LabVIEW operado Osmometer nanolitro Novel de Investigações de gelo ligação às proteínas

Summary

Proteínas de ligação de gelo (IBPS), também conhecidas como proteínas anticongelantes, inibir o crescimento do gelo e são um aditivo promissor para uso na criopreservação de tecidos. A principal ferramenta utilizada para investigar IBPS é o osmómetro nanolitro. Nós desenvolvemos uma casa projetada fase de arrefecimento montado em um microscópio óptico e controlados usando uma custom-built rotina LabVIEW. O osmómetro nanolitro descrito aqui manipulado a temperatura da amostra de forma ultra-sensíveis.

Abstract

Proteínas de ligação ao gelo (IBPs), incluindo proteínas anticongelantes, proteínas estruturantes do gelo, proteínas de histerese térmica e proteínas de inibição da recristalização do gelo, são encontradas em organismos adaptados ao frio e os protegem de lesões por congelamento interagindo com cristais de gelo. Os IBPs são encontrados em uma variedade de organismos, incluindo peixes¹, plantas^{2, 3}, artrópodes^{4, 5}, fungos⁶ e bactérias⁷. Os IBPs adsorvem nas superfícies dos cristais de gelo e evitam que as moléculas de água se juntem à rede de gelo no local de adsorção do IBP. O gelo que cresce na superfície do cristal entre os IBPs adsorvidos desenvolve uma alta curvatura que reduz a temperatura na qual os cristais de gelo crescem, um fenômeno conhecido como efeito Gibbs-Thomson. Essa depressão cria uma lacuna (histerese térmica, TH) entre o ponto de fusão e o ponto de congelamento fora do equilíbrio, dentro do qual o crescimento do gelo é interrompido^8-10, veja a Figura 1. Uma das principais ferramentas utilizadas na pesquisa do IBP é o osmômetro de nanolitros, que facilita as medições das atividades de TH das soluções do IBP. Osmômetros de nanolitros, como o instrumento Clifton (Clifton Technical Physics, Hartford, NY) e o instrumento Otago (Otago Osmometers, Dunedin, Nova Zelândia), foram projetados para medir a osmolaridade de uma solução medindo a depressão do ponto de fusão de gotículas com volumes de nanolitros. Esses dispositivos foram usados para medir as osmolaridades de amostras biológicas, como lágrimas¹¹, e foram considerados úteis na pesquisa de IBP. O controle manual sobre esses osmômetros de nanolitros limitou as possibilidades experimentais. As mudanças na taxa de temperatura não podiam ser controladas de forma confiável, a faixa de temperatura do instrumento Clifton era limitada a 4.000 mOsmol (cerca de -7,5 ° C) e os registros de temperatura em função do tempo não eram uma opção disponível para esses instrumentos.

Projetamos um sistema de osmômetro de nanolitros controlado por computador feito sob medida usando uma plataforma LabVIEW (National Instruments). O estágio frio, descrito anteriormente^{9, 10}, contém um bloco de metal através do qual a água circula, funcionando assim como um dissipador de calor, veja a Figura 2. Anexados a este bloco estão resfriadores termoelétricos que podem ser acionados usando um controlador de temperatura comercial que pode ser controlado através de módulos LabVIEW, veja a Figura 3. Mais detalhes são fornecidos abaixo. A principal vantagem deste sistema é seu controle de temperatura sensível, veja a Figura 4. O controle automatizado de temperatura permite a coordenação de uma rampa de temperatura fixa com uma saída de microscopia de vídeo contendo detalhes experimentais adicionais.

Para estudar a dependência temporal da atividade do HT, testamos um IBP hiperativo de 58 kDa da bactéria antártica Marinomonas primoryensis (MpIBP)¹². Esta proteína foi marcada com proteínas de fluorescência verde aprimoradas (eGFP) em uma construção desenvolvida pelo grupo de Peter Davies (Queens University) ¹⁰ . Mostramos que o perfil de mudança de temperatura afetou a atividade de HT. O excelente controle sobre o perfil de temperatura nesses experimentos melhorou significativamente as medições de HT. O osmômetro de nanolitros também nos permitiu testar a inibição da recristalização de IBPs^{5, 13}. Em geral, a recristalização é um fenômeno no qual grandes cristais crescem às custas de pequenos cristais. Os IBPs inibem eficientemente a recristalização, mesmo em baixas concentrações^{14, 15}. Usamos nosso osmômetro controlado pelo LabVIEW para acompanhar quantitativamente a recristalização do gelo e impor uma fração de gelo constante usando análise simultânea de vídeo em tempo real das imagens e feedback de temperatura da câmara de amostra¹³. Os cálculos em tempo real oferecem opções de controle adicionais durante um procedimento experimental. Um palco para um microscópio invertido foi desenvolvido para acomodar dispositivos microfluídicos com temperatura controlada, que serão descritos em outro lugar¹⁶.

