Využití mikrofluidiky v metabolickém inženýrství

Bc. Pavel Solanský

Master's thesis

Application of microfluidics in metabolic engineering

Abstract:

Mikrofluidika je rozvíjející se technologie s potenciálem ovlivnit širokou škálu výzkumných odvětví včetně biologie, fyziky, biomedicíny a chemie. Standardní mikrofluidní zařízení sestává z malých mikrokanálků (desítky mikrometrů), které slouží jako experimentální prostor. Typicky se objemy použitého materiálu v experimentech pohybují řádově v nanolitrech až mikrolitrech. Hlavními výhodami mikrofluidiky jsou minimální vstupy vzorku a reagencií, nízká produkce odpadu, precizní kontrola experimentálních podmínek, snížení časových a finančních nároků na experimenty a nároků na nutné vybavení a rychlý zisk rozsáhlých datových souborů. Přesto však bylo publikováno pouze několik prací věnovaných využití mikrofluidiky v metabolickém inženýrství. Nicméně schopnost rychlého screenování rozsáhlých buněčných kultur a genových knihoven (např. metagenomických nebo mutantních) poskytuje nové možnosti pro výzkum v tomto směru. Společně s výpočetními algoritmy umožňujícími automatizaci výzkumného postupu je možné velmi efektivní multifaktoriální screenování za účelem metabolických optimalizací. V této práci bylo vyvinuto mikrofluidní zařízení pro multifaktoriální optimalizaci metabolické dráhy. Zařízení bylo použito pro stechiometrickou optimalizaci degradační dráhy 1,2,3-trichlorpropanu. Toto úsilí bylo provázeno několika nezbytnými optimalizačními kroky, které jsou v práci popsány. V druhé části práce bylo úspěšně použito stejné mikrofluidní zařízení pro in vitro transkripci a translaci. Výsledky demonstrují možnost využití kapénkové mikrofluidiky pro optimalizaci multienzymových systémů za použití cílových genů jakožto vstupního materiálu. Tento přístup značně zjednodušuje mikrofluidní pracovní postup vyloučením pracné přípravy proteinů klasickými metodami předcházející mikrofluidní analýze. Vyvinutá metodologie a navrhovaný další postup založený na získaných výsledcích bude využit k navazujícímu výzkumu a aplikacím v oblasti multienzymových systémů, syntetické biologie a metabolického inženýrství.

Abstract:

Microfluidics is an emerging technology with the potential to influence a wide range of the research fields including a biology, physics, biomedicine and chemistry. Standard microfluidic devices consist of tiny microchannels (tens of micrometres) which serve as an experimental space. Typically, the material volumes in the range from nanolitres to microlitres are used for the experiments. The main advantages of the microfluidics lie the minimal sample and reagents input, low waste production, precise experimental conditions control, experimental time, equipment demands and price reduction and the fast acquisition of large datasets. Despite that, there are just a few published works devoted to the use of the microfluidics in the metabolic engineering so far. However, the ability of fast screening of vast cell cultures and gene libraries (e.g. metagenomic or mutant) provides new possibilities for the research in this field. Together with the computational algorithms enabling the automatization of the research workflow, the highly efficient multifactorial screening for the purpose of the metabolic optimisation is possible. In this work, the microfluidic device for the multifactorial optimisation of multi-enzymatic pathway was developed. It was used for the stoichiometric optimisation of 1,2,3-trichloropropane degradation pathway. This effort was followed by several necessary optimisation steps which are described in the thesis. In the second part, the microfluidic device was used for the successful in vitro transcription and translation. These results demonstrate the possibility to apply the droplet microfluidics for optimisation of multienzyme systems by using target genes as an input material. This can significantly simplify the microfluidic working protocol by excluding the laborious protein preparation by classical methods prior microfluidic analysis. The developed methodology and the suggested further workflow, based on obtained results, will be used for the following research and applications in the field of multienzyme systems, synthetic biology and metabolic engineering.

Keywords

Mikrofluidika, kapénková mikrofluidika, metabolické inženýrství, 1,2,3-trichlorpropan, lab-on-a-chip, in vitro transkripce a translace, optimalizace, Microfluidics, droplet microfluidics, metabolic engineering, 1,2,3-trichloropropane, in vitro transcription and translation, optimization

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 5. 6. 2018
• Supervisor: prof. RNDr. Zbyněk Prokop, Ph.D.
• Reader: Mgr. Pavel Mazura, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Experimental Biology / Molecular Biology and Genetics