Sunidhi Chandrakanth Shetty

• Eukaryotic cells can be regarded as complex microreactors capable of performing various biochemical reactions in parallel which are necessary to sustain life. An essential prerequisite for these complex metabolic reactions to occur is the evolution of lipid membrane-bound organelles enabling compartmental- ization of reactions and biomolecules. This allows for a spatiotemporal control over the metabolic reactions within the cellular system. Intracellular organi- zation arising due to compartmentalization is a key feature of all living cells and has inspired synthetic biologists to engineer such systems with bottom-up approaches. Artificial cells provide an ideal platform to isolate and study specific re- actions without the interference from the complex network of biomolecules present in biological cells. To mimic the hierarchical architecture of eukaryotic cells, multi-compartment assemblies with nested liposomal structures also re- ferred to as multi-vesicular vesicles (MVVs) have been widely adopted. Most of the previouslyEukaryotic cells can be regarded as complex microreactors capable of performing various biochemical reactions in parallel which are necessary to sustain life. An essential prerequisite for these complex metabolic reactions to occur is the evolution of lipid membrane-bound organelles enabling compartmental- ization of reactions and biomolecules. This allows for a spatiotemporal control over the metabolic reactions within the cellular system. Intracellular organi- zation arising due to compartmentalization is a key feature of all living cells and has inspired synthetic biologists to engineer such systems with bottom-up approaches. Artificial cells provide an ideal platform to isolate and study specific re- actions without the interference from the complex network of biomolecules present in biological cells. To mimic the hierarchical architecture of eukaryotic cells, multi-compartment assemblies with nested liposomal structures also re- ferred to as multi-vesicular vesicles (MVVs) have been widely adopted. Most of the previously reported multi-compartment systems adopt bulk method- ologies which suffer from low yield and poor control over size. Microfluidic strategies help circumvent these issues and facilitate a high-throughput and robust technique to assemble MVVs of uniform size distribution. In this thesis, firstly, the bulk methodologies are explored to build MVVs and implement a synthetic signalling cascade. Next, a polydimethylsiloxane (PDMS)-based microfluidic platform is introduced to build MVVs and the significance of PEGylated lipids for the successful encapsulation of inner com- partments to generate stable multi-compartment systems is highlighted. Next, a novel two-inlet channel PDMS-based microfluidic device to create MVVs encompassing a three-step enzymatic reaction cascade is presented. A directed reaction pathway comprising of the enzymes α-glucosidase (α-Glc), glucose oxidase (GOx), and horseradish peroxidase (HRP) spanning across three compartments via reconstitution of size-selective membrane proteins is described. Furthermore, owing to the monodispersity of our MVVs due to microfluidic strategies, this platform is employed to study the effect of com- partmentalization on reaction kinetics. Further integration of cell-free expression module into the MVVs would allow for gene-mediated signal transduction within artificial eukaryotic cells. Therefore, the chemically inducible cell-free expression of a membrane protein alpha-hemolysin and its further reconstitution into liposomes is carried out. In conclusion, the present thesis aims to build artificial eukaryotic cells to achieve size-selective chemical communication that also show potential for applications as micro reactors and as vehicles for drug delivery.…