O Sistema de Estágio Frio

O conjunto do estágio frio (Figura 2) consiste em um conjunto de resfriadores termoelétricos que resfriam uma placa de cobre. O calor é removido do palco fluindo água fria através de um compartimento fechado sob os refrigeradores termoelétricos. Um orifício de 4 mm de diâmetro no meio da placa de cobre serve como uma janela de visualização. Um orifício no plano de 1 mm de diâmetro foi perfurado para encaixar o termistor. Um disco de cobre feito sob medida (7 mm de diâmetro) com vários orifícios (500 μm de diâmetro) foi colocado na placa de cobre e alinhado com a janela de visualização. O ar foi bombeado a uma vazão de 35 ml/s e seco com Drierite (W.A. Hammond). O ar seco foi usado para garantir um ambiente seco na fase de resfriamento. O palco foi conectado por meio de uma tomada de conexão de 9 pinos a um controlador de temperatura (Modelo 3040 ou 3150, Newport Corporation, Irvine, Califórnia, EUA). O controlador de temperatura foi conectado por meio de um cabo a uma placa GPIB-PCI do computador (National Instruments, Austin, Texas, EUA).

Protocol

0. Procedimentos preliminares

1. Capilar de vidro para injectáveis ​​solução. Usando um extrator capilar (Narishige, Tóquio, Japão), preparar uma pipeta afiada com uma abertura fina a partir de um tubo capilar de vidro micro (Marca GMBH, Wertheim, Alemanha). O tamanho da abertura deve ser verificada por passagem de ar através do capilar para obter borbulhante fina em água limpa. Se o capilar é fechado, então pode-se abri-lo por quebrar sua borda. Isto pode ser feito por prensagem ou arranhar o suavemente contra a água contendo paredes do tubo. Prepare o capilar tal que a abertura está quase bloqueada, mas é suficientemente aberta para permitir a formação de sub-milímetros bolhas.
2. Limpeza de cobre disco. Sonicar os discos de cobre durante 10 min em 0,1% de Micro-90 sabão (Cole-Parmer, Vernon Hills, Illinois, EUA), depois lava-se com água duplamente destilada. Introduzir os discos em uma solução de isopropanol (técnico) e sonicar novamente durante 10 min. Barbatanaaliado, seque os discos usando ar filtrado. Esta fase de limpeza é crítico para evitar a contaminação entre IBP experimentos.
3. De camada dupla montagem lamela. A montagem lamela foi preparada para permitir a observação da amostra sem condensação de humidade sobre a superfície do vidro de cobertura. Isto foi conseguido através da colocação de uma partícula de Drierite (WA Hammond Drierite, Xenia, Ohio, EUA), (2 mm de diâmetro) entre duas lamelas, que foram, em seguida, colados com uma pistola de cola quente. Esta configuração impedido condensação que poderia bloquear a vista quando a amostra foi arrefecida a baixa temperatura e elimina a necessidade de soprar ar seco para a janela de observação.

1. Estágio de resfriamento Set-up

1. Ligue a entrada do fluxo de água e de saída da fase de arrefecimento a 4 mm de diâmetro interno Tygon tubos (Saint-Gobain, Paris, França), e ligar o tubo de entrada de água do fluxo de uma bomba de água.
2. Ligar um tubo Tygon 4 milímetros de diâmetro interno para a entrada da etapa de arrefecimento tó fornecer ar seco. O ar foi seco utilizando uma coluna de linha Drierite.
3. Operar as bombas de ar e água. Note-se que os elementos de resfriamento não deve ser executado sem um dissipador de calor.
4. Ligue o controlador de temperatura, câmera e rotineira LabVIEW.

