从芯片光刻到人工细胞革新, 台式无掩膜直写光刻系统助力一篇Nat. Commun.！

文章名称：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】

    随着半导体与微流体技术的发展，大规模集成（LSI）概念逐渐得到了广泛应用。20世纪70年代，集成电路通过在硅片上构建二维层显著提升了元件密集度， 21世纪，微流控技术用软单片微阀精准操控成千上万的微型流体室。这种技术融合到合成生物学中，尤其是在无细胞转录-翻译（TXTL）技术的支持下，科学家们期望通过基因编程的人工细胞来模拟自然生物组织的集体行为和计算功能。但此前人工细胞研究大多局限于一维布局，缺乏对二维结构的探索，限制了模拟复杂生物过程的能力。

    近期，以色列魏茨曼科学研究学院的研究团队斩获重大突破，成功实现人工细胞的二维大规模集成。作者利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3在芯片上创新性地构筑了30×30的方格网络，通过基因振荡器突破性地展示了集体振荡和同步现象。通过精心的微结构设计，作者准确调节细胞间的耦合强度，从而观察到在不同耦合条件下，同步传播前沿的动态变化行为。这项研究不仅为理解基因表达的时空动态模式提供了新的研究平台，同时也推进了合成生物学在人工细胞领域的发展。相关研究成果以《Large-scale-integration and collective oscillations of 2D artificial cells》为题，发表于国际SCI期刊《Nature Communications》。

【图文导读】

图1. a.所制备芯片的结构示意图。b.DNA在微腔中的空间分布结果。c.DNA刷（红色，Alexa 647）和细胞外表达的GFP（绿色）的叠加荧光图。d.根据(b)中的分布，在t=3.35小时时的GFP的荧光表征结果。e.根据(b)中GFP表达结果的剖面图。f.不同时长下（5-19分钟）微腔芯片的明场图像，刻度尺150微米。g. 微腔中遗传振荡器的表达结果。h.单一微腔的扫描电子显微镜图像，刻度尺20微米。i.振荡器周期随微腔寿命变化的函数图。

图2. a. 30×30的互通微腔芯片。b. GFP向邻近微腔扩散的纤维结果。c. t=60分钟（橙色圆盘）、t=120分钟（绿色三角）、t=240分钟（黑色方块）时空间分布。d.初始位置和相邻微腔中的GFP浓度随时间变化的曲线。e.GFP浓度在不同微腔中的浓度分布图。

图3. a.叠加了明场和荧光图像的DNA刷，展示了在30×30耦合阵列。刻度尺150微米。b.在网格中，九个时间点的GFP表达图的二维渲染。c 微腔中GFP的表达图像。刻度尺300微米。d.所有900个振荡器随时间的GFP信号。e. 900个振荡器相对于均值的相位函数的极坐标图。时间点用红色标记。f.三个时间点的振荡器相对于空间均值的相位的二维渲染结果。

图4. a. 利用MicroWriter所制备的微流控装置在芯片背面的示意图。从芯片的入口处，流体被分成32个等效流，以均匀分配TXTL无细胞提取液的资源。b.芯片背面的显微图（刻度尺3毫米）。入口在密封的PDMS板上打孔。无细胞提取液流动后被分成32个平行的流道。每条通道连接到32个微腔，连接了微腔和流道。c.平行微通道的特写及流量分流器（刻度尺1000微米）。d.在背面流道中跟踪荧光颗粒（PIV）可以估算流道中的平均速度，v=1.2毫米/分钟（刻度尺250微米）。e.使用PIV技术测量每个通道的无细胞提取液的平均速度。

图5. a.利用MicroWriter所制备的芯片上覆盖液滴的显微图，每个液滴都是通过SciFLEXARRAY技术分配到微腔中。刻度尺1000 µm。b.分配液滴的显微照片。刻度尺500 µm。c.显示针头喷出40 pl液滴的图像。

【结论】

    以色列魏茨曼科学研究学院的研究团队在二维大规模集成的人工细胞体系里，成功实现基因编程的振荡器达成集体振荡和同步效果。其中，强耦合振荡器在网络中展现出快速的前沿传播和相位的平滑变化。研究还发现，网络边界对振荡器的同步有显著影响，直接引起相位的差异。通过调整人工细胞的尺寸和耦合强度，可以有效控制集体行为。这为基因表达模式的研究和细胞间化学信号的传播提供了新的研究途径。值得一提的是，从该团队对小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3的运用实践来看，MicroWriter能够在非传统基底上迅速实现高精度的光刻任务，无论是光刻的精细度、复杂度，还是套刻的精准度，都能够满足科研中多样化、高标准的光刻需求，为芯片等领域的研究提供坚实的技术支持。

图6.小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3