Name: a microfluidic approach for the study of ice and clathrate hydrate crystallization
Uploaded: 2022-08-18T13:00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Microfluidic Approach for the Study of Ice and Clathrate Hydrate Crystallization at JoVE.com

הוקרה ניתנת לתורמים של קרן מחקר הנפט של האגודה האמריקאית לכימיה על תמיכה במחקר זה (מענק מספר 60191-UNI5). המחברים מבקשים להודות לפרופ' עידו ברסלבסקי על היותו חלוץ השימוש בהתקנים מיקרופלואידיים לחקר חלבונים נוגדי הקפאה וקרח. המחברים מודים לפרופ' ארתור דה-וריס, פרופ' קונרד מייסטר ופרופ' פיטר דייויס על אספקת דגימות חלבון נוגדות הקפאה.

1. ייצור מכשירים מיקרופלואידיים
<ol><li>מכסים את המשטח הפנימי של צלחת פטרי ברדיד אלומיניום ומניחים את התבנית שהוכנה מראש לתוך צלחת פטרי.<ol><li>לייצר את התבניות באמצעות טכניקות ליתוגרפיה המתוארות בהפניות. שני עיצובי המכשירים המשמשים בעבודה הנוכחית מתוארים באיור 1.</li>
	</ol></li>
	<li>מכינים 30-40 מ"ל של תערובת PDMS על ידי שקילת תערובת 1:10 (לפי משקל) של חומר הריפוי והאלסטומר (ראו טבלת חומרים) וערבוב רציף במשך כ-5 דקות עד שהתערובת נראית לבנה וכמעט אטומה. הערה: מניחים פלסטיק על סולם השקילה, מוזגים את האלסטומר לתוך הכוס, ולאחר מכן מוסיפים את חומר הריפוי כדי להשיג יחס משקל של 1:10.</li>
	<li>יוצקים את תערובת ה-PDMS לצלחת הפטרי עם התבנית והדגה במייבש עד שלא נשארות בועות (כ-30 דקות).</li>
	<li>אופים את התבנית עם ה-PDMS הנוזלי בתנור או על פלטה חמה בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס עד לקבלת מרקם דמוי גומי. תהליך זה אורך כשעה.</li>
	<li>חותכים את המכשיר החוצה על ידי התחקות אחר התכונות עם אזמל, תוך הקפדה לדחוף קדימה עם האזמל במקום למטה מכיוון שהתבנית שברירית. הסר את התקן ה-PDMS החתוך, והנח אותו הפוך בצלחת פטרי חדשה. הסר חלקיקי אבק ולכלוך מהמשטח התחתון על-ידי הצמדה והסרה של פיסת סרט דבק (ראו טבלת חומרים).</li>
	<li>השתמש במחט מזרק קהה (20 גרם) כדי לנקב חורים במכשיר בהתבסס על התבנית המוטבעת, באמצעות מיקרוסקופ במידת הצורך. ודא שהחור חודר דרך הצד השני של המכשיר, והשתמש בפינצטה כדי להסיר את החלקים המנוקבים.</li>
	<li>יש לשטוף היטב את הכיסוי (18X18 מ"מ, עובי 0.14 מ"מ) במים וסבון, ולאחר מכן עם איזופרופנול. השתמשו בלחץ אוויר כדי לייבש את המכסה הנקי.</li>
	<li>הכנס את ה-PDMS והכיסוי המנוקים לשואב הפלזמה, סגור את השסתומים והפעל את החשמל, השואב והמשאבה. אפשרו למנקה הפלזמה לפעול במשך כדקה, הגדירו את ה-RF ל-HI ואפשרו לחלק מהאוויר להיכנס למנקה הפלזמה באמצעות השסתום העדין.<ol><li>כאשר צבע חלון הצפייה משתנה מסגול לוורוד, תן למנקה הפלזמה לעבוד במשך 50 שניות וכבה את ה- RF. שמור את המשאבה דולקת למשך דקה, ולאחר כיבויה, פתח בהדרגה את השסתום הראשי כדי לאפשר לאוויר להיכנס למנקה הפלזמה. הערה: שיטה חלופית להשגת תוצאות דומות היא הדבקה בחום. בשיטה זו, הניחו את התבנית על הכיסוי והניחו אותה על פלטה חמה שנקבעה ל-70-80 מעלות צלזיוס למשך כ-60 דקות.</li>
	</ol></li>
	<li>לחץ על משטח ה- PDMS על מכסה הניקוי וודא שהם מחוברים על ידי התבוננות ללא ניתוק בעת משיכה קלה כלפי מעלה על הכיסוי.</li>
	<li>הצמידו את המחט של מחט קהה בזווית של 90° (18 גרם) בעזרת זוג צבתות ומשכו את מחבר מזרק הפלסטיק כדי להסיר אותו. הכנס קצה אחד של המחט לצינור טייגון (מזהה 0.020 אינץ', OD בגודל 0.060 אינץ', ראה טבלת חומרים) ואת הקצה השני לאחד החורים המנוקבים של המכשיר. חזור על התהליך עבור החורים האחרים.</li>
	<li>כדי להסיר בועות אוויר, הזריקו מים/חיץ לתעלות עם מזרק זכוכית (משאבה היא אופציונלית, אך לא נעשה כאן שימוש במשאבה). סנן את כל הנוזלים עם מסנן 0.22 מיקרומטר לפני הזרקתם למכשיר.</li>
