Compartmentalized reactions as a case of soft-matter biotechnology: Synthesis of proteins and nucleic acids inside lipid vesicles

Journal of Materials Chemistry

Volumn 21, Issue 47, 2011, Pages 18887-18902

  Stano, Pasquale ^a   Carrara, Paolo ^a   Kuruma, Yutetsu ^b   Pereira De Souza, Tereza ^c   Luisi, Pier Luigi ^a  

^a ROMA TRE UNIVERSITY   (Italy)

^b UNIVERSITY OF TOKYO   (Japan)

^c FRIEDRICH SCHILLER UNIVERSITY JENA   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CELL EXTRACTS; CELL-FREE; DROPLET TRANSFER; IN-VITRO; LIPID VESICLES; MICRO-FLUIDIC DEVICES; ORIGIN OF LIFE; PREPARATION METHOD; PROTEIN SYNTHESIS; RESEARCH FIELDS; SYNTHETIC BIOLOGY; WATER-IN-OIL;

BIOTECHNOLOGY; CELLS; LIPOSOMES; NUCLEIC ACIDS; PHOSPHOLIPIDS; PROTEINS;

BIOSYNTHESIS;

EID: 81855192773     PISSN: 09599428     EISSN: 13645501     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c1jm12298c     Document Type: Article

References (179)

