In the discipline of bottom-up synthetic biology, vesicles define the boundaries of artificial cells and are increasingly being used as biochemical microreactors operating in physiological environments. As the field matures, there is a need to compartmentalize processes in different spatial localities within vesicles, and for these processes to interact with one another. Here we address this by designing and constructing multi-compartment vesicles within which an engineered multi-step enzymatic pathway is carried out. The individual steps are isolated in distinct compartments, and their products traverse into adjacent compartments with the aid of transmembrane protein pores, initiating subsequent steps. Thus, an engineered signalling cascade is recreated in an artificial cellular system. Importantly, by allowing different steps of a chemical pathway to be separated in space, this platform bridges the gap between table-top chemistry and chemistry that is performed within vesicles.

Polydimethylsiloxane (PDMS) is a dominant material in the fabrication of microfluidic devices to generate water-in-oil droplets, particularly lipid-stabilized droplets, because of its highly hydrophobic nature. However, its key property of hydrophobicity has hindered its use in the microfluidic generation of oil-in-water droplets, which requires channels to have hydrophilic surface properties. In this article, we developed, optimized, and characterized a method to produce PDMS with a hydrophilic surface via the deposition of polyvinyl alcohol following plasma treatment and demonstrated its suitability for droplet generation. The proposed method is simple, quick, effective, and low cost and is versatile with respect to surfactants, with droplets being successfully generated using both anionic surfactants and more biologically relevant phospholipids. This method also allows the device to be selectively patterned with both hydrophilic and hydrophobic regions, leading to the generation of double emulsions and inverted double emulsions.

The persistence of traditional tattoo inks presents an advantage for continuous and long-term health monitoring in point of care devices. The replacement of tattoo pigments with optical biosensors aims a promising alternative for monitoring blood biomarkers. Tattoo inks functionalization enables the control of interstitial biomarkers with correlated concentrations in plasma, to diagnose diseases, evaluate progression, and prevent complications associated with physio pathological disorders or medication mismatches. The specific biomarkers in interstitial fluid provide a new source of information, especially for skin diseases. The study of tattoo inks displays insufficient regulation in their composition, a lack of reports of the related complications, and a need for further studies on their degradation kinetics. This review focuses on tattoo optical biosensors for monitoring dermal interstitial biomarkers and discusses the clinical advantages and main challenges for in vivo implantation. Tattoo functionalization provides a minimally invasive, reversible, biocompatible, real-time sensing with long-term permanence and multiplexing capabilities for the control, diagnosis, and prevention of illness; it enables self-controlling management by the patient, but also the possibility of sending the records to the doctor.

Abstract The glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) is a class B G protein-coupled receptor and mainstay therapeutic target for the treatment of type 2 diabetes and obesity. Recent reports have highlighted how biased agonism at the GLP-1R affects sustained glucose-stimulated insulin secretion through avoidance of desensitisation and downregulation. A number of GLP-1R agonists (GLP-1RAs) feature a fatty acid moiety to promote albumin binding in order to prolong their pharmacokinetics, but the potential for these ligand changes to influence GLP-1R signalling has rarely been investigated beyond potency assessments for cyclic adenosine monophosphate (cAMP). In this work we directly compare the prototypical GLP-1RA exendin-4 with its C-terminally acylated analogue, exendin-4-C16, for their relative propensities to recruit and activate G proteins and β-arrestins, endocytic and post-endocytic trafficking profiles, and interactions with model and cellular membranes. Both ligands had similar cAMP potency but the exendin-4-C16 showed ∼2.5-fold bias towards G protein recruitment and a ∼60% reduction in β-arrestin-2 recruitment efficacy compared to exendin-4, as well as reduced GLP-1R endocytosis and preferential targeting towards recycling pathways. These effects were associated with a reduced ability to promote the movement of the GLP-1R extracellular domain, as determined using a conformational biosensor approach, and a ∼70% increase in insulin secretion. Interactions with plasma membrane lipids were enhanced by the acyl chain. Exendin-4-C16 showed extensive albumin binding and was highly effective for lowering of blood glucose in mice over at least 72 hours. Overall, our study highlights the importance of a broad approach to the evaluation of GLP-1RA pharmacology. Significance statement Acylation is a common strategy to enhance the pharmacokinetics of peptide-based drugs. Our work shows how acylation can also affect various other pharmacological parameters, including biased agonism, receptor trafficking and interactions with the plasma membrane, which may be therapeutically important.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are neurodegenerative diseases that exist on a clinico-pathogenetic spectrum, designated ALS/FTD. The most common genetic cause of ALS/FTD is the expansion of the intronic hexanucleotide repeat (GGGGCC) n in C9orf72 . Here, we investigated the formation of nucleic-acid secondary structures in these expansion repeats, and their role in generating condensates characteristic of the diseases. We observed significant aggregation of the hexanucleotide sequence (GGGGCC) n , which we associated to the formation of multimolecular G-quadruplexes (mG4s), using a range of biophysical techniques. Exposing the condensates to G4-unfolding conditions led to prompt disassembly, highlighting the key role of mG4-formation in the condensation process. We further validated the biological relevance of our findings by demonstrating the ability of a G4-selective fluorescent probe to penetrate C9orf72 mutant human motor neurons derived from ALS patients, which revealed clear fluorescent signal in putative condensates. Our findings strongly suggest that RNA G- rich repetitive sequences can form protein-free condensates sustained by multimolecular G- quadruplexes, highlighting their potential relevance as therapeutic targets for C9orf72 mutation related ALS and FTD.