	<li>השתמש בסוכן חוסם כגון פתרון BSA של 1% כדי למנוע קשירה של AFPs עם תווית פלואורסצנטית על קירות PDMS. הזריקו את סוכן החסימה לערוץ הכניסה ואפשרו לו להישאר במיקרו-ערוצים למשך 20 דקות. לאחר מכן, הזרק את תמיסת המאגר לערוץ הכניסה כדי לשטוף את תמיסת ה- BSA. הערה: התקן PDMS שנוצר מחובר לכיסוי לאורך המשטח התחתון שלו, מחובר לצינורות בחורי הכניסה והיציאה שלו, ומצופה בסוכן חוסם בערוצים שלו.</li>
</ol>2. הגדרת המכשיר המיקרופלואידי
<ol><li>מרחו כמות קטנה של שמן טבילה על פני השטח של שלב הנחושת הקר (ראו טבלת חומרים) ומרחו אותו באמצעות מגבון ללא מוך ליצירת שכבה דקה של שמן. לאחר מכן, הניחו דיסקית ספיר נקייה (ראו טבלת חומרים) על שכבת השמן שנוצרה. מרחו טיפה של שמן טבילה על מרכז דיסק הספיר והניחו את התקן ה-PDMS על הטיפה כך שתכונות המכשיר מיושרות מעל חור הצפייה של השלב הקר.</li>
	<li>החזיקו את המכשיר במקומו והצמידו את הצינורות לדפנות החיצוניות של קופסת האלומיניום המאכלסת את הבמה הקרה באמצעות סרט דבק. רשום לעצמך את המיקום של כל צינור ספציפי.</li>
	<li>השתמש במזרק זכוכית כדי להזריק 4-5 μL של תמיסת AF(G)P (ראה טבלת חומרים) לתעלת הכניסה. סגור את המכסה של השלב הקר. הערה: הריכוז של פתרונות AFP יכול להיות מגוון ולהכריע על סמך עוצמת הפלואורסצנטיות שלהם. בפרוטוקול הנוכחי, טווח הריכוזים היה 5-40 μL.</li>
</ol>3. היווצרות גבישים בודדים בתעלות המיקרופלואידיות
<ol><li>נקו את השלב הקר עם אוויר/חנקן יבש כדי למנוע היווצרות עיבוי בתוכו. הפעל אמבט קירור במחזור כדי להזרים מים דרך השלב הקר ולשמש כגוף קירור.</li>
	<li>הפעל את תוכנית בקרת הטמפרטורה והגדר את הטמפרטורה ל -25 °C (75 °F). הערה: הקפאה תתרחש כאשר הדגימה מגיעה לטמפרטורה של ~-20 מעלות צלזיוס, אשר ניתן לראות כהחשכה פתאומית וחספוס של הדגימה. ניתן להשתמש בכל מטרה בשלב זה, רצוי המטרה 4x, המאפשרת למשתמש לצפות במכלול הערוצים המיקרופלואידיים.</li>
	<li>לאט לאט, הגדלת הטמפרטורה בכ-1 °C/5 שניות, מתקרבים לנקודת ההיתוך של הדגימה, שיכולה לנוע בין -1 ל-0.2 °C בהתאם למאגר המשמש בתמיסת AF(G)P. כאשר הטמפרטורה מתקרבת לנקודת ההיתוך, המתן עד שיבודדו כמה גבישים בודדים. הערה: במידת הצורך, קרח לא רצוי יכול להיות מומס באופן מקומי באמצעות לייזר IR (980 ננומטר) (ראה טבלת חומרים), אשר קבוע על המיקרוסקופ. הלייזר ממיס גבישי קרח סמוכים כל עוד הוא פועל.</li>
	<li>בשלב זה, מומלץ לעבור למטרות 10x או 20x כדי לצפות טוב יותר גבישים בודדים. לאחר קבלת גביש יחיד במיקום הרצוי, מגדלים את הגביש על ידי ירידה קלה בטמפרטורה (ב~0.01 מעלות צלזיוס) עד שקצוות הגביש פוגשים את דפנות התעלה.</li>
	<li>עברו ליעד 50x, הזריקו את תמיסת ה-AF(G)P לתעלות, וצפו בעוצמת הפלואורסצנטיות העולה, מה שמעיד על כך שתמיסת החלבון הוזרקה בהצלחה לתעלות. בצע שלב זה בזהירות כדי למנוע המסה של גביש הקרח במהלך חילופי פתרונות. עקוב מקרוב וכוונן הן את קצב הזרימה (על ידי הפעלת לחץ נוסף/פחות על מזרק הזכוכית) והן את הטמפרטורה במהלך תהליך החלפת התמיסה.</li>
	<li>אפשרו לחלבונים מספיק זמן להצטבר ולהיקשר על פני השטח של הגביש. הערה: זה משתנה בהתאם לשיעורי ההצטברות והספיחה של AF(G)P 5,25. בניסוי טיפוסי, 5-10 דקות מותרות עבור הצטברות AFP</li>
</ol>4. מדידת פעילות בהיסטרזיס תרמי (TH)
הערה: שלב זה הוא אופציונלי.
<ol><li>קבע את נקודת ההיתוך של הגביש על ידי התאמת הטמפרטורה בצעדים קטנים של 0.002 מעלות צלזיוס והתבוננות בטמפרטורה הגבוהה ביותר שניתן נתון לגביש קטן מבלי שהוא יימס.</li>
