Målet med denne protokol er at bruge temperatur til at styre strømningshastigheden af tredimensionelle aktive væsker. Fordelen ved denne metode ikke kun giver mulighed for regulering af strømningshastigheder in situ, men også giver mulighed for dynamisk kontrol, såsom periodisk tuning flow hastigheder op og ned.
Vi præsenterer en metode til at bruge temperatur til at tune strømningshastigheder af kinesin-drevne, microtubule-baserede tredimensionale (3D) aktive væsker. Denne metode giver mulighed for tuning hastigheder in situ uden at det er nødvendigt at fremstille nye prøver for at nå forskellige ønskede hastigheder. Desuden giver denne metode mulighed for dynamisk kontrol af hastighed. Cykling temperaturen fører væsker til at flyde hurtigt og langsomt, periodisk. Denne styrbarhed er baseret på Arrhenius-karakteristikken af kinesin-microtubule-reaktionen, der viser et kontrolleret gennemsnitligt strømningshastighedsområde på 4 – 8 μm/s. Den præsenterede metode vil åbne døren til udformningen af mikrofluidisk enheder, hvor strømningshastigheder i kanalen er lokalt tunable uden behov for en ventil.
Aktivstof er differentieret fra konventionelle passive stoffer på grund af sin evne til at omdanne kemisk energi til mekanisk arbejde. Et materiale, der besidder en sådan kapacitet kan bestå af levende eller ikke-levende enheder såsom bakterier, insekter, kolloider, kerner, og cytoskeletale filamenter1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Disse materielle enheder interagerer med deres naboer. I større målestok, de selv-organisere sig i enten turbulente-lignende hvirvler (aktiv turbulens) eller materialestrømme11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. En forståelse af selvorganisering af aktivstof har ført til forskellige anvendelser i molekylære Shuttles, optiske enheder, og parallel beregning21,22,23. At bringe ansøgninger til det næste niveau kræver kontrol ud over selvorganisering. For eksempel, Palacci et al. udviklet en hematite-indkapslet kolloid, at selvkørende kun når de udsættes for manuelt kontrolleret blåt lys, hvilket førte til fremkomsten af levende krystaller24. Morin et al. etablerede kontrol af rullende Quincke kolloider ved hjælp af en tunable ekstern elektrisk felt, hvilket resulterer i kolloid strømmer i en væddeløbsbane-lignende kanal25. Disse tidligere værker demonstrere rollen som lokal kontrol i applikationer og fremme videnbasen af aktive stof.
I denne artikel fokuserer vi på styrbarhed af kinesin-drevne, mikrotubulus (MT)-baserede 3D-aktive væsker. Væskerne består af tre hovedkomponenter: MTs, kinesin Molecular Motors og depletants. De depletanter fremkalde en udtynding kraft til at bundte MTs, som senere bridged af motor klynger. Disse motorer går langs MTstoward plus enden. Når et par bridged MTsis antiparallel, de tilsvarende motorer gå i modsatte retninger. Men motorerne er bundet i en klynge og er ude af stand til at gå fra hinanden, så de i samarbejde glider fra hinanden par af MTs (interfilament glidende, figur 1a). Disse glidende dynamik ophobes, forårsager bundter af MTsto forlænge indtil nå deres Buckling ustabilitet punkt og pause (extensile bundter, figur 1B)26. De brudte bundter er udglødet af nedbrydningen kraft, som efterfølgende strækker sig igen, og dynamikken gentage. Under processen med den gentagne dynamik, røre bundt bevægelser de nærliggende flydende, inducerende strømme, der kan visualiseres ved doping med micron-Scale røbestoffer (figur 1C). Sanchez et al. og henkin et al. har karakteriseret de gennemsnitlige hastigheder af røbestoffer, konstatering af, at hastigheder var tunable ved at variere koncentrationerne af adenosin trifosfat (ATP), depletants, motor klynger, og MTs19,27. Men, en sådan tunbarhed eksisterede kun før aktiv væske syntese. Efter syntese, den tunbarhed var tabt, og væsker selvorganiserede på deres egen måde. For at kontrollere aktiv væske aktivitet efter syntese, Ross.et al. rapporteret en metode ved hjælp af lys-aktiveret denne af motor proteiner, så væske aktivitet, der skal tunet til og fra ved hjælp af lys28. Mens lys kontrol er praktisk i form af lokalt aktivering af væsker, metoden kræver redesigne strukturerne af motor proteiner, sammen med at ændre de optiske stier i et mikroskop. Her giver vi en brugervenlig metode til lokal styring af væske strømme uden mikroskop modifikation, samtidig med at motor strukturen bevares intakt.