Synthetic cells containing genetic programs and protein expression machinery are increasingly recognized as powerful counterparts to engineered living cells in the context of biotechnology, therapeutics and cellular modelling. So far, genetic regulation of synthetic cell activity has been largely confined to chemical stimuli; to unlock their potential in applied settings, engineering stimuli-responsive synthetic cells under genetic regulation is imperative. Here we report the development of temperature-sensitive synthetic cells that control protein production by exploiting heat-responsive mRNA elements. This is achieved by combining RNA thermometer technology, cell-free protein expression and vesicle-based synthetic cell design to create cell-sized capsules able to initiate synthesis of both soluble proteins and membrane proteins at defined temperatures. We show that the latter allows for temperature-controlled cargo release phenomena with potential implications for biomedicine. Platforms like the one presented here can pave the way for customizable, genetically programmed synthetic cells under thermal control to be used in biotechnology.

Dermal tattoo biosensors are promising platforms for real-time monitoring of biomarkers, with skin used as a diagnostic interface. Traditional tattoo sensors have utilized small molecules as biosensing elements. However, the rise of synthetic biology has enabled the potential employment of engineered bacteria as living analytical tools. Exploiting engineered bacterial sensors will allow for potentially more sensitive detection across a broad biomarker range, with advanced processing and sense/response functionalities using genetic circuits. Here, the interfacing of bacterial biosensors as living analytics in tattoos is shown. Engineered bacteria are encapsulated into micron-scale hydrogel beads prepared through scalable microfluidics. These biosensors can sense both biochemical cues (model biomarkers) and biophysical cues (temperature changes, using RNA thermometers), with fluorescent readouts. By tattooing beads into skin models and confirming sensor activity post-tattooing, our study establishes a foundation for integrating bacteria as living biosensing entities in tattoos.

Eukaryotic cells are characterized by multiple chemically distinct compartments, one of the most notable being the nucleus. Within these compartments, there is a continuous exchange of information, chemicals, and signaling molecules, essential for coordinating and regulating cellular activities. One of the main goals of bottom–up synthetic biology is to enhance the complexity of synthetic cells by establishing functional compartmentalization. There is a need to mimic autonomous signaling between compartments, which in living cells, is often regulated at the genetic level within the nucleus. This advancement is key to unlocking the potential of synthetic cells as cell models and as microdevices in biotechnology. However, a technological bottleneck exists preventing the creation of synthetic cells with a defined nucleus-like compartment capable of genetically programmed intercompartment signaling events. Here, we present an approach for creating synthetic cells with distinct nucleus-like compartments that can encapsulate different biochemical mixtures in discrete compartments. Our system enables in situ protein expression of membrane proteins, enabling autonomous chemical communication between nuclear and cytoplasmic compartments, leading to downstream activation of enzymatic pathways within the cell.