	<li>בפונקציית RAMP של בקר הטמפרטורה, הגדר את קצב הקירור ל -0.05 עד -0.01 °C / 4 s והפעל את הרמפה. שימו לב לטמפרטורה המדויקת שבה מתרחשת צמיחה גבישית פתאומית. הערה: ערך זה נקרא טמפרטורת הפרץ ומתאים לטמפרטורת ההקפאה. ההבדל בין טמפרטורות ההיתוך וההקפאה הוא פעילות TH25.</li>
</ol>5. חילופי פתרונות סביב גבישים בודדים
<ol><li>ודא שטמפרטורת הדגימה נמצאת במרווח TH כדי למנוע התכה או צמיחה של הגביש במהלך הניסוי.</li>
	<li>תעד את תהליך החלפת הפתרונות באמצעות תוכנית ההדמיה NIS Elements (ראה טבלת חומרים) לניתוח נתונים פלואורסצנטי מאוחר יותר. הזריקו באיטיות את תמיסת החיץ לתוך הכניסה השנייה של המכשיר המיקרופלואידי, וצפו בירידה באות הפלואורסצנטי בקצב התלוי בלחץ המופעל על המזרק.<ol><li>השתמש בייצוג חזותי זה כדי להבטיח שהלחץ המופעל אינו גבוה מדי כדי לא לגרום לגביש להתמוסס. ראו איור 2 לקבלת רצף של תמונות המדגימות את תהליך החלפת הפתרונות.</li>
	</ol></li>
	<li>מדוד את עוצמת הפלואורסצנטיות בתעלה המיקרופלואידית באמצעות תוכנית ההדמיה. הערה: האות צריך להגיע לשיאו באזור הסמוך לפני השטח של הגביש, מה שמעיד על קשירת AFP, וצריך להיות נמוך יחסית בתמיסה שמסביב, שנשטפה במאגר.</li>
	<li>מדוד את פעילות ה- TH לאחר החלפת הפתרונות לאחר שלב 4.</li>
	<li>חזור על הניסוי על ידי בידוד גביש חדש (שלבים 3.3-3.5). להזריק לתמיסת AFP מזרק זכוכית ולחזור על חילופי התמיסה (שלבים 5.1-5.3). השיגו גביש יחיד חדש (שלבים 3.3-3.5) והזרימו את תמיסת AFP לתעלות באמצעות מזרק הזכוכית.</li>
</ol>6. ניסויים עם הידרטים clathrate
<ol><li>כדי לקבל הידרטים של THF, הכינו תמיסת THF/מים עם יחס טוחן של 1:15, שהוא יחס נפח של 1:3.326. שמור על יחס זה בכל הפתרונות המשמשים בניסויים הבאים, כולל אלה המכילים AF(G)Ps או מעכבים אחרים.</li>
	<li>בצע את שלבים 1 ו -2 כדי להכין את המכשיר microfluidic ומניחים אותו בשלב הקר. הגדר את הטמפרטורה ל -25 °C (75 °F); הדגימה תקפא ב~-20 מעלות צלזיוס כמתואר בשלב 3.2.</li>
	<li>לאחר שתמיסת ה-THF קפואה, העלו באיטיות את הטמפרטורה עד שכל הקרח נמס. הערה: נקודת ההמסה של הקרח מדוכאת מעט על ידי ה-THF.</li>
	<li>כדי להבטיח שכל גבישי הקרח נמסו בהרחקת ההידרטים, החזיקו את הטמפרטורה ב-1 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות.</li>
	<li>הגדר את הטמפרטורה ל -2 מעלות צלזיוס והתבונן בשפע ההידרטים המופיעים בתעלות המיקרופלואידיות בהיעדר מעכבים. הערה: הידרטים של THF מעוצבים כאוקטהדרונים (איור 2), ובמקרים מסוימים, הגבישים דקים מאוד; לפיכך, התבוננות ברורה עשויה להיות מאתגרת. במקרים אלה, מומלץ לחזור על שלבים 6.4-6.5 כדי לקבל גבישים חדשים.</li>
	<li>הזרקת מעכב AF(G)P/מעכב לתעלה המיקרופלואידית באמצעות מזרק הזכוכית תוך התאמת הטמפרטורה כדי להבטיח שהגבישים המתקבלים לא יימסים/גדלים. הקדישו מספר דקות למולקולות המעכבות להיספג אל פני השטח של הגביש.</li>
	<li>במידת הצורך, מדוד את פעילות ה- TH לאחר שלב 4.</li>
	<li>החלף את הפתרון סביב הגבישים כמתואר בשלבים 5.2-5.3.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Bar Dolev, M., Braslavsky, I., Davies, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice-Binding+Proteins+and+Their+Function.">Ice-Binding Proteins and Their Function.</a> Annual Review of Biochemistry. 85 (1), 515-542 (2016).</li><li>Raymond, J. A., DeVries, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption+inhibition+as+a+mechanism+of+freezing+resistance+in+polar+fishes.">Adsorption inhibition as a mechanism of freezing resistance in polar fishes.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 (6), 2589-2593 (1977).