại dữ liệu là cần thiết để chúng tôi có thể tự tin rằng thiết bị của chúng tôi sẽ hoạt động. Những gì chúng ta đã làm cho đến nay:
Dữ liệu khả thi của kẹp tóc
Xác nhận rằng chúng ta có thể tổng hợp các homopolyme với TDT một cách hiệu quả và đáng tin cậy với tất cả các nucleotide
Xác định khả năng tương thích lâu dài của thuốc thử của chúng tôi (họ có thể ngồi với nhau hơn 2 tháng)
Khám phá sự phụ thuộc nhiệt độ của Sybr Green I
Xác định các cấp độ mà chúng ta có thể khám phá sự khác biệt giữa DNA bị mắc kẹt và hai sợi với SYBR Green I
Thiết kế MVP.
Trực quan thiết kế khái niệm ban đầu (Nhấp để hoạt hình đầy đủ 22MB)
Làm việc với các enzyme trong không gian là khó khăn. TDT đặc biệt yêu cầu nhiệt độ được kiểm soát, dung dịch đệm và một hộp không phải là kim loại, tất cả được duy trì trong hơn một tháng trong không gian. Hơn nữa, chúng tôi cần một hệ thống xác minh trên tàu, có nghĩa là chúng tôi sẽ cần các bộ lọc mong manh và truy cập trực quan vào các mẫu của chúng tôi.
Thiết kế ban đầu của chúng tôi có các PDM 50μL (một buồng phản ứng hữu cơ có chất hữu cơ dựa trên silicon) được bao quanh bởi bộ cân bằng nhiệt nhôm được làm nóng bởi các mô-đun Peltier. Các mô-đun Peltier hiện đang chuyển / hấp thụ nhiệt của chúng đến / từ một tản nhiệt chung hơn là một thứ gì đó cụ thể hơn, vì chúng tôi không biết điều kiện khởi chạy của chúng tôi có thể là gì. Hơn nữa, một photodiode, bộ lọc và led ôm buồng phản ứng PDMS, cho phép các bài kiểm tra huỳnh quang để xác minh thành công thí nghiệm.
Beyond MVP.
Khi MVP của chúng tôi chỉ là một bước đệm cho mục tiêu cuối cùng của chúng tôi, chúng tôi đã làm việc trên tất cả các thứ khác. Chẳng hạn, chúng tôi đang làm việc trên một điện phát sáng trên thiết bị điện môi (xem bên phải) như một vị điểm dành cho các thiết bị vi mô thông thường thường được sử dụng trong không gian.
μwet, bởi vì nó nhỏ và nó ướt
Chúng tôi cũng đã khám phá pyrosequation và tổng hợp trên các hạt từ tính. Ngoài ra, chúng tôi nói về DNA đến nỗi chúng tôi đã tạo ra phần mềm trực quan hóa DNA của BARE BONES để tạo điều kiện cho cuộc trò chuyện. (Hình ảnh DNA trong bài viết này được tạo bởi phần mềm này.)
Tuy nhiên, theo như chúng tôi đến, chúng tôi vẫn đang tuôn ra thiết kế của chúng tôi và sẽ thích bất kỳ ý tưởng nào bạn có thể có. Cụ thể, chúng tôi gặp vấn đề với việc tìm kiếm các nhà sản xuất PCB có khoảng cách theo dõi tối thiểu 1mil. Mẹo, lời khuyên và cuộc trò chuyện lành mạnh về điều này đều được hoan nghênh trong các ý kiến dưới đây.