文章名稱：Large-scale-integration and collective oscillations of 2D artificial cells

期刊：Nature Communications IF 17

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54098-0

【引言】

隨著半導體與微流體技術的發展，大規模集成（LSI）概念逐漸得到了廣泛應用。20世紀70年代，集成電路通過在硅片上構建二維層顯著提升了元件密集度， 21世紀，微流控技術用軟單片微閥精準操控成千上萬的微型流體室。這種技術融合到合成生物學中，尤其是在無細胞轉錄-翻譯（TXTL）技術的支持下，科學家們期望通過基因編程的人工細胞來模擬自然生物組織的集體行為和計算功能。但此前人工細胞研究大多局限于一維布局，缺乏對二維結構的探索，限制了模擬復雜生物過程的能力。

近期，以色列魏茨曼科學研究學院的研究團隊斬獲重大突破，成功實現人工細胞的二維大規模集成。作者利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3在芯片上創新性地構筑了30×30的方格網絡，通過基因振蕩器突破性地展示了集體振蕩和同步現象。通過精心的微結構設計，作者準確調節細胞間的耦合強度，從而觀察到在不同耦合條件下，同步傳播前沿的動態變化行為。這項研究不僅為理解基因表達的時空動態模式提供了新的研究平臺，同時也推進了合成生物學在人工細胞領域的發展。相關研究成果以《Large-scale-integration and collective oscillations of 2D artificial cells》為題，發表于國際SCI期刊《Nature Communications》。

【圖文導讀】

圖1. a.所制備芯片的結構示意圖。b.DNA在微腔中的空間分布結果。c.DNA刷（紅色，Alexa 647）和細胞外表達的GFP（綠色）的疊加熒光圖。d.根據(b)中的分布，在t=3.35小時時的GFP的熒光表征結果。e.根據(b)中GFP表達結果的剖面圖。f.不同時長下（5-19分鐘）微腔芯片的明場圖像，刻度尺150微米。g. 微腔中遺傳振蕩器的表達結果。h.單一微腔的掃描電子顯微鏡圖像，刻度尺20微米。i.振蕩器周期隨微腔壽命變化的函數圖。

圖2. a. 30×30的互通微腔芯片。b. GFP向鄰近微腔擴散的纖維結果。c. t=60分鐘（橙色圓盤）、t=120分鐘（綠色三角）、t=240分鐘（黑色方塊）時空間分布。d.初始位置和相鄰微腔中的GFP濃度隨時間變化的曲線。e.GFP濃度在不同微腔中的濃度分布圖。

圖3. a.疊加了明場和熒光圖像的DNA刷，展示了在30×30耦合陣列。刻度尺150微米。b.在網格中，九個時間點的GFP表達圖的二維渲染。c 微腔中GFP的表達圖像。刻度尺300微米。d.所有900個振蕩器隨時間的GFP信號。e. 900個振蕩器相對于均值的相位函數的極坐標圖。時間點用紅色標記。f.三個時間點的振蕩器相對于空間均值的相位的二維渲染結果。

圖4. a. 利用MicroWriter所制備的微流控裝置在芯片背面的示意圖。從芯片的入口處，流體被分成32個等效流，以均勻分配TXTL無細胞提取液的資源。b.芯片背面的顯微圖（刻度尺3毫米）。入口在密封的PDMS板上打孔。無細胞提取液流動后被分成32個平行的流道。每條通道連接到32個微腔，連接了微腔和流道。c.平行微通道的特寫及流量分流器（刻度尺1000微米）。d.在背面流道中跟蹤熒光顆粒（PIV）可以估算流道中的平均速度，v=1.2毫米/分鐘（刻度尺250微米）。e.使用PIV技術測量每個通道的無細胞提取液的平均速度。

圖5. a.利用MicroWriter所制備的芯片上覆蓋液滴的顯微圖，每個液滴都是通過SciFLEXARRAY技術分配到微腔中。刻度尺1000 µm。b.分配液滴的顯微照片。刻度尺500 µm。c.顯示針頭噴出40 pl液滴的圖像。

【結論】

以色列魏茨曼科學研究學院的研究團隊在二維大規模集成的人工細胞體系里，成功實現基因編程的振蕩器達成集體振蕩和同步效果。其中，強耦合振蕩器在網絡中展現出快速的前沿傳播和相位的平滑變化。研究還發現，網絡邊界對振蕩器的同步有顯著影響，直接引起相位的差異。通過調整人工細胞的尺寸和耦合強度，可以有效控制集體行為。這為基因表達模式的研究和細胞間化學信號的傳播提供了新的研究途徑。值得一提的是，從該團隊對小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3的運用實踐來看，MicroWriter能夠在非傳統基底上迅速實現高精度的光刻任務，無論是光刻的精細度、復雜度，還是套刻的精準度，都能夠滿足科研中多樣化、高標準的光刻需求，為芯片等領域的研究提供堅實的技術支持。

圖6.小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

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