OSM adalah singkatan dari sintesis oligonukleotida yang dirancang untuk digunakan dalam mikro, yang berarti bahwa itu adalah perangkat yang membuat untaian DNA sewenang-wenang (dengan panjang sedang) di ruang angkasa. eh luar biasa? Saya telah mengerjakan proyek ini selama delapan bulan terakhir dengan tim sesama peretas yang luar biasa sebagai bagian dari inisiatif ruang siswa Stanford, dan saya ingin berbagi apa yang kami lakukan, apa yang telah kami lakukan, dan kemana kita akan pergi
Kenapa ruang? Nah, pertama-tama, ruang itu keren. Tetapi lebih serius, akses ke DNA sewenang-wenang di ruang angkasa dapat mempercepat penelitian di sejumlah besar bidang, dan kemampuan bakteri insinyur genetika untuk menghasilkan zat (katakanlah pada koloni Mars) dapat berarti perbedaan antara kematian dan tembakan hemat jiwa. Singkatnya, sulit untuk memprediksi DNA yang tepat yang mungkin diperlukan untuk penelitian atau penggunaan praktis sebelum tangan.
Pertama, ketika Hackaday cenderung sedikit cahaya pada terminologi biologi, kita perlu mendapatkan sedikit kosakata keluar dari jalan untuk menggosok cara komunikasi. Jika Anda memiliki Ph.D. Dalam biologi sintetis, Anda mungkin ingin melewati bagian ini. Jika tidak, berikut adalah lima istilah cepat yang akan membuat otak Anda lebih besar, jadi tetap bersamaku!
Asam deoksiribonukleat (DNA)
Karena DNA adalah fokus dari proyek ini, itu adalah yang terpenting bahwa satu memahami DNA sebelum melanjutkan. Tetapi, karena sebagian besar telah melihat DNA dalam kursus biologi sekolah menengah, saya akan tetap pendek dan sederhana.
Pertama, DNA adalah polimer yang terdiri dari nukleotida. Nukleotida adalah blok bangunan DNA, dan terdiri dari salah satu dari empat nukleoba – sitosin (c), guanine (g), adenine (a), atau thymine (t) – gula yang disebut deoksibribosa, dan kelompok fosfat. Nukleotida yang berbeda dapat mengikat intermolekul untuk nukleotida yang sesuai (A ke T; C ke G) pada untaian DNA yang berbeda. Jika pangkalan pada untaian DNA adalah pelengkap pangkalan pada untaian lain, kedua polimer dapat mengikat dan membentuk DNA yang untai ganda. Dan, satu lagi catatan: DNA memiliki dua ujung yang berbeda: ujung tiga prime (3 ‘) dan lima ujung utama (5’).
Oligonucleotide (ah-li-go-new-klee-o-pasang)
Oligonukleotida adalah molekul DNA pendek atau RNA dan sangat berguna dalam penelitian umum, pengujian genetik, dan bioengineering. Panjang oligo (pendek untuk oligonukleotida) biasanya dilambangkan sebagai 30-Mer atau D30 dalam kasus oligo dengan 30 pangkalan. Seberapa singkat untaian DNA harus dianggap oligo? Nah, kembali ketika kami … katakanlah tidak begitu baik pada sintesis DNA, oligonukleotida dengan tegas dalam kisaran 2-50. Namun, dengan munculnya fosforamidit (metode sintesis DNA anorganik), oligonukleotida dapat berkisar dari 2-1000 + pangkalan.
Homopolymer.
Sebuah oligonukleotida hanya terdiri dari satu jenis pangkalan (misalnya AAAAAA yang bertentangan dengan AGTCTG) disebut homopolimer.
Terminal Deoxynucleotidyl Transferase (TDT)
Terminal Deoxynucleotidyl Transferase, umumnya disingkat TDT, adalah enzim seperti polimerase yang dapat menambahkan nukleotida sewenang-wenang ke ujung untai DNA ketika kondisi tertentu terpenuhi. TDT dapat menambahkan keempat nukleotida tetapi menunjukkan preferensi untuk guanine (g) dan sitosin (c). TDT dapat ditemukan secara alami dalam sel limfoid yang belum matang, pra-B, dan pra-t di mana ia melakukan diversifikasi genetik untuk sistem kekebalan tubuh kita dengan menambahkan basis ke ujung 3 ‘(tiga prima) DNA kita.