</li><li>Celik, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+experiments+reveal+that+antifreeze+proteins+bound+to+ice+crystals+suffice+to+prevent+their+growth.">Microfluidic experiments reveal that antifreeze proteins bound to ice crystals suffice to prevent their growth.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (4), 1309-1314 (2013).</li><li>Drori, R., Davies, P. L., Braslavsky, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=When+are+antifreeze+proteins+in+solution+essential+for+ice+growth+inhibition.">When are antifreeze proteins in solution essential for ice growth inhibition.</a> Langmuir. 31 (21), 5805-5811 (2015).</li><li>Meister, K., DeVries, A. L., Bakker, H. J., Drori, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antifreeze+glycoproteins+bind+irreversibly+to+ice.">Antifreeze glycoproteins bind irreversibly to ice.</a> Journal of the American Chemical Society. 140 (30), 9365-9368 (2018).</li><li>Braslavsky, I., Drori, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=LabVIEW-operated+Novel+Nanoliter+Osmometer+for+Ice+Binding+Protein+Investigations.">LabVIEW-operated Novel Nanoliter Osmometer for Ice Binding Protein Investigations.</a> Journal of Visualized Experiments. (72), e4189 (2013).</li><li>Ruppel, C. D., Kessler, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interaction+of+climate+change+and+methane+hydrates.">The interaction of climate change and methane hydrates.</a> Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).</li><li>Mozaffar, H., Anderson, R., Tohidi, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+alcohols+and+diols+on+PVCap-induced+hydrate+crystal+growth+patterns+in+methane+systems.">Effect of alcohols and diols on PVCap-induced hydrate crystal growth patterns in methane systems.</a> Fluid Phase Equilibria. 425, 1-8 (2016).</li><li>Sa, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibition+of+methane+and+natural+gas+hydrate+formation+by+altering+the+structure+of+water+with+amino+acids.">Inhibition of methane and natural gas hydrate formation by altering the structure of water with amino acids.</a> Scientific Reports. 6, 31582 (2016).</li><li>Lederhos, J. P., Long, J. P., Sum, A., Christiansen, R. L., Sloan, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effective+kinetic+inhibitors+for+natural+gas+hydrates.">Effective kinetic inhibitors for natural gas hydrates.</a> Chemical Engineering Science. 51 (8), 1221-1229 (1996).</li><li>Sun, T., Davies, P. L., Walker, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+Basis+for+the+Inhibition+of+Gas+Hydrates+by+&#945;-Helical+Antifreeze+Proteins.">Structural Basis for the Inhibition of Gas Hydrates by &#945;-Helical Antifreeze Proteins.</a> Biophysical Journal. 109 (8), 1698-1705 (2015).</li><li>Zeng, H., Wilson, L. D., Walker, V. K., Ripmeester, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+antifreeze+proteins+on+the+nucleation,+growth,+and+the+memory+effect+during+tetrahydrofuran+clathrate+hydrate+formation.">Effect of antifreeze proteins on the nucleation, growth, and the memory effect during tetrahydrofuran clathrate hydrate formation.</a> Journal of the American Chemical Society. 128 (9), 2844-2850 (2006).