Vores metode til lokal tuning aktiv fluid flow er baseret på Arrhenius loven, fordi kinesin-MT reaktion er blevet rapporteret at stige med temperatur29,30,31,32. Vores tidligere undersøgelser viste, at temperatur afhængigheden af den gennemsnitlige hastighed af en aktiv fluid flow fulgte Arrhenius ligningen: v = a exp (-EA/rt), hvor a er en præ-eksponentiel faktor, R er gaskonstanten, EA er aktiveringsenergien, og T er systemets temperatur33. Derfor er flydende aktivitet følsom over for temperatur miljøet, og system temperaturen skal være konsistent for at stabilisere motorens ydeevne, og dermed væskestrømmen hastighed34. I denne artikel viser vi brugen af motorens temperaturafhængighed til løbende at finjustere strømningshastigheden af aktive væsker ved at justere system temperaturen. Vi demonstrerer også forberedelsen af en aktiv væskeprøve, efterfulgt af montering af prøven på et mikroskop stadie, hvis temperatur styres via computer software. En forøgelse af temperaturen fra 16 °C til 36 °C øger den gennemsnitlige strømningshastighed fra 4 til 8 μm/s. Desuden er tunbarhed reversibel: gentagne gange øger og sænker temperaturen sekventielt accelererer og decelererer flowet. Den demonstrerede metode gælder for en lang række systemer, hvor de vigtigste reaktioner adlyder Arrhenius-loven, såsom MT gliding assay29,30,31,32.
Kontrol af aktiv substans in situ åbner døren til styret selvorganisering af aktivstof4,5,24,28,54. I denne artikel præsenterer vi en protokol for brug af temperatur til at kontrollere kinesin-drevne, MT-baserede aktive væsker in situ, baseret på Arrhenius-karakteristisk for systemet29,30,</s…
The authors have nothing to disclose.
Plasmid K401-BCCP-H6 var en gave fra Dr. Zvonimir Dogic. Denne forskning blev støttet af Dr. kun-ta Wus opstartsfond i Worcester Polytechnic Institute. Vi takker Dr. Zvonimir Dogic for protokollerne til at rense og mærke Tubulin og til at syntetisere aktive væsker. Vi er taknemmelige for Dr. Marc Ridilla for hans ekspertise i protein ekspression og rensning. Vi takker Dr. William Benjamin Roger for at hjælpe os med at bygge det temperaturstyrede stadie. Vi anerkender Brandeis MRSEC (NSF-MRSEC-1420382) for brug af den biologiske materiale facilitet (BMF). Vi anerkender det kongelige kemi selskab for at tilpasse tallene fra BATE et al. på Soft Matter33.