1. P. L. Luisi F. Ferri P. Stano Naturwissenschaften 2006 93 1 13
2. P. L. Luisi, The Emergence of Life: from Chemical Origin to Synthetic Biology, Cambridge University Press, Cambridge UK, 2006
3. P. Stano and P. L. Luisi, in Molecular Encapsulation: Organic Reactions in Constrained Systems, ed., U. H. Brinker, and, J.-L. Mieusset, Wiley, Chichester, 2010, pp. 455-491
4. Minimal Cells. The Biophysics of Cell Compartment and the Origin of Cell Functionality, ed., P. L. Luisi, and, P. Stano, Springer, Dordrecht, 2011
5. Protocells. Bridging Nonliving and Living Matter, ed., S. Rasmussen, M. A. Bedau, L. Chen, D. Deamer, D. C. Krakauer, N. H. Packard, and, P. F. Stadler, MIT Press, Cambridge MA, 2009
6. P.-A. Monnard D. W. Deamer Anat. Rec. 2002 268 196 207
7. P.-A. Monnard J. Membr. Biol. 2003 191 87 97
8. S. S. Mansy J. W. Szostak Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 2009 74 47 54
9. D. S. Tawfik A. D. Griffiths Nat. Biotechnol. 1998 16 652 656
10. V. Taly B. T. Kelly A. D. Griffiths ChemBioChem 2007 8 263 272
11. A. B. Theberge F. Courtois Y. Schaerli M. Fischlechner C. Abell F. Hollfelder W. T. S. Huck Angew. Chem., Int. Ed. 2010 49 5846 5868
12. A. V. Pietrini P. L. Luisi ChemBioChem 2004 5 1055 1062
13. D. Fiordemondo P. Stano ChemBioChem 2007 8 1965 1973
14. D. Avnir S. Braun O. Lev M. Ottolenghi Chem. Mater. 1994 6 1605 1614
15. F. Caruso D. Trau H. Mohwald R. Renneberg Langmuir 2000 16 1485 1488
16. D. E. Discher A. Eisenberg Science 2002 297 967 973
17. P. L. Luisi Anat. Rec. 2002 268 208 214
18. K. Kaneko, Life: An Introduction to Complex Systems Biology, Springer, Berlin, 2006, pp. 37-46
19. P. L. Luisi Chem. Biodiversity 2007 4 603 621
20. C. Chiarabelli P. Stano P. L. Luisi Curr. Opin. Biotechnol. 2009 20 492 497
21. Chemical Synthetic Biology, ed., P. L. Luisi, and, C. Chiarabelli, Wiley, Chichester, 2011
22. P. L. Luisi, in Chemical Synthetic Biology, ed., P. L. Luisi, and, C. Chiarabelli, Wiley, Chichester, 2011, pp. 343-362
23. A. P. Liu D. A. Fletcher Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009 10 644 650
24. P. L. Luisi T. Oberholzer A. Lazcano Helv. Chim. Acta 2002 85 1759 1777
25. V. De Lorenzo A. Danchin EMBO Rep. 2008 9 822
26. H. J. Morowitz, Beginning of Cellular Life. Metabolism Recapitulates Biogenesis, Yale University Press, New Haven, 1992
27. F. Dyson, Origins of Life, Cambridge University Press, Cambridge UK, 2nd edn, 1999
28. J. W. Szostak D. P. Bartel P. L. Luisi Nature 2001 409 387 390
29. H. R. Maturana and F. J. Varela, Autopoiesis and Cognition: The Realization of the Living, Reidel, Dordrecht, 1980
30. P. L. Luisi Naturwissenschaften 2003 90 49 59
31. P. L. Luisi F. J. Varela Origins Life Evol. Biosphere 1990 19 633 643
32. P. A. Bachmann P. L. Luisi J. Lang Nature 1992 357 57 59
33. P. Walde R. Wick M. Fresta A. Mangone P. L. Luisi J. Am. Chem. Soc. 1994 116 11649 11654
34. A. R. Mushegian E. V. Koonin Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1996 93 10268 10273
35. R. Gil F. J. Silva J. Peretó A. Moya Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2004 68 518 537
36. A. C. Forster G. M. Church Mol. Syst. Biol. 2006 2 45
37. C. S. Henry R. Overbeek R. L. Stevens Biotechnol. J. 2010 5 695 704
