基于纸的合成基因网络制造技术

本文公开的是在固体支持物上冻干的基于合成基因网络和/或无细胞体系的耐储存的组合物。所述组合物可以很容易地运输和储存一段时间，并可以通过简单地加入水而得以活化。本文还公开了使用方法，包括但不限于传感和各种逻辑功能。本发明专利技术使得能够将基于合成生物学的技术简单、无菌和非生物地配置至临床设置、食品加工和工业、军用和消费产品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2013年12月6日递交的美国临时申请No.61/913,110和2014年10月22日递交的美国临时申请No.62/066,966的权益，以引用的方式将其各自的内容整体并入本文。
本公开内容大体上涉及用于传感和执行基于合成基因网络的逻辑功能的耐储存的组合物和方法。
技术介绍
合成生物学领域旨在再设计天然系统的组件以解决全球性的挑战，例如降低药物生产或绿色能源和化学的成本。在这样做时，合成生物学家正在创造全细胞生物传感器、合成的益生菌以及药物和绿色能源和新型化学的新的来源。这些技术的核心是控制负责制造的细胞工厂的合成基因网络(Lu等，Nat.Biotechnol.2009，27，1139-1150)。在活细胞中容纳这些工程化途径初步意味着合成生物学已经被限制至实验室和大型商业化运作。正在进行的研究已经试图将合成基因网络移至活细胞以外。例如，已探索脂质体以容纳合成基因网络(Shin和Noireaux，ACS Synth.Biol.2012，1，29-41)。然而，活细胞和合成脂质体都在实践问题如存储和运输方面存在严重的缺点，从而限制了基于合成基因网络的设备的配置及它们的应用。特别是，不可能将这些设备用于按需应用。考虑到合成基因网络的潜力和本领域熟练技术人员所面临的挑战，需要新的组合物和/或方法来促进基于合成基因网络的设备的容易配置和存储。
技术实现思路
本专利技术的多个方面涉及如下发现：当将冻干的合成基因网络和/或包含足够用于模板导向(template-directed)的合成反应的组件的无细胞体系在室温下存放一段时间时，能够保持其生物活性。本专利技术的一个方面涉及包含无细胞体系的耐储存的组合物，所述无细胞体系包含用于模板导向的合成反应的组件，其中，所述无细胞体系被冻干在固体支持物上。一旦复水，无细胞体系可以变成对模板导向的合成反应来说是活化的。在一种实施方式中，耐储存的组合物进一步包含合成基因网络。在一种实施方式中，合成基因网络包含一种或多种核酸。核酸可以包括例如DNA、RNA、人工核酸类似物或它们的组合。在一种实施方式中，模板导向的合成反应是转录反应，并且足够用于转录反应的组件包括：含有启动子的DNA、RNA聚合酶、核糖核苷酸和缓冲系统。在一种实施方式中，模板导向的合成反应是翻译反应，并且足够用于翻译反应的组件包括：核糖体、氨酰转移RNA、翻译因子和缓冲系统。所述组件还可以包括：氨基酸、或者氨基酸和氨酰tRNA合成酶。在一种实施方式中，模板导向的合成反应是偶联的转录和翻译反应，并且足够用于偶联的转录和翻译反应的组件包括：含有启动子的DNA、RNA聚合酶、核糖核苷酸、核糖体、氨酰转移RNA、翻译因子和缓冲系统。所述组件还可以包括：氨基酸、或者氨基酸和氨酰tRNA合成酶。在一种实施方式中，固体支持物是多孔基底，并且耐储存的组合物部分或完全嵌入在多孔基底中。在一种实施方式中，多孔基底包括纸。在一种实施方式中，多孔基底包括石英微纤维、纤维素的混合酯、多孔氧化铝或图案化的表面。在一种实施方式中，用牛血清白蛋白、聚乙二醇、吐温20、Triton-X、奶粉、酪蛋白、鱼明胶或上述中的一种或多种的组合对固体支持物进行预处理。在一种实施方式中，无细胞体系包含全细胞提取物或重组的蛋白转录/翻译系统。在一种实施方式中，全细胞提取物选自于由兔网织红细胞裂解物、小麦胚芽提取物、大肠杆菌(E.coli)提取物和人细胞提取物所组成的组。在一种实施方式中，重组的蛋白转录/翻译系统使得蛋白合成能够使用重组元件(recombinant elements)(PURE)或(New England Biolabs,Ipswich,MA)(参见Shimizu和Ueda，“Pure Technology，”Cell-Free Protein Production:Methods and Protocols,Methods in Molecular Biology，Endo等(编)，Humana 2010；和Shimizu等，“Cell-free translation reconstituted with purified components，”Nature Biotechnology2001，19，751-755)。在一种实施方式中，合成基因网络作为传感器发挥功能。在一种实施方式中，传感器可以检测水性试样中的分析物。在一种实施方式中，分析物的检测可以产生光信号或电子信号。