LITOS: 광유전학적 자극을 위한 다용도 LED 조명 도구

Dec 22, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13139(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광유전학은 높은 시공간 해상도로 생물학적 과정을 조작하는 핵심 도구가 되었습니다. 최근에는 광유전학 실험에서 처리량을 제공하기 위해 수많은 상용 및 오픈 소스 다중 웰 조명 장치가 개발되었습니다. 그러나 사용 가능한 상용 장치는 여전히 비싸고 유연성이 부족한 반면, 오픈 소스 솔루션에는 프로그래밍 지식이 필요하거나 복잡한 조립 프로세스가 포함됩니다. 우리는 조명 소스로 시중에서 판매되는 32 × 64 LED 매트릭스를 제어하는 ​​조립된 인쇄 회로 기판을 기반으로 하는 광유전학 자극(LITOS)을 위한 LED 조명 도구를 제시합니다. LITOS는 납땜 없이 빠르게 조립할 수 있으며 장치 자체에 호스팅된 웹사이트를 통해 액세스할 수 있는 사용하기 쉬운 인터페이스를 포함합니다. 복잡한 빛 자극 패턴은 코딩 전문 지식 없이도 쉽게 프로그래밍할 수 있습니다. LITOS는 다양한 형태의 멀티웰 플레이트, 페트리 접시, 플라스크와 함께 사용할 수 있습니다. 우리는 FGFR1 및 Raf 광유전학 액추에이터를 사용하여 다양한 동적 광 자극 체제에 반응하여 MAPK/ERK 신호 전달 경로의 활동을 측정하여 LITOS를 검증했습니다. LITOS는 웰의 모든 세포를 균일하게 자극할 수 있으며 유연한 시간적 자극 방식을 허용합니다. LITOS의 경제성과 사용 용이성은 모든 실험실에서 광유전학을 민주화하는 것을 목표로 합니다.

광유전학은 신경생물학에서 처음 사용되었지만 현재는 높은 시공간 해상도로 다양한 세포 생물학적 과정을 제어하는 ​​데 널리 사용됩니다2. 이는 거의 모든 세포 생물학적 과정을 제어하는 ​​작동기를 구축하도록 설계된 다수의 빛 반응 단백질 도메인의 발견으로 가능해졌습니다2. 세포 시스템을 교란시키는 광유전학의 정확성은 동적 조절에 대한 더 깊은 이해로 이어질 수 있습니다3. 그러나 광유전학 실험에는 적절한 광학 자극 하드웨어도 필요합니다.

고전적인 광유전학 실험 설정은 자동 광학 현미경을 사용하여 광유전학 작동기를 발현하는 세포를 자극하고 원하는 세포 출력을 기록합니다. 형광 현미경의 스펙트럼 호환 바이오센서와 결합하면 이 설정은 광유전학 액추에이터를 사용하여 세포 입력을 제어하고 바이오센서를 사용하여 출력 역학을 기록할 수 있습니다4. 이는 신호 역학5,6,7을 연구하는 매우 강력한 접근 방식임이 입증되었습니다. 불행하게도 현미경 렌즈 시스템의 시야는 빛 자극을 받는 세포의 수를 제한합니다. 따라서 현미경은 생화학적 방법을 사용하여 세포 출력을 측정하기에 충분한 세포를 자극할 수 없습니다. 또한, 병렬로 유도될 수 있는 다양한 입력 자극 패턴의 수가 제한됩니다. 마지막으로, 여러 날의 시간 규모에서 세포를 장기간 광유전학적으로 제어하는 ​​것은 비실용적이거나 비용이 너무 많이 들 수 있으며, 특히 현미경 검사 시설에서는 더욱 그렇습니다.

이미징 프로세스에서 자극을 분리하기 위해 전용 조명 소스를 사용하면 이러한 제한 사항 중 일부를 피할 수 있습니다. 인큐베이터에 장착된 LED 스트라이프는 다수의 세포에서 광유전학적 작동기를 자극하는 데 사용될 수 있으며, 웨스턴 블롯, 단백질체학 또는 전사체학8과 같은 생화학적 방법을 사용하여 세포 출력을 측정할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

보다 고급 설정에서는 마이크로컨트롤러와 광원을 결합하여 다중 웰 플레이트의 개별 웰을 특별히 조명합니다. 이를 통해 다양한 패턴의 광 입력을 병렬로 사용하여 여러 우물을 자극할 수 있어 실험 처리량이 더 높아집니다. LED를 조명원으로 활용하는 다양한 하드웨어 솔루션이 개발되었습니다9,10,11,12. 이러한 오픈 소스 장치는 상당히 저렴하지만 프로그래밍 지식이 필요하며 대부분의 실험실에서 사용할 수 없는 제조 전문 지식에 의존할 수 있습니다. 최근 일부 상용 제품(예: AXION Biosystems의 LUMOS)이 시장에 출시되었지만 가격은 여전히 ​​높습니다. 실험적 유연성을 제공하는 저렴하고 조립하기 쉽고 사용자 친화적인 장치는 광유전학 커뮤니티에서 아직 누락되었습니다.