38. A. D. Bangham M. M. Standish J. C. Watkins J. Mol. Biol. 1965 13 238 252
39. A. D. Bangham Prog. Biophys. Mol. Biol. 1968 18 29 95
40. J. M. Gebicki M. Hicks Chem. Phys. Lipids 1976 16 142 160
41. W. R. Hargreaves D. W. Deamer Biochemistry 1978 17 3759 3768
42. D. W. Deamer G. L. Barchfeld J. Mol. Evol. 1982 18 203 206
43. P. L. Luisi Adv. Chem. Phys. 1996 92 425 438
44. D. W. Deamer J. P. Dworkin Top. Curr. Chem. 2005 259 1 27
45. K. Morigaki P. Walde Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2007 12 75 80
46. A. Blume, in Phospholipid Handbook, ed., G. Cevc, Marcel Dekker, New York, 1993, pp. 455-509
47. O. G. Mouritsen, Life - As a Matter of Fat. The Emerging Science of Lipidomics, Springer, Berlin, 2005, pp. 81-89
48. R. B. Gennis, Biomembranes. Molecular Structure and Function, Springer, New York, 1989, p. 246
49. G. Cevc, in Phospholipid Handbook, ed., G. Cevc, Marcel Dekker, New York, 1993, pp. 639-661
50. P. Walde A. Goto P.-A. Monnard M. Wessicken P. L. Luisi J. Am. Chem. Soc. 1994 116 7541 7544
51. A. C. Chakrabarti R. R. Breaker G. F. Joyce D. W. Deamer J. Mol. Evol. 1994 39 555 559
52. T. Oberholzer R. Wick P. L. Luisi C. K. Biebricher Biochem. Biophys. Res. Commun. 1995 207 250 257
53. T. Oberholzer K. H. Nierhaus P. L. Luisi Biochem. Biophys. Res. Commun. 1999 261 238 241
54. W. Yu K. Sato M. Wakabayashi T. Nakatshi E. P. Ko-Mitamura Y. Shima I. Urabe T. Yomo J. Biosci. Bioeng. 2001 92 590 593
55. D. G. Gibson J. I. Glass C. Lartigue V. N. Noskov et al. Science 2010 329 52 56
56. D. Lasic, Liposomes. From Physics to Applications, Elsevier, Amsterdam, 1993
57. Ann. N. Y. Acad. Sci., 1978, 308, 1 443
58. In vitro Transcription and Translation Protocols - Methods in Molecular Biology, ed., G. Grandi, Humana Press, Totowa NJ, 2nd edn, 2007, vol. 375
59. Cell-free Protein Synthesis. Methods and Protocols, ed., A. S. Spirin, and, J. R. Swartz, Wiley, Weinheim, 2008
60. L. M. Dominak C. D. Keating Langmuir 2007 23 7148 7154
61. P. Stano Origins Life Evol. Biosphere 2007 37 439 444
62. P. Stano Biotechnol. J. 2011 6 850 859
63. P. Carrara, M. Caputo, L. Luiselli, F. Mavelli and P. Stano, unpublished results
64. Liposomes. A Practical Approach, ed., R. R. C. New, IRL Press (at Oxford University Press), New York, 1990
65. P. Walde, in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, ed., H. S. Nalwa, American Scientific Publishers, 2003, pp. 1-37
66. P. Walde K. Cosentino H. Hengel P. Stano ChemBioChem 2010 11 848 865
67. M. J. Hope M. B. Bally G. Webb P. R. Cullis Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 1985 812 55 65
68. H. Kikuchi N. Suzuki K. Ebihara H. Morita Y. Ishii A. Kikuchi S. Sugaya T. Serikawa K. Tanaka J. Controlled Release 1999 62 269 277
69. J. P. Reeves R. M. Dowben J. Cell. Physiol. 1969 73 49 60
70. K. Tsumoto H. Matsuo M. Tomita T. Yoshimura Colloids Surf., B 2009 68 98 105
71. M. I. Angelova D. S. Dimitrov Faraday Discuss. Chem. Soc. 1986 81 303 311
72. T. Shimanouchi H. Umakoshi R. Kuboi Langmuir 2009 25 4835 4840
73. S. M. Nomura K. Tsumoto T. Hamada K. Akiyoshi Y. Nakatani K. Yoshikawa ChemBioChem 2003 4 1172 1175
74. S. Batzri E. D. Korn Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 1973 298 1015 1019