(±)-6-Hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid | Sigma-Aldrich | 238813 | Trolox |
2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M6250 | |
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98%, ACROS Organics | Fisher Scientific | AC216550050 | |
3.2mm I.D. Tygon Tubing R-3603 | HACH | 2074038 | Water tubes |
31.75 mm diameter uncoated, sapphire window | Edmund Optics | 43-637 | Sapphire disc |
3M 1181 Copper Tape – 1/2 IN Width X 18 YD Length – 2.6 MIL Total Thickness – 27551 | R.S. HUGHES | 054007-27551 | Copper tape |
Acetic Acid | Sigma-Aldrich | A6283 | |
Acrylamide Solution (40%/Electrophoresis), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP1402-1 | |
Adenosine 5'-triphosphate dipotassium salt hydrate | Sigma-Aldrich | A8937 | ATP |
Alexa Fluor 647 NHS Ester (Succinimidyl Ester) | Thermo Fisher Scientific | A20006 | Far-red fluorescent dye. Alexa 647 can be pre suspended in dimethylsulfoxide (DMSO) before mixing with microtubules (1.3.3.2.) |
Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter Unit | Sigma-Aldrich | UFC801024 | Centrifugal filter tube. Cutoff molecular weight: 10 kDa |
Ammonium Persulfate, 100g, MP Biomedicals | Fisher Scientific | ICN802829 | APS |
Ampicillin Sodium Salt (Crystalline Powder), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP1760 | Ampicillin |
Antivibration Table | Nikon | 63-7590S | |
Avanti J-E Centrifuge | Beckman Coulter | 369001 | |
Bacto Agar Soldifying Agent, BD Diagnostics | VWR | 90000-760 | Agar |
Biotin | Alfa Aesar | A14207 | |
Bucket-plastic white – 2 gallon | Bon | 84-715 | Water bucket |
Calcium Chloride | Sigma-Aldrich | 746495 | CaCl2 |
Catalase from bovine liver | Sigma-Aldrich | C40 | |
CFI Plan Apo Lambda 4x Obj | Nikon | MRD00045 | 4x air objective |
C-FLLL-FOV GFP HC HC HISN ero Shift | Nikon | 96372 | GFP filter cube |
CH-109-1.4-1.5 | TE Technology | CH-109-1.4-1.5 | Thermoelectric Cooler (TEC) |
Chloramphenicol, 98%, ACROS Organics | Fisher Scientific | C0378 | |
Cooling block | N/A | N/A | Custom milled aluminum |
Coomassie Brilliant Blue R-250 #1610400 | Bio-Rad | 1610400 | Triphenylmethane dye |
D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G7528 | |
Dimethyl Sulfoxide (Certified ACS), Fisher Chemical | Fisher Scientific | D128 | DMSO |
DL-1,4-Dithiothreitol, 99%, for biochemistry, ACROS Organics | Fisher Scientific | AC165680050 | DTT |
DOWSIL 340 Heat Sink Compound | Dow | 1446622 | Thermal paste |
ETHYL ALCOHOL, 200 PROOF ACS/USP/NF GRADE 5 GALLON POLY CUBE | Pharmco by Greenfield Global | 111000200CB05 | Ethanol |
Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N',N'-tetraacetic acid | Sigma-Aldrich | E3889 | EGTA |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich | 798681 | EDTA |
Fisher BioReagents Microbiology Media Additives: Tryptone | Fisher Scientific | BP1421 | Tryptone |
Fisher BioReagents Microbiology Media Additives: Yeast Extract | Fisher Scientific | BP1422 | Yeast extract |
Fluoresbrite YG Microspheres, Calibration Grade 3.00 µm | Polysciences | 18861 | Tracer particles |
Glucose Oxidase from Aspergillus niger | Sigma-Aldrich | G2133 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
GpCpp | Jena Bioscience | NU-405L | Guanosine-5′[(α,β)-methyleno]triphosphate (GMPCPP) |
GS Power's 18 Gauge (True American Wire Ga), 100 feet, 99.9% Stranded Oxygen Free Copper OFC, Red/Black 2 Conductor Bonded Zip Cord Power/Speaker Electrical Cable for Car, Audio, Home Theater | Amazon | B07428NBCW | Copper wire |
Guanosine 5'-triphosphate sodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | G8877 | GTP |
Hellmanex III | Sigma-Aldrich | Z805939 | Detergent |
HEPES Sodium Salt (White Powder), Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP410 | NaHEPES |
High performance blender machine | AIMORES | AS-UP1250 | Blender |
His GraviTrap | GE Healthcare | 11003399 | Gravity Column |
