フェムトリットル液滴アレイを用いた単一DNA分子からのタンパク質合成のための超並列合成法

A Femtoliter Droplet Array for Massively Parallel Protein Synthesis from Single DNA Molecules.

• Yi Zhang
• Kanako Kurosawa
• Daisuke Nishiura
• Mika Tei
• Mikiko Tsudome

抄録

科学機器の空間分解能や検出感度の向上により、小型リアクターの生物学的・化学的研究への応用が可能になってきています。私たちは、高性能マイクロリアクターへの要求に応えるため、フェムトリットル液滴アレイ（FemDA）デバイスを開発し、無細胞タンパク質合成（CFPS）反応への応用を実証しました。2段階のオイルシールプロトコルを用いて、100万個以上の均一な液滴を指一本分の面積で容易に生成することができました。すべての液滴は、親水性の底部と疎水性の側壁で構成されたフェムトリットルのマイクロチャンバーに固定されていました。親水性-疎水性のハイブリッド構造と専用のシーリングオイルと界面活性剤は、フェムトリットル水溶液を蒸発損失なしにフェムトリットル空間に安定的に保持するために非常に重要である。フェムトリッター構成とFemDA装置のシンプルな構造により、試薬の消費量を最小限に抑えることができました。液滴反応器の寸法が均一であることから、大規模な定量測定や時間経過測定に説得力があり、信頼性が高いものとなりました。FemDA技術は、CFPS反応のタンパク質収率を各液滴中のDNA分子数と相関させました。装置の微細加工、フェムトリットル液滴の形成、顕微鏡画像データの取得と解析の手順を合理化しました。最適化された低ランニングコストの詳細なプロトコルにより、標準的なクリーンルーム設備と従来の蛍光顕微鏡があれば、誰もがFemDA技術にアクセスできるようになりました。

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and chemical research. To meet the demand for high-performance microreactors, we developed a femtoliter droplet array (FemDA) device and exemplified its application in massively parallel cell-free protein synthesis (CFPS) reactions. Over one million uniform droplets were readily generated within a finger-sized area using a two-step oil-sealing protocol. Every droplet was anchored in a femtoliter microchamber composed of a hydrophilic bottom and a hydrophobic sidewall. The hybrid hydrophilic-in-hydrophobic structure and the dedicated sealing oils and surfactants are crucial for stably retaining the femtoliter aqueous solution in the femtoliter space without evaporation loss. The femtoliter configuration and the simple structure of the FemDA device allowed minimal reagent consumption. The uniform dimension of the droplet reactors made large-scale quantitative and time-course measurements convincing and reliable. The FemDA technology correlated the protein yield of the CFPS reaction with the number of DNA molecules in each droplet. We streamlined the procedures about the microfabrication of the device, the formation of the femtoliter droplets, and the acquisition and analysis of the microscopic image data. The detailed protocol with the optimized low running cost makes the FemDA technology accessible to everyone who has standard cleanroom facilities and a conventional fluorescence microscope in their own place.