75. A. Domazou and P. L. Luisi, J. Liposome Res., 12, 205 220
76. T. Oberholzer P. L. Luisi J. Biol. Phys. 2002 28 733 744
77. T. Souza P. Stano P. L. Luisi ChemBioChem 2009 10 1056 1063
78. P. L. Luisi M. Allegretti T. Souza F. Steiniger A. Fahr P. Stano ChemBioChem 2010 11 1989 1992
79. T. Souza, F. Steiniger, P. Stano, A. Fahr and P. L. Luisi, ChemBiochem 10.1002/cbic.201100306
80. S. Pautot B. J. Frisken D. A. Weitz Langmuir 2003 19 2870 2879
81. S. Pautot B. J. Frisken D. A. Weitz Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003 100 10718 10721
82. Z. Xiao M. Xu M. Li Z. Lu Y. Wei Supramol. Sci. 1998 5 619 622
83. L. L. Pontani J. van der Gucht G. Salbreux J. Heuvingh J.-F. Joanny C. Sykes Biophys. J. 2009 96 192 198
84. M. Ohno T. Hamada K. Takiguchi M. Homma Langmuir 2009 25 11680 11685
85. T. Hamada Y. Miura Y. Komatsu Y. Kishimoto M. Vestergaard M. Takagi J. Phys. Chem. B 2008 112 14678 14681
86. V. Noireaux A. Libchaber Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2004 101 17669 17674
87. H. Saito Y. Kato M. Le Berre A. Yamada T. Inoue K. Yosikawa D. Baigl ChemBioChem 2009 10 1640 1643
88. K. Yamaji T. Kanai S.-I. M. Nomura K. Akiyoshi M. Negishi Y. Chen H. Atomi K. Yoshikawa T. Imanaka IEEE Trans. NanoBiosci. 2009 8 325 331
89. Y. Schaerli F. Hollfelder Mol. BioSyst. 2009 5 1392 1404
90. X. Casadevall i Solvas A. deMello Chem. Commun. 2011 47 1936 1942
91. S. Sugiura T. Kuroiwa T. Kagota M. Nakajima S. Sato S. Mukataka P. Walde S. Ichikawa Langmuir 2008 24 4581 4588
92. P. C. Hu S. Li N. Malmstadt ACS Appl. Mater. Interfaces 2011 3 1434 1440
93. S. Ota S. Yoshizawa S. Takeuchi Angew. Chem., Int. Ed. 2009 48 6533 6537
94. S. Matosevic B. M. Paegel J. Am. Chem. Soc. 2011 133 2798 2800
95. H. Tarui M. Murata I. Tani S. Imanishi S. Nishikawa T. Hara Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001 55 446 453
96. F. Katzen G. Chang W. Kudlicki Trends Biotechnol. 2005 23 150 156
97. S. Mikami T. Kobayashi M. Masutani S. Yokoyama H. Imataka Protein Expression Purif. 2008 62 190 198
98. Y. Shimizu A. Inoue Y. Tomari T. Suzuki T. Yokogawa K. Nishikawa T. Ueda Nat. Biotechnol. 2001 19 751 755
99. Y. Shimizu T. Kanamori T. Ueda Methods 2005 36 299 304
100. T. Sunami K. Sato T. Matsuura K. Tsukada I. Urabe T. Yomo Anal. Biochem. 2006 357 128 136
101. G. Murtas Y. Kuruma P. Bianchini A. Diaspro P. L. Luisi Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007 363 12 17
102. J. R. Hillebrecht S. Chong BMC Biotechnol. 2008 8 58
103. T. Souza, P. Stano and P. L. Luisi, unpublished results
104. P. Walde S. Ichikawa Biomol. Eng. 2001 18 143 177
105. F. Caschera P. Stano P. L. Luisi J. Colloid Interface Sci. 2010 345 561 565
106. T. Sunami F. Caschera Y. Morita T. Toyota K. Nishimura T. Matsuura H. Suzuki M. M. Hanczyc T. Yomo Langmuir 2010 26 15098 15103
107. K. Tsumoto, K. Kamiya and T. Yoshimura, Proceedings of the International Symposium on Micro-Nanomechanotronics and Human Science, 2006, pp. 1-6 10:1109/MHS.2006.320308
108. P. Bucher A. Fischer P. L. Luisi T. Oberholzer P. Walde Langmuir 1998 14 2712 2721
109. A. Fischer A. Franco T. Oberholzer ChemBioChem 2002 3 409 417