Sybr Green I.
SYBR (diucapkan seperti cyber) adalah molekul yang mengikat DNA membentuk kompleks DNA-dye yang menyerap cahaya biru dan memancarkan cahaya hijau. Selain itu, SYBR secara istimewa berikatan dengan DNA berganda-domba tetapi akan mengikat DNA tanpa batas ke tingkat yang lebih rendah.
Tujuan membuat DNA di ruang angkasa
Sekarang kita berbicara bahasa yang sama, mari kita lihat tujuan lain untuk membuat DNA sewenang-wenang di luar angkasa secara enzimatik. Apa sebenarnya artinya itu, dan mengapa ruang? Oke, mari kita ambil kata ini dengan kata:
Secara arbitrer: Proses kami seharusnya tidak hanya membuat salinan DNA (seperti PCR) tetapi sebaiknya membuat urutan apa pun (mis. AGCTATC) yang dapat diketik ke dalam komputer (dan secara fisik dapat ada).
DNA: Saya pikir kalian semua punya ini
Dalam ruang: makna yang jelas: Kami ingin perangkat akhir kami bekerja di ruang angkasa, yang memaksakan segala macam batasan fisik dan kimia.
Enzimatis: Kami ingin menggunakan metode baru sintesis DNA menggunakan enzim alih-alih metode fosforamidit intensif yang berbahaya dan sumber daya.
Menambahkan kemampuan untuk memproduksi DNA kustom dalam mikro dapat berarti lompatan yang substansial maju dalam kemampuan kita untuk bertahan hidup dari Bumi. OSM berfungsi sebagai toolkit biohacker untuk masalah yang tidak dapat ditakdirkan yang akan kita hadapi di lingkungan baru ketika kita mendukung kehidupan di dan di sekitar planet-planet lain.
Singkatnya, kami ingin membuat oligonukleotida yang dapat didefinisikan di lingkungan ruang yang menuntut dengan metode berbasis enzim baru. Mereka mengatakan menetapkan tujuan Anda tinggi, bukan?
Produk minimal yang layak (MVP)
Oke, mungkin tidak terlalu tinggi. Setidaknya, awalnya tidak. Daripada melompat dalam semua atau tidak sama sekali, kami telah memilih untuk mengambil pendekatan iteratif. Sekarang, kami sedang berupaya meluncurkan “produk minimal yang layak” untukBeberapa alasan:
Untuk memvalidasi pekerjaan kita sejauh ini
Untuk menjadi nyaman dengan desain siap ruang
Untuk mendapatkan data ruang nyata
Untuk mendapatkan kredibilitas untuk peluncuran masa depan
Proses mvp.
Karena ini adalah produk kami yang layak minimal, kami mengambil gigitan kecil dari keseluruhan tujuan kami. Dengan demikian, MVP kami akan mensintesis homopolimer di ujung oligo yang ada daripada membuat DNA yang sepenuhnya sewenang-wenang. Kami tidak akan memiliki kendali penuh atas urutannya (semua dalam waktu yang baik) tetapi kami akan menunjukkan bukti konsep beberapa pekerjaan kami.
Pertama, kita akan mulai dengan homopolymer adenine (a) untai DNA dalam larutan. Setelah di luar angkasa, kita akan menaikkan suhu dan memungkinkan TDT untuk menambahkan thymine (t) ke untaian.
Karena thymine (t) dan adenine (a) komplementer, DNA untai tunggal harus membentuk DNA untai ganda.
Kemudian, kita akan menggunakan Sybr Green I untuk menemukan jika ada DNA untai ganda dalam larutan, untuk menentukan apakah percobaan kita berhasil. Ini berfungsi karena SYBR secara istimewa berikatan dengan DNA untai ganda, dan hanya fluoresces jika terikat pada DNA. Langkah verifikasi ini sangat penting karena kita akan tak berawak, dan sains yang dilakukan tanpa verifikasi bukanlah sains.