</li><li>Zeng, H., Wilson, L. D., Walker, V. K., Ripmeester, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+inhibition+of+tetrahydrofuran+clathrate-hydrate+formation+with+antifreeze+protein.">The inhibition of tetrahydrofuran clathrate-hydrate formation with antifreeze protein.</a> Canadian Journal of Physics. 81 (1-2), 17-24 (2003).</li><li>Walker, V. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antifreeze+proteins+as+gas+hydrate+inhibitors.">Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors.</a> Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).</li><li>Gordienko, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+a+green+hydrate+inhibitor:+imaging+antifreeze+proteins+on+clathrates.">Towards a green hydrate inhibitor: imaging antifreeze proteins on clathrates.</a> PloS One. 5 (2), 8953 (2010).</li><li>Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+origins+and+the+future+of+microfluidics.">The origins and the future of microfluidics.</a> Nature. 442 (7101), 368-373 (2006).</li><li>Cole, R. H., Tran, T. M., Abate, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+emulsion+generation+using+a+polydimethylsiloxane+(PDMS)+co-axial+flow+focus+device.">Double emulsion generation using a polydimethylsiloxane (PDMS) co-axial flow focus device.</a> Journal of Visualized Experiments. (106), e53516 (2015).</li><li>Dutse, S. W., Yusof, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics-based+lab-on-chip+systems+in+DNA-based+biosensing:+An+overview.">Microfluidics-based lab-on-chip systems in DNA-based biosensing: An overview.</a> Sensors. 11 (6), 5754-5768 (2011).</li><li>Burklund, A., Tadimety, A., Nie, Y., Hao, N., Zhang, J. X. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+diagnostic+microfluidics.">Advances in diagnostic microfluidics.</a> Advances in Clinical Chemistry. 95, 1-72 (2020).</li><li>Sui, S., Perry, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics:+From+crystallization+to+serial+time-resolved+crystallography.">Microfluidics: From crystallization to serial time-resolved crystallography.</a> Structural Dynamics. 4 (3), 032202 (2017).</li><li>Haleva, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+cold-finger+device+for+the+investigation+of+ice-binding+proteins.">Microfluidic cold-finger device for the investigation of ice-binding proteins.</a> Biophys Journal. 111 (6), 1143-1150 (2016).</li><li>Vlasic, T. M., Servio, P. D., Rey, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=THF+hydrates+as+model+systems+for+natural+gas+hydrates:+Comparing+their+mechanical+and+vibrational+properties.">THF hydrates as model systems for natural gas hydrates: Comparing their mechanical and vibrational properties.</a> Industrial and Engineering Chemistry Research. 58 (36), 16588-16596 (2019).</li><li>Chen, W., Pinho, B., Hartman, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flash+crystallization+kinetics+of+methane+(sI)+hydrate+in+a+thermoelectrically-cooled+microreactor.">Flash crystallization kinetics of methane (sI) hydrate in a thermoelectrically-cooled microreactor.</a> Lab on a Chip. 17 (18), 3051-3060 (2017).</li><li>Qin, D., Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+lithography+for+micro-+and+nanoscale+patterning.">Soft lithography for micro- and nanoscale patterning.</a> Nature Protocols. 