ابزاری که دنیای درون سلولی را در آزمایشگاه شبیه‌سازی می‌کند

در سلول‌‌های زنده، واکنش‌های بیوشیمیایی  با "تبادل انرژی و مواد با محیط اطراف" در "حالت ثابت" اتفاق می‌افتند. به طور کلی، سیستم‌های برون‌تنی در آزمایشگگاه از این تبادل استفاده نمی کنند، بنابراین این سیستم‌ها به تعادل شیمیایی می‌رسند و بررسی شبکه‌های بیوشیمیایی پیچیده‌ای که در داخل یک سلول رخ می دهد دشوار است.

 برای حل این مشکل، نیدرهولتمایر و همکاران با استفاده از یک سیستم میکروسیالی اقدام به ساخت سامانه سلول روی تراشه کردند، سیستمی که می‌تواند برای بیان ژن استفاده شود.

 این سیستم بر اساس راکتورهای میکروسیالی به ابعاد نانولیتر ساخته شده بود. به این سیستم، مخلوطی حاوی اجزای لازم برای بیان ژن در مراحل رقت، در کنار الگو DNA اضافه می‌شود. این امر منجر به جابجایی سیالی شده که قبلاً در سیستم وجود داشته است. برای تعیین مقدار DNA ، RNA و پروتئین موجود در سیستم از برچسب فلورسانس استفاده شد. این سلول روی تراشه قادر بود بیان ژن حالت پایدار را برای حدود 30 ساعت حفظ کند.

دستاوردهای به دست آمده در مسیر توسعه سیستم سلول روی تراشه باعث به وجود آمدن سامانه‌هایی شده است که می‌توانند با موفقیت ژن‌ها را در خارج از سلول بیان کنند. در این فناوری از راکتورهای زیستی، وزیکول‌ها و مدارهای ژنتیکی شبیه مورفوژنیک استفاده شده است. یکی از مسائلی که می تواند هنگام طراحی یک سیستم سلول روی تراشه مصنوعی بوجود آید، نحوه اندازه‌گیری تغییرات دینامیکی در بیان ژن هنگام استفاده از سیستم بیان مستمر است. برای حل این مسئله، از تراشه‌های میکروسیالی با شیرهای سوئیچینگ برای بیان ژن پایدار و پویا استفاده شده است. با این حال، این سیستم‌ها همچنین دارای اشکالاتی هستند که شیب غلظت مولکول‌ها به طور بالقوه با جریان مایع، به ویژه آنهایی که در یک منطقه کوچک هستند، از بین می‌روند. این موضوع بسیار مهم است، زیرا فرآیندهای خاص مورفولوژیکی توسط تغییرات غلظت مولکول ها کنترل می شوند.

کارزبرون و همکارانش اقدام به ارائه سامانه‌ای کردند که می تواند چنین شیب های غلظت و همچنین بیان ژن را در تراکم سطح بالا و گردش پروتئینی حفظ کند. این سیستم با الگوهای DNA شروع می شود، که کدگذاری ژن هایی که سلول روی تراشه قرار است بیان کند، روی این رشته‌های DNA قرار داده می‌شود. این الگوهای DNA دو رشته‌ای بر روی محفظه‌های دایره‌ای درون تراشه سیلیکون جمع شده‌اند. این محفظه ها توسط کانال‌هایی به هم متصل می‌شدند ، سپس به کانال‌های جریان وصل می‌شدند.

محققان سلول‌های اشریشیا کلی را به این سلول روی تراشه اضافه کردند، جایی که مقاومت در برابر جریان بالا در کانال، منجر به انتشار اجزای واکنش‌ به بخش‌های DNA شد. این امر باعث می شود تا متابولیسم درون سلول روی تراشه به طور مداوم حفظ شود. در ادامه سنتز پروتئین در محفظه‌های DNA رخ می دهد.