• Eukaryontische Zellen können als komplexe Mikroreaktoren betrachtet werden, die in der Lage sind, verschiedene biochemische Reaktionen parallel durchzuführen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens notwendig sind. Eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung dieser komplexen Stoffwechselreaktionen ist die Entwicklung von Organellen mit Lipidmembranen, die eine Kompartimentierung von Reaktionen und Biomolekülen ermöglichen. Dies ermöglicht eine räumlich-zeitliche Kontrolle über die Stoffwechselreaktionen innerhalb des zellulären Systems. Die durch die Kompartimentierung entstehende intrazelluläre Organisation ist ein Schlüsselmerkmal aller lebenden Zellen und hat synthetische Biologen dazu inspiriert, solche Systeme mit Bottom-up-Ansätzen zu entwickeln. Künstliche Zellen bieten eine ideale Plattform, um spezifische Reaktionen zu isolieren und zu untersuchen, ohne dass das komplexe Netzwerk von Biomolekülen, das in biologischen Zellen vorhanden ist, stört. Um die hierarchische Architektur eukaryontischer Zellen zu imitieren,Eukaryontische Zellen können als komplexe Mikroreaktoren betrachtet werden, die in der Lage sind, verschiedene biochemische Reaktionen parallel durchzuführen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens notwendig sind. Eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung dieser komplexen Stoffwechselreaktionen ist die Entwicklung von Organellen mit Lipidmembranen, die eine Kompartimentierung von Reaktionen und Biomolekülen ermöglichen. Dies ermöglicht eine räumlich-zeitliche Kontrolle über die Stoffwechselreaktionen innerhalb des zellulären Systems. Die durch die Kompartimentierung entstehende intrazelluläre Organisation ist ein Schlüsselmerkmal aller lebenden Zellen und hat synthetische Biologen dazu inspiriert, solche Systeme mit Bottom-up-Ansätzen zu entwickeln. Künstliche Zellen bieten eine ideale Plattform, um spezifische Reaktionen zu isolieren und zu untersuchen, ohne dass das komplexe Netzwerk von Biomolekülen, das in biologischen Zellen vorhanden ist, stört. Um die hierarchische Architektur eukaryontischer Zellen zu imitieren, haben sich Multikompartiment-Anordnungen mit verschachtelten liposomalen Strukturen, die auch als multivesikuläre Vesikel (MVV) bezeichnet werden, durchgesetzt. Die meisten der bisher vorgestellten Multikompartiment-Systeme basieren auf Bulk-Methoden, die eine geringe Ausbeute und eine schlechte Kontrolle über die Größe aufweisen. Mikrofluidische Strategien helfen, diese Probleme zu umgehen und ermöglichen eine robuste Technik mit hohem Durchsatz, um MVVs mit einheitlicher Größenverteilung herzustellen. In dieser Dissertation werden zunächst die Bulk-Methoden zum Aufbau von MVVs und zur Implementierung einer synthetischen Signalkaskade untersucht. Anschließend wird eine auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierende mikrofluidische Plattform zur Herstellung von MVVs vorgestellt und die Bedeutung von PEGylierten Lipiden für die erfolgreiche Verkapselung der inneren Kompartimente zur Erzeugung stabiler Multikompartiment-Systeme hervorgehoben. Es wird ein neuartiges mikrofluidisches Gerät mit zwei Einlasskanälen auf PDMS-Basis zur Herstellung von MVVs vorgestellt, das eine dreistufige enzymatische Reaktionskaskade umfasst. Es wird ein gerichteter Reaktionsweg beschrieben, der die Enzyme α-Glucosidase (α-Glc), Glucoseoxidase (GOx) und Meerrettichperoxidase (HRP) umfasst und sich über drei Kompartimente erstreckt, die durch die Rekonstitution von größenselektiven Membranproteinen entstehen. Aufgrund der Monodispersität unserer MVVs durch mikrofluidische Strategien nutze ich diese Plattform außerdem, um die Auswirkungen der Kompartimentierung auf die Reaktionskinetik zu untersuchen. Eine weitere Integration von zellfreien Expressionsmodulen in MVVs würde eine genvermittelte Signaltransduktion in künstlichen eukaryotischen Zellen ermöglichen. Daher wird die chemisch induzierbare zellfreie Expression eines Membranproteins alpha-Hämolysin und seine weitere Rekonstitution in Liposomen durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit darauf abzielt, künstliche eukaryotische Zellen zu bauen, um eine größenselektive chemische Kommunikation zu erreichen, und das Potenzial für Anwendungen als Mikroreaktoren und als Vehikel für die Verabreichung von Medikamenten aufweisen.…