5 (3), 491-502 (2010).</li><li>Drori, R., Celik, Y., Davies, P. L., Braslavsky, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice-binding+proteins+that+accumulate+on+different+ice+crystal+planes+produce+distinct+thermal+hysteresis+dynamics.">Ice-binding proteins that accumulate on different ice crystal planes produce distinct thermal hysteresis dynamics.</a> Journal of the Royal Society Interface. 11 (98), 20140526 (2014).</li><li>Soussana, T. N., Weissman, H., Rybtchinski, B., Drori, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption-inhibition+of+clathrate+hydrates+by+self-assembled+nanostructures.">Adsorption-inhibition of clathrate hydrates by self-assembled nanostructures.</a> ChemPhysChem. 22 (21), 2182-2189 (2021).</li><li>Drori, R., Holmes-Cerfon, M., Kahr, B., Kohn, R. v., Ward, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+and+unsteady+morphologies+at+ice+interfaces+driven+by+D2O-H2O+exchange.">Dynamics and unsteady morphologies at ice interfaces driven by D2O-H2O exchange.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (44), 11627-11632 (2017).</li><li>Deng, J., Apfelbaum, E., Drori, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+growth+acceleration+by+antifreeze+proteins+leads+to+higher+thermal+hysteresis+activity.">Ice growth acceleration by antifreeze proteins leads to higher thermal hysteresis activity.</a> Journal of Physical Chemistry B. 124 (49), 11081-11088 (2020).</li></ol>

הפרוטוקול הנוכחי תוכנן להשתמש בשילוב של זרימה מיקרופלואידית עם גבישים מיקרוסקופיים כדי לחשוף תובנות חדשות על צמיחת גבישים ועיכובם. שלב קר27 מבוקר טמפרטורה ברזולוציה של מיליקלווין מאפשר שליטה בגבישים מיקרוסקופיים בודדים הממוקמים בתוך תעלות מיקרופלואידיות, ובכך מאפשר החלפת תמיסות סביבם. בעוד שייצור התקנים מיקרופלואידיים הוא סטנדרטי ודומה לשיטות עבודה נפוצות17,18, השליטה על הצמיחה וההתכה של גבישים בתוך המכשיר היא ייחודית וחדשנית. המרכיב הקריטי ביותר במערכת זו הוא בקרת הטמפרטורה המעולה, המושגת באמצעות מצננים תרמואלקטריים של Peltier, משוב מתרמיסטור הממוקם קרוב לדגימה, ובקר טמפרטורה ברזולוציה גבוהה השולט בלולאת המשוב.
שלב קריטי נוסף הוא החלפת התמיסה עצמה, שכן הגבישים עשויים להתמוסס או לגדול במהלך תהליך זה; לפיכך, יש להתאים את הטמפרטורה במהלך חילופי התמיסה כדי למנוע צמיחה/התכה. היווצרות גבישים בתעלות מיקרופלואידיות מפריעה לזרימת הנוזלים ומציבה את האתגר העיקרי של מערכת זו; לפיכך, יש לשלוט בצמיחתם של גבישים אלה. כאן, לייזר IR (980 ננומטר) הורכב על המיקרוסקופ ההפוך ושימש להמסה מקומית של גבישי קרח/הידרציה לא רצויים28. אם לא ניתן להשתמש בלייזר כזה, ניתן לחמם את המחברים המתכתיים של המכשיר המיקרופלואידי על ידי מצנן תרמואלקטרי נוסף של Peltier, אשר ימיס את הקרח בכניסה/יציאה של המכשיר.
השיטה המתוארת כאן כוללת מכשירים שפותחו בבית (שלב קר) ודורשת אימון, שכן חלק מהצעדים שהוזכרו לעיל מאתגרים. מכיוון שריכוז התמיסה המקיפה את הגבישים עשוי להשתנות גם כאשר הזרימה אינה מיועדת, שלב כיולפשוט 5 יכול לספק הערכה אמינה של הריכוז בהתבסס על אות הפלואורסצנציה. פתרון אפשרי נוסף לזרימה לא רצויה (במהלך מדידות TH, למשל) הוא שסתומים מיקרופלואידיים, המתוארים בהתייחסות4.
מערכת זו שימשה גם כדי לחקור את התנהגות הגדילה שלקרח D 2 O בנוזל H2O, מחקר שחשף תופעה חדשה של משטחי קרח מיקרוסקופיים מסולסלים27. לפיכך, microfluidics יכול לשמש במחקר של מערכות גבישיות שונות המגיבות היטב לשינויי טמפרטורה.