2. Preparação da Amostra

1. Colocar uma gota 3-4 ul de imersão em óleo B (laboratórios Cargille, Cedar Grove, New Jersey, EUA), no lado de trás de um disco de 7 mm de diâmetro de cobre com 500 furos perfurados uM através do disco.
2. Posicionar o disco de cobre na fase de arrefecimento, com o lado voltado para baixo de imersão em óleo.
3. Ligar o tubo capilar (a ponta chanfrada) para um tubo de 0,7 milímetros Tygon diâmetro interno ligada na outra extremidade a uma seringa de vidro de 2 ml (Poulten-Graf, Wertheim, Alemanha).
4. Antes de utilizar o tubo capilar, verificar a pequena abertura do capilar de forma que a abertura é um tamanho apropriado (ver os procedimentos preliminares).
5. Insira lentamente o glass capilar para o tubo de amostra preparada IBP proteína (2,4 uM Mp IBP-GFP em 20 mM de CaCl ₂ e 25 mM Tris-HCl a pH 8, ver referência ¹⁰ para os pormenores de preparação) e puxar a seringa de vidro até que o capilar de vidro contém 0,1 ul da solução de proteína.
6. Iniciar a gravação de vídeo através do software LabVIEW.
7. Inserir a ponta afiada do capilar de vidro (contendo a solução de proteína) em um dos furos do disco de cobre na fase de arrefecimento.
8. Enquanto observa através do microscópio (Olympus, Tokyo, Japan, objectiva 10x), cuidadosamente penetrar a camada de óleo de imersão com a ponta capilar de vidro, e pressionar a seringa de vidro (muito delicadamente) para entregar uma pequena quantidade (~ 10 nl) da proteína solução para criar uma gotícula uM 200.
9. Cobrir o furo na fase de arrefecimento, com a montagem de dupla camada lamela (ver os procedimentos preliminares).

3. Medição de Actividade TH

1. Préss botão do arrefecimento e ajustar a temperatura a -40 ° C.
2. Inicialmente, a gota de solução será clara. A baixas temperaturas, tipicamente na gama de -30 ° C a -35 ° C, gota a muda de cor, indicando que a solução tenha sido congelada. Imediatamente após a amostra ter congelado, aumentar a temperatura lentamente até que o gelo começa a derreter a granel. Um aumento gradual da temperatura é necessária para evitar a ultrapassagem da temperatura que pode resultar na fusão completa da amostra.
3. Mudar para um objectivo de 50x e começar a derreter o gelo, ajustando a temperatura. Este ajuste é interativo, e os passos finais são normalmente realizadas utilizando medidas de temperatura de pequenas 0,002 ° C. Continuar a fundir antes de um único cristal permanece. O tamanho final do cristal deve ser cerca de 10 um. A temperatura mais alta à qual tenha cessado de fusão é determinado como sendo o ponto de fusão e é determinado com precisão na fase posterior análise vídeo.
4. Ajustar a temperatura para alguns centésimos de um grau Celsius abaixo do ponto de fusão do cristal e começar uma rampa de temperatura com um atraso de 10 minutos. Ajuste a velocidade de rampa, como desejado. Durante este tempo, o cristal será exposto aos IBPS.
5. Após a conclusão do período de exposição de 10 min, a temperatura diminui automaticamente sob o controlo de rotina de LabVIEW.
6. Observar a forma dos cristais à medida que diminui a temperatura. Em algum momento, a súbita explosão de cristal de gelo pode ser observado. A temperatura à qual ocorre esta é conhecida como a temperatura de ruptura do cristal.
7. Usar a análise de vídeo para determinar o ponto de fusão preciso e a temperatura de ruptura. Primeiro, por meio de análise de vídeo, encontrar o ponto de fusão precisa. Recorde-se que a mais alta temperatura a que tenha deixado de fusão é determinado como sendo o ponto de fusão. Documentar este ponto de fusão, em um programa de planilha. Em seguida, determinar a temperatura de ruptura precisa de cristal, e documentar este valortambém. A diferença entre o ponto de fusão e o ponto de congelação, temperatura de ruptura ou de cristal, é a actividade de histerese térmica da solução de IBP.

4. Medição da Actividade TH tempo-dependente

1. Seguir o protocolo descrito nas Secções 3,1-3,3 para preparar um único cristal de gelo.
2. Após a formação do cristal, ajustar o tempo de retardamento da rampa conforme desejado, e ligar a rampa.
3. A temperatura irá diminuir a uma taxa fixa (de acordo com os requisitos dos operadores) automaticamente uma vez que o tempo de atraso de rampa passou.
4. Documentar a temperatura a que ocorre a ruptura de cristal. Calcula-se o tempo de exposição (o tempo entre a formação de cristais e do impulso de cristal).
5. Repita a experiência para vários tempos de atraso e representar graficamente a actividade TH como uma função do tempo de exposição para avaliar a dependência do tempo da actividade TH.

Results

A medição do tempo de dependência TH

O LabVIEW operado osmómetro nanolitro facilita o desempenho de medições precisas de atividade TH. A taxa de redução da temperatura constante permitiu a medição da dependência do tempo TH. O controle preciso da temperatura activado pelo osmómetro nanolitro era crucial para estas experiências. O tempo de exposição de um cristal de gelo para os IBPS em solução é definido como o período de tempo desde a formação do cristal (no final do processo de fusão) até que o crescimento súbito de gelo em volta do cristal (burst cristal). Nós descobrimos que o tempo de exposição dos cristais de gelo para os IBPS crucialmente afectaram a actividade TH. Períodos curtos de exposição ao IBP (alguns segundos), produzida uma actividade TH baixo na solução Mp IBP-GFP (2,4 mM) (Figura 5). A atividade TH aumentou com o tempo de exposição IBP até atingir um patamar de 4 minutos de exposição IBP. A concentrações mais elevadas do IBP, a placaau foi alcançado em menor tempo.