Imidazole | Sigma-Aldrich | I5513 | |
IPTG | Sigma-Aldrich | I6758 | Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside |
Isopropyl Alcohol 99% | Pharmco by Greenfield Global | 231000099 | Isopropanol |
JA-10 rotor | Beckman Coulter | 369687 | |
L-Glutamic acid potassium salt monohydrate | Sigma-Aldrich | G1501 | K-Glutamate |
Lysozyme from chicken egg white | Sigma-Aldrich | L6876 | |
Magnesium chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | M2670 | MgCl2•6H2O |
MES sodium salt | Sigma-Aldrich | M5057 | 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid sodium salt |
MOPS | Sigma-Aldrich | M1254 | 3-(N-Morpholino)propanesulfonic acid |
MP-3022 | TE Technology | MP-3022 | Thermocouple |
N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine 99%, ACROS Organics | Fisher Scientific | AC138450500 | TEMED |
Nanodrop 2000c UV-VIS Spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | E112352 | Spectrometer |
Nikon Ti2-E Nikon Inverted Microscope | Nikon | MEA54000 | |
Norland Optical Adhesive 81 | Norland Products | NOA81 | UV glue |
Novex Sharp Pre-stained Protein Standard | Thermo Fisher Scientific | LC5800 | Protein standard ladder |
NuPAGE 4-12% Bis-Tris Protein Gels, 1.5 mm, 10-well | Thermo Fisher Scientific | NP0335BOX | SDS gel |
Optima L-90K Ultracentrifuge | Beckman Coulter | 365672 | |
Parafilm PM996 Wrap , 4" Wide; 125 Ft/Roll | Cole-Parmer | EW-06720-40 | Wax film |
Pe 300 ultra Illumination System Single Band , 3mm Light Guide control Pod power supply |
Nikon | PE-300-UT-L-SB-40 | Cool LED Illuminator |
Phenylmethanesulfonyl fluoride | Sigma-Aldrich | 78830 | PMSF |
Phosphoenolpyruvic acid monopotassium salt, 99% | BeanTown Chemical | 129745 | PEP |
Pierce Coomassie (Bradford) Protein Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | 23200 | |
Pierce Protease Inhibitor Mini Tablets | Thermo Fisher Scientific | A32953 | |
PIPES | Sigma-Aldrich | P6757 | 1,4-Piperazinediethanesulfonic acid |
Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | |
Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | 81300 | PEG. Average molecular weight 20,000 Da |
Potassium Hydroxide (Pellets/Certified ACS), Fisher Chemical | Fisher Scientific | P250-500 | KOH |
PowerEase 300W Power Supply (115 VAC) | ThermoFisher Scientific | PS0300 | DC power supply of the gel box |
PS-12-8.4A | TE Technology | PS-12-8.4A | DC power supply of the temperature controller |
Pyruvate Kinase/Lactic Dehydrogenase enzymes from rabbit muscle | Sigma-Aldrich | P-0294 | PK/LDH |
Quiet One Lifegard Fountain Pump, 296-Gallon Per Hour | Amazon | B005JWA612 | Fish tank pump |
Rosetta 2(DE3)pLysS Competent Cells – Novagen | Millipore Sigma | 71403 | Competent cells |
Sharp Microwave ZSMC0912BS Sharp 900W Countertop Microwave Oven, 0.9 Cubic Foot, Stainless Steel | Amazon | B01MT6JZMR | Microwave for boiling the water |
Sodium Chloride (Crystalline/Certified ACS), Fisher Chemical | Fisher Scientific | S271-500 | NaCl |
Sodium dodecyl sulfate | Sigma-Aldrich | L3771 | SDS |
Sodium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | S8282 | NaH2PO4 |
Streptavidin Protein | Thermo Fisher Scientific | 21122 | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
TC-720 | TE Technology | TC-720 | Temperature controller |
Tris Base, Molecular Biology Grade – CAS 77-86-1 – Calbiochem | Sigma-Aldrich | 648310 | Tris-HCL |
Type 45 Ti rotor | Beckman Coulter | 339160 | |
Type 70 Ti rotor | Beckman Coulter | 337922 | |
Type 70.1 Ti rotor | Beckman Coulter | 342184 | |
VWR General-Purpose Laboratory Labeling Tape | VWR | 89097-916 | Paper tapes |
VWR Micro Cover Glasses, Square, No. 1 1/2 | VWR | 48366-227 | Glass coverslips |
VWR Plain and Frosted Micro Slides, Premium | VWR | 75799-268 | Glass slides |
XCell SureLock Mini-Cell | ThermoFisher Scientific | EI0001 | Gel box |
ZYLA 5.5 USB3.0 Camera | Nikon | ZYLA5.5-USB3 | Monochrome CCD camera |