חלבונים נוגדי הקפאה (AFPs) וגליקופרוטאינים נוגדי הקפאה (AFGPs) מגנים על אורגניזמים שונים המותאמים לקור מפני נזקי כפור1. AFPs ו-AFGPs (בהכללה כ-AF(G)Ps) מעכבים את צמיחתם של גבישי קרח על ידי קשירה בלתי הפיכה לפני השטח שלהם ועיכוב צמיחה נוספת עקב אפקט גיבס-תומסון 2,3,4,5. הפער שנוצר בין טמפרטורת ההיתוך, שכמעט ולא השתנתה, לבין טמפרטורת ההקפאה שזה עתה מדוכאת נקרא היסטרזיס תרמי (TH) ומייצג פרמטר מדיד המתאים לפעילות AFP6. לשימוש ב-AFPs לעיכוב צמיחת קרח יש יישומים מרחיקי לכת ומגוונים, המציעים פוטנציאל השבחה בתחומים שונים, כולל שימור בהקפאה, איכות מזון קפוא והגנה על גידולים שנחשפו לקור.
התגבשות המים בטמפרטורות נמוכות ובלחצים גבוהים בנוכחות מולקולות אורגניות קטנות גורמת להיווצרות הידרטים של קלתראט (או הידרטים של גז), כאשר ההידרט הנפוץ ביותר הוא מתאן הידרט7. התגבשות של הידרטים של מתאן בקווי זרימה של גז/נפט עלולה לגרום לתקעים, שעלולים לגרום לפיצוצים עקב הצתת גז 8,9,10. המאמצים הנוכחיים למניעת התגבשות הידרטים בקווי זרימה כוללים שימוש במעכבים תרמודינמיים (אלכוהולים וגליקולים) וקינטיים (בעיקר פולימרים)11,12,13,14. כמו כן, נמצא כי AFPs נקשרים לגבישי הידרט קלתראט ומעכבים את צמיחתם, מה שמצביע על שימוש פוטנציאלי ב-AFPs כדי לעכב את היווצרותם של תקעים, ובכך לספק פתרון ירוק יותר15.
מיקרופלואידיקה היא שיטה נפוצה המשמשת לחקר תכונותיהם של נוזלים בנפחי דגימה זעירים (עד fL) הזורמים דרך רשת של מיקרו-ערוצים16. המיקרו-ערוצים עוקבים אחר תבנית שנוצרה על פרוסת סיליקון (התבנית) באמצעות ליתוגרפיה17. חומר נפוץ לייצור התקנים מיקרופלואידיים הוא פולידימתילסילוקסן (PDMS), שהוא זול ופשוט יחסית לעבוד איתו במעבדות מחקר. עיצוב התכונות (ערוצים) מורכב ביחס למטרה הספציפית של המכשיר; לפיכך, ניתן להשתמש בו למגוון יישומים, כולל חישת DNA18, אבחון רפואי19 ותהליכי התגבשות 3,20,21.
הפרוטוקול הנוכחי מתאר שיטה מיקרופלואידית ייחודית לגידול גבישי קרח והידרט בגודל מיקרון עם מעכבים שונים, כולל AFPs ו-AFGPs. עבור ניסויים אלה, הידרטים של Tetrahydrofuran (THF) שימשו כדי לחקות את התכונות של הידרטים של גז מתאן22, הדורשים ציוד מיוחד לבקרת לחץ וטמפרטורה23. AF(G)Ps עם התווית הפלואורסצנטית שימשו להדמיה ולניתוח של ספיחת החלבונים אל פני השטח של הגביש, ובשילוב עם הדמיה פלואורסצנטית, הגישה המיקרופלואידית אפשרה קבלת תכונות מפתח של תהליך הקשירה של מולקולות אלה למשטחי גבישים.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.22-micron filters</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>90-degree bent blunt needles</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>18 Gauge</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antifreeze proteins and antifreeze glycoproteins</td>
			<td>A gift</td>
			<td></td>
			<td>See references 5 and 28</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt needles</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>18 Gauge and 20 Gauge</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine Serum Albumin (BSA)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cold stage</td>
			<td>Home made</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cover slips</td>
			<td>Globe Scientific</td>
			<td></td>
			<td>18 X 18 mm, 0.14 mm thickness</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass syringe</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared laser 980 nm</td>
			<td>Opto Engine LLC</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverted microscope, Eclipse Ti - S</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Invisible tape</td>
			<td>Staples</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>lint-free wipe</td>
			<td>Kimwipes</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Newport 3040 temperature controller</td>
			<td>Newport 3040</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIS-Elements Imaging Software</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil vacuum pump</td>