Selain itu, DNA jepit rambut atau lebih secara formal, pasangan stem-loop intramolecular pairing, adalah sesuatu yang telah dibesarkan sebagai masalah yang mungkin dengan desain ini. Jika DNA mengikat dengan sendirinya, itu tidak dapat mengikat dengan untaian lain. Kedengarannya seperti masalah, kan? Tapi perhatikan baik-baik: Jika DNA mengikat dengan sendirinya. Bahkan jika kita membentuk jepit rambut daripada DNA double-stranded double, kita masih akan memiliki DNA untai ganda, yang dapat kita deteksi.
Dalam ulasan, kami menggunakan enzim yang tujuannya adalah diversifikasi genetik dengan SYBR Green I, molekul yang biasa digunakan untuk gel pewarnaan yang digunakan dalam elektroforesis untuk mensintesis DNA dalam ruang.
Sekarang, sementara ini terdengar sederhana dalam praktiknya, biologi sintetis selalu terdengar sederhana. Namun, dalam pengalaman biologi saya, tidak ada yang sederhana. Semua jenis data diperlukan sehingga kami dapat yakin perangkat kami akan berfungsi. Apa yang telah kami lakukan sejauh ini:
Data viabilitas jepit rambut
Dikonfirmasi bahwa kita dapat mensintesis homopolimer dengan TDT secara efektif dan andal dengan semua nukleotida
Ditentukan kompatibilitas jangka panjang dari reagen kami (mereka mungkin duduk bersama selama 2+ bulan)
Menjelajahi ketergantungan suhu dari Sybr Green I
Menentukan level di mana kita dapat menemukan perbedaan antara DNA yang terdampar dan bergelombang ganda dengan Sybr Green I
Desain MVP.
Visualisasi desain konsep awal (klik untuk animasi penuh 22MB)
Bekerja dengan enzim di ruang sulit. TDT secara khusus membutuhkan suhu yang dikendalikan, solusi buffer, dan wadah non-logam, semua berkelanjutan selama lebih dari satu bulan di ruang angkasa. Selain itu, kami memerlukan sistem verifikasi di papan, yang berarti kami akan membutuhkan filter rapuh dan akses visual ke sampel kami.
Desain awal kami menampilkan PDM 50μL (ruang reaksi organik berbasis silikon) yang jelas dikelilingi oleh equalizer panas aluminium yang dipanaskan oleh modul Peltier. Modul Peltier saat ini mentransfer / menyerap panasnya ke / dari heatsink generik daripada sesuatu yang lebih spesifik aplikasi, karena kita tidak tahu apa kondisi peluncuran kita. Selain itu, fotodioda, filter dan dipimpin memeluk ruang reaksi PDMS, memungkinkan tes fluoresensi untuk memverifikasi kesuksesan eksperimental.
Melampaui MVP
Karena MVP kami hanyalah batu loncatan ke tujuan utama kami, kami telah mengerjakan segala macam hal lainnya. Misalnya, kami sedang mengerjakan elektrowetting pada perangkat dielektrik (lihat kanan) sebagai stand-in untuk perangkat mikrofluida konvensional yang biasa digunakan di ruang angkasa.
μwet, karena kecil dan basah
Kami juga telah mengeksplorasi pyrosequencing dan sintesis pada manik-manik magnetik. Selain itu, kami berbicara tentang DNA sehingga kami membuat perangkat lunak visualisasi DNA tulang telanjang untuk memfasilitasi percakapan. (Gambar DNA dalam artikel ini dihasilkan oleh perangkat lunak ini.)
Namun, sejauh yang kami datangi, kami masih menyiram desain kami dan akan menyukai ide yang mungkin Anda miliki. Secara khusus, kami mengalami masalah dengan menemukan produsen PCB yang memiliki spasi jejak minimum sub 1mil. Kiat, saran dan percakapan sehat tentang ini semua disambut di komentar di bawah ini.