110. P.-A. Monnard A. Luptak D. W. Deamer Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 2007 362 1741 1750
111. M. Treyer P. Walde T. Oberholzer Langmuir 2002 18 1043 1050
112. M. Yoshimoto S. Q. Wang K. Fukunaga M. Treyer P. Walde R. Kuboi K. Nakao Biotechnol. Bioeng. 2004 85 222 233
113. J. J. Kasianovicz E. Brandin D. Branton D. W. Deamer Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1996 93 13770 13773
114. A. Graff M. Winterhalter W. Meier Langmuir 2001 17 919 923
115. V. Vamvakaki D. Fournier N. A. Chaniotakis Biosens. Bioelectron. 2005 21 384 388
116. M. Yoshimoto S. Wang K. Fukunaga D. Fournier P. Walde R. Kuboi K. Nakao Biotechnol. Bioeng. 2005 90 231 238
117. K. Ruiz-Mirazo F. Mavelli BioSystems 2008 91 374 387
118. K. Ishikawa K. Sato Y. Shima I. Urabe T. Yomo FEBS Lett. 2004 576 387 390
119. Y. Kuruma P. Stano T. Ueda P. L. Luisi Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 2009 1788 567 574
120. Z. Cheng P. L. Luisi J. Phys. Chem. B 2003 107 10940 10945
121. I. A. Chen R. W. Roberts J. W. Szostak Science 2004 305 1474 1476
122. F. Mavelli K. Ruiz-Mirazo Phys. Biol. 2010 7 036002
123. F. Mavelli K. Ruiz-Mirazo Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 2007 362 1789 1802
124. F. Mavelli, in Minimal Cells. The Biophysics of Cell Compartment and the Origin of Cell Functionality, ed., P. L. Luisi, and, P. Stano, Springer, Dordrecht, 2011, pp. 255-274
125. T. Matsuura Y. Kazuta T. Aita J. Adachi T. Yomo Mol. Syst. Biol. 2009 5 297
126. J. M. Frazier Y. Chushak B. Foy BMC Syst. Biol. 2009 3 64
127. M. Amidi M. de Raad H. de Graauw D. van Ditmarsch W. E. Hennink D. J. A. Crommelin E. Mastrobattista J. Liposome Res. 2010 20 73 83
128. H. Saito, A. Yamada, R. Ohmoril, Y. Kato, T. Yamanaka, K. Yoshikawa and T. Inoue, in Proceedings of the International Symposium on Micro- Nanomechanotronics and Human Science, 2007, pp. 286-291
129. H. Kita T. Matsuura T. Sunami K. Hosoda N. Ichinashi K. Tsukada I. Urabe T. Yomo ChemBioChem 2008 9 2403 2410
130. K. Hosoda T. Sunami Y. Kazuta T. Matsuura H. Suzuki T. Yomo Langmuir 2008 24 13540 13548
131. T. Sunami K. Hosoda H. Suzuki T. Matsuura T. Yomo Langmuir 2010 26 8544 8551
132. H. T. Bui H. Umakoshi K. X. Ngo M. Nishida et al. Langmuir 2008 24 10537 10542
133. R. Tachibana H. Harashima T. Ishida Y. Shinohara et al. Biol. Pharm. Bull. 2002 25 529 531
134. H. Umakoshi K. Suga H. T. Bui M. Nishida J. Biosci. Bioeng. 2009 108 450 454
135. H. T. Bui H. Umakoshi K. Suga T. Tanabe et al. Biochem. Eng. J. 2010 52 38 43
136. A. G. Lee Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 2004 1666 62 87
137. C. Klammt F. Löhr B. Schäfer W. Haase V. Dötsch H. Rüterjans C. Glaubitz F. Bernhard Eur. J. Biochem. 2004 271 568 580
138. R. Kalmbach I. Chizhov M. C. Schumacher T. Friedrich E. Bamberg M. Engelhard J. Mol. Biol. 2007 371 639 648
139. L. Liguori B. Marques A. Villegas-Méndez R. Rothe J.-L. Lenormand Expert Rev. Proteomics 2007 4 79 90
140. R. Robelek E. S. Lemker B. Wiltschi V. Kirste R. Naumann D. Oesterhelt E.-K. Sinner Angew. Chem., Int. Ed. 2007 46 605 608
141. S. M. Nomura S. Kondoh W. Asayama A. Asada S. Nishikawa K. Akiyoshi J. Biotechnol. 2008 133 190 195
142. F. Katzen T. C. Peterson W. Kudlicki Trends Biotechnol. 2009 27 455 460