在一种实施方式中，合成基因网络包含逻辑电路。在一种实施方式中，逻辑电路包含与门(AND gate)、非门(NOT gate)、或门(OR gate)、或非门(NOR gate)、与非门(NAND gate)、异或门(XOR gate)、异与门(XAND gate)或它们的组合。在一种实施方式中，在与水和任选的包含触发物的组合物接触时，逻辑电路被激活。在一种实施方式中，触发物选自于由化学元素、小分子、肽、蛋白、核酸、提取物和它们的组合所组成的组。在一种实施方式中，耐储存的组合物耐储存至少2周。本专利技术的相关方面关注的是包含无细胞体系、合成基因网络和固体支持物的耐储存的组合物，该无细胞体系包含足够用于模板导向的合成反应的组件，其中，所述耐储存的组合物基本上没有水，并且其中，一旦复水，所述无细胞体系对所述模板导向的合成反应来说是活化的。本专利技术的另一方面关注的是通过如下处理方法产生的耐储存的组合物，所述处理方法包括：用包含无细胞体系和合成基因网络的水性溶液接触固体支持物，以及冻干所述固体支持物。本专利技术的另一方面关注的是检测分析物的方法，所述方法包括：提供本文所述的耐储存的组合物，其中，所述组合物包含基于核酸的传感器；在使得能够转录和/或翻译的条件下，在水的存在下，使所述组合物与分析物接触；以及检测信号，其中，检测到信号指示分析物的存在。在一种实施方式中，所述方法进一步包括如下步骤：在接触步骤之后，使所述组合物与水分蒸发的屏障(barrier)接触、或将所述组合物封装入封装物(enclosure)中。在一种实施方式中，所述方法可以提供对分析物的量进行的测量。在一种实施方式中，基于核酸的传感器包含报告基因。在一种实施方式中，报告基因编码荧光蛋白、酶或抗原。在一种实施方式中，基于核酸的传感器包含催化核酸。在一种实施方式中，所述方法进一步包括提供荧光团，其中，藉此所述荧光团可以偶联至核酸，从而在荧光方面产生变化。在一种实施方式中，分析物选自于由核酸、病原体、病原体提取物、代谢物、抗生素药物、爆炸性化学品、毒性化学品和工业化学品所组成的组。在一种实施方式中，毒性化学品是重金属或杀虫剂残留。在一种实施方式中，信号是冷光(luminescence)。在一种实施方式中，信号是荧光。在一种实施方式中，信号是可见的颜色。在一种实施方式中，信号是电子信号。在一种实施方式中，分析物处于水性溶液中。本专利技术的另一方面关注的是激活冻干在固体支持物上的合成基因网络的方法，所述方法包括：提供本文所述的耐储存的组合物，其中，所述组合物包含合成基因网络；以及使组合物与水接触。本专利技术的相关方面关注的是激活冻干的合成基因网络的方法，所述方法包括：提本文档来自技高网...

【技术保护点】
包含无细胞体系的耐储存的组合物，所述无细胞体系包含足够用于模板导向的合成反应的组件，其中，所述无细胞体系被冻干在多孔基底上并且基本上没有水，并且其中，一旦复水，所述无细胞体系对所述模板导向的合成反应来说是活化的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.06 US 61/913,110;2014.10.22 US 62/066,9661.包含无细胞体系的耐储存的组合物，所述无细胞体系包含足够用于模板导向的合成反应的组件，其中，所述无细胞体系被冻干在多孔基底上并且基本上没有水，并且其中，一旦复水，所述无细胞体系对所述模板导向的合成反应来说是活化的。2.如权利要求1所述的耐储存的组合物，所述耐储存的组合物进一步包含合成基因网络。3.如权利要求2所述的耐储存的组合物，其中，所述合成基因网络包含核酸。4.如权利要求3所述的耐储存的组合物，其中，所述核酸包括DNA、RNA、人工核酸类似物或它们的组合。5.如权利要求1至4中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述模板导向的合成反应是转录反应。6.如权利要求1至4中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述模板导向的合成反应是翻译反应。7.如权利要求1至4中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述模板导向的合成反应是偶联的转录和翻译反应。8.如权利要求1所述的耐储存的组合物，其中，所述组件足够用于转录反应，并且所述组件包括：含有启动子的DNA、RNA聚合酶、核糖核苷酸和缓冲系统。9.如权利要求1所述的耐储存的组合物，其中，所述组件足够用于翻译反应，并且所述组件包括：核糖体、氨酰转移RNA、翻译因子和缓冲系统。10.如权利要求1所述的耐储存的组合物，其中，所述组件足够用于偶联的转录和翻译反应，并且所述组件包括：含有启动子的DNA、RNA聚合酶、核糖核苷酸、核糖体、氨酰转移RNA、翻译因子和缓冲系统。11.