Figura 1. IBPS diagrama esquemático que ilustra adsorvido em gelo. Aprovada com a permissão de ^10.

Figura 2. A fase de arrefecimento. A) Ligação a tubos no microscópio. B) Sem ligação superior. C) Diagrama esquemático.

Figura 3. Screenshot da interface do LabVIEW. ClIck aqui para ver maior figura.

Figura 4. Gráfico a estabilidade da temperatura. O controlador de temperatura foi ajustado para diminuir a temperatura de 0.01 ° C a cada 15 segundos.

Figura 5. Mp actividade TH IBP como uma função do tempo de exposição de cristal de gelo com as IBPS. Cada ponto de tempo é a média de 3-6 experiências.

Discussion

Este trabalho demonstra o funcionamento de um osmómetro nanolitro, controlado por computador, que permite medições precisas da actividade TH com controlo de temperatura excepcional. Em qualquer sistema sensível à temperatura, gradientes de temperatura indesejáveis ​​devem ser evitadas. Para evitar gradientes de temperatura no aparelho aqui apresentado, a gota de solução de teste deve ser posicionada no centro de um furo na fase de arrefecimento de cobre do disco (passo 2.7). Além disso, o cristal único deve estar no centro da gota em vez de junto das extremidades (na maioria dos casos, isto irá acontecer espontaneamente). A dependência do tempo descrito indica que a taxa de arrefecimento pode influenciar as leituras TH. Assim, sugere-se que inclua um relatório de tempo durante o qual o cristal foi exposta à solução antes do arrefecimento, assim como a velocidade de arrefecimento. Nós normalmente esperado 10 min antes da rampa para baixo a temperatura de 0.01 ° C passos cada sec 4.

Os co LabVIEW controladosfase oling foi adaptado para utilização com um microscópio invertido no qual os dispositivos microfluidicos podem ser termicamente manipulado. Este sistema facilita a realização de experimentos solução de intercâmbio de cristais de gelo e IBPS marcados com eGFP ^{9, 10, 16.} O sistema LabVIEW-controlada pode ser adaptado a uma fase Clifton, ligando o controlador de temperatura de 3040 através de um circuito de adaptação designada eléctrico. Tal sistema é operado no laboratório Davies ^17. O software LabVIEW ea designada projeto de circuito elétrico adaptação para o palco Clifton estão disponíveis mediante solicitação.

Em conclusão, nós descrevemos um osmómetro nanolitro, que facilita o controlo sensível e manipulação de temperatura e a taxa de aumento de temperatura e diminuição (0,002 com sensibilidade ° C), coordenado com uma interface de vídeo através de uma rotina de LabVIEW para análise em tempo real. Este sistema pode realizar reprodutíveis taxa controlada experiências que são important para investigar a cinética de interações IBP com gelo. Tais experiências podem resolver vários longo debatidas questões que envolvem o mecanismo de ação do IBPS.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nome	Companhia	Número de catálogo / modelo	Comentários
Imersão em óleo Tipo B	Cargille Laboratories	16484
Drierite	WA Hammond Drierite	043063 2270g
Micro solução de limpeza 90	Cole-Parmer	EW-18100-11
Capilar extrator	Narishige	PB-7
Tubos capilares de vidro	Marca GnbH Pessoa	7493 21	75 mm, 1,15 Diâmetro
Temperaturacontrolador	Newport, Irvine, Califórnia, Estados Unidos	Modelo 3040	Modelo 3040
Microscópio óptico	Olimpo	Modelo BH2
Objetiva de 10x	Olimpo		Plano S 10, 0.3, 160/0.17
Objetivo 50x	Nikon		CF plano, 50X/0.55 EPI ELWD
Câmera CCD	Provideo	CVC-140
Tubos de Tygon	Saint-Gobain, em Paris, França		Formulação Tubing Tygon S-50-HL
Seringa de vidro (2 ml)	Poulten-Graf, Wertheim, Alemanha	7 10227
GPIB-PCI	National Instruments, Austin, Texas, EUA	778032-01
Vídeo quadro grabber IMAQ-PCI-1407	National Instruments, Austin, Texas, EUA	322156B-01
LabVIEW Software System Design	National Instruments, Austin, Texas, EUA	Versão 8
O software DivX Autor	Divx LLC, San Diego, CA, EUA