143. R. J. Cabelli L. Chen P. C. Tai D. B. Oliver Cell 1988 55 683 692
144. T. A. Rapoport Nature 2007 450 663 669
145. K. Nishiyama M. Maeda M. Abe T. Kanamori K. Shimamoto S. Kusumoto T. Ueda H. Tokuda Biochem. Biophys. Res. Commun. 2010 394 733 736
146. T. A. Lincoln G. F. Joyce Science 2009 323 1229 1232
147. A. Wochner J. Attwater A. Coulson P. Holliger Science 2011 332 209 212
148. P. Stano P. L. Luisi Chem. Commun. 2010 46 3639 3653
149. T. Oberholzer M. Albrizio P. L. Luisi Chem. Biol. 1995 2 677 682
150. K. Shohda M. Tamura Y. Kageyama K. Suzuki A. Suyama T. Sugawara Soft Matter 2011 7 3750 3753
151. K. Shohda T. Sugawara Soft Matter 2006 2 402 408
152. D. Torino C. Del Bianco L. A Ross J. L. Ong S. S. Mansy BMC Res. Notes 2011 4 128
153. K. Tsumoto S. M. Nomura Y. Nakatani K. Yoshikawa Langmuir 2001 17 7225 7228
154. T. Hitz M. Blocher P. Walde P. L. Luisi Macromolecules 2001 34 2443 2449
155. T. Hitz P. L. Luisi Biopolymers 2001 55 381 390
156. H. H. Zepik S. Rajamani M.-C. Maurel D. W. Deamer Origins Life Evol. Biosphere 2007 37 495 505
157. S. Rajamani A. Vlassov S. Benner A. Coombs F. Olasagasti D. W. Deamer Origins Life Evol. Biosphere 2008 38 57 74
158. F. Olasagasti H. J. Kim N. Pourmand D. W. Deamer Biochimie 2011 93 556 561
159. S. Mansy J. P. Schrum M. Krishnamurthy S. Tobé D. A. Treco J. W. Szostak Nature 2008 454 122 125
160. M. Osawa D. E. Andereson H. P. Erickson Science 2008 320 792 794
161. A. Roux G. Cappello J. Cartaud J. Prost B. Goud P. Basserau Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002 99 5394 5399
162. G. Koster M. VanDuijn B. Hofs M. Dogterom Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003 100 15583 15588
163. A. P. Liu D. A. Fetcher Biophys. J. 2006 91 4064 4070
164. A. P. Liu D. L. Richmond L. Maibaum S. Pronk P. L. Geissler D. A. Fletcher Nat. Phys. 2008 4 789 793
165. T. Wollert C. Wunder J. Lippincott-Schwartz J. H. Hurley Nature 2009 458 172 177
166. D. Merkle N. Kahya P. Schwille ChemBioChem 2008 9 2673 2681
167. K. Takiguchi, M. Negishi, Y. Tanaka-Takiguchi, M. Homma and K. Yoshikawa, in Proceedings of the International Symposium on Micro-Nanomechanotronics and Human Science, 2009, pp. 197-201, 10.1109/MHS.2009.5351868
168. P. L. Luisi Origins Life Evol. Biospheres 1998 28 613 622
169. P. LeDuc et al. Nat. Genet. 2007 39 3 7
170. Y. Zhang W. C. Ruder P. R. LeDuc Trends Biotechnol. 2008 26 14 20
171. M. Hadorn P. Eggenberger Hotz PLoS One 2010 5 e9886
172. L. Cronin N. Krasnogor B. G. Davis C. Alexander N. Robertson J. H. Steinke S. L. Schroeder A. N. Khlobystov G. Cooper P. M. Gardner P. Siepmann B. J. Whitaker D. Marsh Nat. Biotechnol. 2006 24 1203 1206
173. P. M. Gardner K. Winzer B. G. Davis Nat. Chem. 2009 1 377 383
174. M. Kenada S. M. Nomura S. Ichinose S. Kondo K. Nakahama K. Akiyoshi I. Morita Biomaterials 2009 30 3971 3977
175. R. J. Mart K. P. Liem S. J. Webb Pharm. Res. 2009 26 1701 1710
176. M. Adorn P. Eggenberger Hotz PLoS One 2010 5 e9886
177. A. Jesorka N. Stepanyants H. Zhang B. Ortmen B. Hakonen O. Orwar Nat. Protoc. 2011 6 791 805
178. M. Abkarian A. Viallat Biophys. J. 2005 89 1055 1066
179. K. Kurihara M. Tamura K. Shohda T. Toyota K. Suzuki T. Sugawara Nat. Chem. 2011 10.1038/nchem.1127