Western blotting is a stalwart technique for analyzing specific proteins and/or their post-translational modifications. However, it remains challenging to accommodate more than ∼10 samples per experiment without substantial departure from trusted, established protocols involving accessible instrumentation. Here, we describe a 96-sample western blot that conforms to standard 96-well plate dimensional constraints and has little operational deviation from standard western blotting. The main differences are that (i) submerged polyacrylamide gel electrophoresis is operated horizontally (similar to agarose gels) as opposed to vertically, and (ii) a 6 mm thick gel is used, with 2 mm most relevant for membrane transfer (vs ∼1 mm typical). Results demonstrate both wet and semi-dry transfer are compatible with this gel thickness. The major tradeoff is reduced molecular weight resolution, due primarily to less available migration distance per sample. We demonstrate proof-of-principle using gels loaded with molecular weight ladder, recombinant protein, and cell lysates. We expect the 96-well western blot will increase reproducibility, efficiency, and capacity for biological characterization relative to established western blots.

Data from cell viability assays, which measure cumulative division and death events in a population and reflect substantial cellular heterogeneity, are widely available. However, interpreting such data with mechanistic computational models is hindered because direct model/data comparison is often muddled. We developed an algorithm that tracks simulated division and death events in mechanistically detailed single-cell lineages to enable such a model/data comparison and suggest causes of cell-cell drug response variability. Using our previously developed model of mammalian single-cell proliferation and death signaling, we simulated drug dose response experiments for four targeted anti-cancer drugs (alpelisib, neratinib, trametinib and palbociclib) and compared them to experimental data. Simulations are consistent with data for strong growth inhibition by trametinib (MEK inhibitor) and overall lack of efficacy for alpelisib (PI-3K inhibitor), but are inconsistent with data for palbociclib (CDK4/6 inhibitor) and neratinib (EGFR inhibitor). Model/data inconsistencies suggest (i) the importance of CDK4/6 for driving the cell cycle may be overestimated, and (ii) that the cellular balance between basal (tonic) and ligand-induced signaling is a critical determinant of receptor inhibitor response. Simulations show subpopulations of rapidly and slowly dividing cells in both control and drug-treated conditions. Variations in mother cells prior to drug treatment all impinging on ERK pathway activity are associated with the rapidly dividing phenotype and trametinib resistance. This work lays a foundation for the application of mechanistic modeling to large-scale cell viability assay datasets and better understanding determinants of cellular heterogeneity in drug response.

Abstract Summary Large-scale and whole-cell modeling has multiple challenges, including scalable model building and module communication bottlenecks (e.g. between metabolism, gene expression, signaling, etc). We previously developed an open-source, scalable format for a large-scale mechanistic model of proliferation and death signaling dynamics, but communication bottlenecks between gene expression and protein biochemistry modules remained. Here, we developed two solutions to communication bottlenecks that speed up simulation by ~4-fold for hybrid stochastic-deterministic simulations and by over 100-fold for fully deterministic simulations. Availability and Implementation Source code is freely available at https://github.com/birtwistlelab/SPARCED/releases/tag/v1.1.0 implemented in python, and supported on Linux, Windows, and MacOS (via Docker). Contact Marc Birtwistle mbirtwi@clemson.edu Supplementary information N/A

Abstract Western blotting is a widely-used technique for molecular-weight-resolved analysis of proteins and their post-translational modifications, but has been refractory to affordable scale-up. Here, we report the Mesowestern blot, which uses a 3D-printable gel-casting mold to enable affordable, high-throughput Western blotting with standard sample preparation and small (<1 uL) sample sizes. The casted polyacrylamide gel contains 336, 0.5 uL micropipette-loadable sample wells arranged within a standard microplate footprint. Polyacrylamide % can be altered to change molecular weight resolution range. Proof-of-concept experiments using both infrared-fluorescent molecular weight protein ladder as well as cell lysate (RIPA buffer) demonstrate protein loaded in Mesowestern gels is amenable to the standard Western blotting steps. The main difference between Mesowestern and traditional Western is that semi-dry horizontal instead of immersed vertical gel electrophoresis is used. The linear range of detection is approximately 2 orders of magnitude, with a limit of detection (for β-actin) of around 30 ng of total protein from mammalian cell lysates (~30-3000 cells). Because the gel mold is 3D-printable, users have significant design freedom for custom layouts, and there are few barriers to adoption by the typical cell and molecular biology laboratory already performing Western blots.