LITOS: 光遺伝学的刺激のための多用途 LED 照明ツール

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13139 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

光遺伝学は、高い時空間分解能で生物学的プロセスを操作するための重要なツールとなっています。最近、光遺伝学実験におけるスループットを提供するために、多くの商用およびオープンソースのマルチウェル照明デバイスが開発されています。ただし、市販のデバイスは依然として高価で柔軟性に欠けていますが、オープンソースソリューションにはプログラミングの知識が必要であったり、複雑な組み立てプロセスが含まれたりすることがあります。市販の 32 × 64 LED マトリックスを照明源として制御する、組み立てられたプリント基板に基づく光遺伝学的刺激用 LED 照明ツール (LITOS) を紹介します。 LITOS ははんだ付けをせずにすぐに組み立てることができ、デバイス自体でホストされている Web サイトからアクセスできる使いやすいインターフェイスを備えています。コーディングの専門知識がなくても、複雑な光刺激パターンを簡単にプログラムできます。 LITOS は、さまざまな形式のマルチウェルプレート、ペトリ皿、フラスコで使用できます。我々は、FGFR1およびRaf光遺伝学的アクチュエーターを使用して、さまざまな動的光刺激レジームに応答するMAPK / ERKシグナル伝達経路の活性を測定することにより、LITOSを検証しました。 LITOS はウェル内のすべての細胞を均一に刺激することができ、柔軟な時間的刺激スキームを可能にします。 LITOS の手頃な価格と使いやすさは、あらゆる研究室で光遺伝学を民主化することを目的としています。

光遺伝学は神経生物学で最初に使用されました 1 が、現在では高い時空間分解能でさまざまな細胞生物学的プロセスを制御するために広く使用されています 2。これは、ほぼすべての細胞生物学的プロセスを制御するアクチュエーターを構築するために設計された多数の光応答性タンパク質ドメインの発見によって可能になりました 2。細胞システムを混乱させる光遺伝学の正確さは、細胞システムの動的な制御のより深い理解につながる可能性があります3。ただし、光遺伝学的実験には、適切な光刺激ハードウェアも必要です。

古典的な光遺伝学的実験セットアップでは、自動光学顕微鏡を使用して、光遺伝学的アクチュエーターを発現する細胞を刺激し、所望の細胞出力を記録します。蛍光顕微鏡でスペクトル互換性のあるバイオセンサーと組み合わせると、このセットアップは、光遺伝学的アクチュエーターを使用して細胞入力を制御し、バイオセンサーを使用して出力ダイナミクスを記録することができます4。これは、シグナル伝達ダイナミクスを研究するための非常に強力なアプローチであることが証明されています5、6、7。残念ながら、顕微鏡のレンズシステムの視野により、光刺激を受ける細胞の数が制限されます。したがって、顕微鏡では、生化学的方法を使用して細胞出力を測定するのに十分な細胞を刺激することができません。さらに、並行して誘発できる異なる入力刺激パターンの数は制限されています。最後に、特に顕微鏡施設では、数日の時間スケールでの細胞の長期光遺伝学的制御は非現実的であるか、費用がかかりすぎる可能性があります。

専用の照明源を使用して刺激をイメージングプロセスから分離すると、これらの制限の一部が回避されます。インキュベーターに取り付けられた LED ストライプを使用して、多数の細胞の光遺伝学アクチュエーターを刺激することができ、ウェスタンブロット、プロテオミクス、トランスクリプトミクスなどの生化学的手法を使用して細胞の出力を測定する可能性が開かれます8。

より高度なセットアップでは、マイクロコントローラーと光源を組み合わせて、マルチウェルプレートの個々のウェルを特別に照明します。これにより、異なるパターンの光入力で複数のウェルを並行して刺激できるようになり、実験のスループットが向上します。 LED を照明源として利用する多くのハードウェアソリューションが開発されています9、10、11、12。これらのオープンソースデバイスはかなり安価ですが、プログラミングの知識が必要であり、ほとんどの研究室では利用できない製造の専門知識に依存している可能性があります。最近、いくつかの市販製品 (AXION Biosystems の LUMOS など) が市場に参入しましたが、コストは依然として高いです。実験の柔軟性を提供する、安価で組み立てが簡単でユーザーフレンドリーなデバイスは、光遺伝学のコミュニティではまだ存在していません。