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Nonequilibrium Spatiotemporal Sensing within Acoustically Patterned Two-Dimensional Protocell Arrays
ACS Central Science ( IF 12.7 ) Pub Date : 2018-11-14 00:00:00 , DOI: 10.1021/acscentsci.8b00555 Liangfei Tian 1 , Mei Li 1 , Juntai Liu 2 , Avinash J Patil 1 , Bruce W Drinkwater 3 , Stephen Mann 1
ACS Central Science ( IF 12.7 ) Pub Date : 2018-11-14 00:00:00 , DOI: 10.1021/acscentsci.8b00555 Liangfei Tian 1 , Mei Li 1 , Juntai Liu 2 , Avinash J Patil 1 , Bruce W Drinkwater 3 , Stephen Mann 1
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Acoustically trapped periodic arrays of horseradish peroxidase (HRP)-loaded poly(diallydimethylammonium chloride) / adenosine 5′-triphosphate coacervate microdroplet-based protocells exhibit a spatiotemporal biochemical response when exposed to a codiffusing mixture of substrate molecules (o-phenylenediamine (o-PD) and hydrogen peroxide (H2O2)) under nonequilibrium conditions. Unidirectional propagation of the chemical concentration gradients gives rise to time- and position-dependent fluorescence signal outputs from individual coacervate microdroplets, indicating that the organized protocell assembly can dynamically sense encoded information in the advancing reaction-diffusion front. The methodology is extended to arrays comprising spatially separated binary populations of HRP- or glucose oxidase-containing coacervate microdroplets to internally generate a H2O2 signal that chemically connects the two protocell communities via a concerted biochemical cascade reaction. Our results provide a step toward establishing a systematic approach to study dynamic interactions between organized protocell consortia and propagating reaction-diffusion gradients, and offer a new methodology for exploring the complexity of protocellular communication networks operating under nonequilibrium conditions.
中文翻译：
声学图案二维原始细胞阵列中的非平衡时空传感
负载辣根过氧化物酶 (HRP) 的聚（二甲基二甲基氯化铵）/腺苷 5'-三磷酸凝聚层微滴基原细胞的声学捕获周期性阵列在暴露于底物分子（邻苯二胺 ( o - PD ) 的共扩散混合物时表现出时空生化反应) 和过氧化氢 (H 2 O 2)) 在非平衡条件下。化学浓度梯度的单向传播产生了来自单个凝聚层微滴的时间和位置依赖性荧光信号输出，表明有组织的原始细胞组件可以动态地感知前进的反应扩散前沿中的编码信息。该方法扩展到包含空间分离的二元群体的 HRP 或葡萄糖氧化酶凝聚微滴的阵列，以在内部产生 H 2 O 2通过协同的生化级联反应化学连接两个原始细胞群落的信号。我们的研究结果为建立一种系统的方法来研究有组织的原始细胞联盟和传播的反应扩散梯度之间的动态相互作用提供了一个步骤，并为探索在非平衡条件下运行的原始细胞通信网络的复杂性提供了一种新方法。
更新日期：2018-11-14
中文翻译：
声学图案二维原始细胞阵列中的非平衡时空传感
负载辣根过氧化物酶 (HRP) 的聚（二甲基二甲基氯化铵）/腺苷 5'-三磷酸凝聚层微滴基原细胞的声学捕获周期性阵列在暴露于底物分子（邻苯二胺 ( o - PD ) 的共扩散混合物时表现出时空生化反应) 和过氧化氢 (H 2 O 2)) 在非平衡条件下。化学浓度梯度的单向传播产生了来自单个凝聚层微滴的时间和位置依赖性荧光信号输出，表明有组织的原始细胞组件可以动态地感知前进的反应扩散前沿中的编码信息。该方法扩展到包含空间分离的二元群体的 HRP 或葡萄糖氧化酶凝聚微滴的阵列，以在内部产生 H 2 O 2通过协同的生化级联反应化学连接两个原始细胞群落的信号。我们的研究结果为建立一种系统的方法来研究有组织的原始细胞联盟和传播的反应扩散梯度之间的动态相互作用提供了一个步骤，并为探索在非平衡条件下运行的原始细胞通信网络的复杂性提供了一种新方法。
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