如权利要求1至10中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述多孔基底包括纸、石英微纤维、纤维素的混合酯、多孔氧化铝或图案化的表面。12.如权利要求1至11中任一项所述的耐储存的组合物，其中，将所述多孔基底用如下进行预处理：牛血清白蛋白、聚乙二醇、吐温20、Triton-X、奶粉、酪蛋白、鱼明胶或它们的组合。13.如权利要求1至12中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述无细胞体系包含全细胞提取物或重组的蛋白转录/翻译系统。14.如权利要求13所述的耐储存的组合物，其中，所述全细胞提取物选自于由兔网织红细胞裂解物、小麦胚芽提取物、大肠杆菌提取物和人细胞提取物所组成的组。15.如权利要求13所述的耐储存的组合物，其中，所述重组的蛋白转录/翻译系统从经纯化的大肠杆菌翻译所必需的组件重构成。16.如权利要求2至15中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述合成基因网络作为传感器发挥功能。17.如权利要求16所述的耐储存的组合物，其中，所述传感器可以检测水性试样中的分析物的存在。18.如权利要求17所述的耐储存的组合物，其中，所述分析物的检测产生光信号。19.如权利要求17所述的耐储存的组合物，其中，所述分析物的检测产生电子信号。20.如权利要求2至15中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述合成基因网络包含逻辑电路。21.如权利要求20所述的耐储存的组合物，其中，所述逻辑电路包含：与门、非门、或门、或非门、与非门、异或门、异与门或它们的组合。22.如权利要求20或21所述的耐储存的组合物，其中，在使所述耐储存的组合物与水以及包含触发物的组合物接触时，所述逻辑电路被激活。23.如权利要求22所述的耐储存的组合物，其中，所述触发物选自于由化学元素、小分子、肽、蛋白、核酸、提取物和它们的组合所组成的组。24.如权利要求1至23中任一项所述的耐储存的组合物，其特征在于，所述耐储存的组合物耐储存至少2周。25.包含无细胞体系、合成基因网络和固体支持物的耐储存的组合物，所述无细胞体系包含足够用于模板导向的合成反应的组件，其中，所述耐储存的组合物基本上没有水，并且其中，一旦复水，所述无细胞体系对所述模板导向的合成反应来说是活化的。26.如权利要求25所述的耐储存的组合物，其中，所述合成基因网络包含核酸。27.如权利要求26所述的耐储存的组合物，其中，所述核酸包括DNA、RNA、人工核酸类似物或它们的组合。28.如权利要求25至27中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述模板导向的合成反应是转录反应。29.如权利要求25至27中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述模板导向的合成反应是翻译反应。30.如权利要求25至27中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述模板导向的合成反应是偶联的转录和翻译反应。31.如权利要求25所述的耐储存的组合物，其中，所述组件足够用于转录反应，并且所述组件包括：含有启动子的DNA、RNA聚合酶、核糖核苷酸和缓冲系统。32.如权利要求25所述的耐储存的组合物，其中，所述组件足够用于翻译反应，并且所述组件包括：核糖体、氨酰转移RNA、翻译因子和缓冲系统。33.如权利要求25所述的耐储存的组合物，其中，所述组件足够用于偶联的转录和翻译反应，并且所述组件包括：含有启动子的DNA、RNA聚合酶、核糖核苷酸、核糖体、氨酰转移RNA、翻译因子和缓冲系统。34.如权利要求25至33中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述固体支持物包括纸、石英微纤维、纤维素的混合酯、多孔氧化铝、图案化的表面、管、孔或芯片。35.如权利要求25至34中任一项所述的耐储存的组合物，其中，将所述固体支持物用如下进行预处理：牛血清白蛋白、聚乙二醇、吐温20、Triton-X、奶粉、酪蛋白、鱼明胶或它们的组合。36.如权利要求25至35中任一项所述的耐储存的组合物，其中，所述无细胞体系包含全细胞提取物或重组的蛋白转录/翻译系统。37.如权利要求36所述的耐储存的组合物，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯特·帕迪，詹姆斯·J·柯林斯，
申请(专利权)人：哈佛大学校长及研究员协会，波士顿大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US