			<td>Harrick Plasma</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plasma cleaner</td>
			<td>Harrick Plasma</td>
			<td>PDC-32G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane (Dow Corning Sylgard 184 Silicone Elastomer kit)</td>
			<td>Dow Corning Syglard</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safranine O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S2255-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sapphire disc</td>
			<td>Ted Pella Inc</td>
			<td>16005-1010</td>
			<td>&#160;25.4 mm diameter, 0.3 mm thickness</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sCMOS Camera, Neo 5.5</td>
			<td>Andor</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrahydrofuran (THF)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>401757-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tygon Microbore tubing for microfluidic device</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td></td>
			<td>&#160;0.020&#34; ID, 0.060&#34;OD, 100 ft/roll.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tygon tubing for water circulation and nitrogen gas</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td></td>
			<td>1/8&#8221; ID, 3/16&#8221; OD</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a microfluidic approach for the study of ice and clathrate hydrate crystallization

תיאור מכניסטי מדויק של התגבשות מים הוא מאתגר ודורש כמה אלמנטים מרכזיים: בקרת טמפרטורה מעולה המאפשרת היווצרות של גבישים מיקרוסקופיים בודדים ומערכת מיקרוסקופיה מתאימה המוצמדת לשלב הקר. השיטה המתוארת כאן מוסיפה תכונה חשובה נוספת הכוללת החלפת תמיסות סביב קרח וגבישי הידרט קלתראט. המערכת המתוארת כוללת שילוב של מכשירים ייחודיים שפותחו בבית, כולל מיקרופלואידיקה, שלבים קרים ברזולוציה גבוהה ומיקרוסקופיה פלואורסצנטית. השלב הקר תוכנן עבור התקנים מיקרופלואידיים ומאפשר היווצרות גבישי קרח/הידרט בגודל מיקרון בתוך תעלות מיקרופלואידיות והחלפת תמיסות סביבם. רזולוציית הטמפרטורה והיציבות של השלב הקר היא מיליקלווין אחד, שהוא חיוני לשליטה על הצמיחה של גבישים קטנים אלה. מערכת מגוונת זו משמשת לחקר התהליכים השונים של התגבשות קרח והידרטים והמנגנון שבאמצעותו מעוכבת צמיחתם של גבישים אלה. הפרוטוקול מתאר כיצד להכין התקנים מיקרופלואידיים, כיצד לגדל ולשלוט בגבישים מיקרוסקופיים בתעלות המיקרופלואידיות, וכיצד ניצול זרימת הנוזלים סביב גבישי קרח/הידרט מעניק תובנות חדשות על התגבשות המים.

החלפת פתרונות עם גבישי קרח חילופי פתרונות מוצלחים סביב גביש קרח מוצגים באיור 3. חותמת הזמן על כל תמונת מצב מצביעה על כך שהחלפת הפתרונות הייתה מהירה יחסית; עם זאת, החלפה איטית יותר אפשרית. עוצמת הפלואורסצנטיות המגיעה ממולקולות ה-AFGP הנספגות בקרח נצפית בבירור לאחר השלמת ההחלפה (איור 3, מימין). ניתוח כמותי של ריכוז AFP על פני הקרח מנוטר באמצעות כלי ייעודי של אזור עניין (ROI) (איור 4). בניסוי זה4, AFP סוג III (איזופורם QAE) מדולל ב 50 mM Tris-HCl (pH 7.8) ו 100 mM NaCl שימש. התמיסה מוחלפת סביב גביש בצורת דו-פירמידל, ועוצמת הפלואורסצנטיות בתמיסה ועל הקרח מנוטרת. החלקה האדומה המציינת את אות הפלואורסצנציה בתמיסה פוחתת בפקטור של 100 במהלך חילופי התמסיסה, בעוד שהאות המחושב (החלקה הירוקה) על פני הקרח נשאר קבוע. האות המחושב של מולקולות ספיחת הקרח התקבל על ידי הפחתת האות המגיע מהתמיסה (כפול קבוע המתייחס לעובי הערוץ המיקרופלואידי) מהאות המגיע מהקרח4.
החלפת תמיסות עם הידרטים של THF ניסויים מיקרופלואידיים עם הידרטים של THF בוצעו בדומה לניסויים בקרח. לאחר שגבישי ההידרט הורשו לספוח את מולקולות המעכב מהתמיסה, הוזרק תמיסה נטולת מעכבים לתעלות. איור 5 מציג הידרטים של THF לאחר חילופי תמיסות עם שני סוגים של מעכבים: AFGP1-5 המסומן באיזותיוציאנט פלואורסציני (FITC) (איור 5A) וספרנין O (ראו טבלת חומרים), שהוא צבע פלואורסצנטי26 (איור 5B). זהו ההדגמה הראשונה של קשירת AFGP לפני השטח של הידרט קלתרט.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64072/64072fig01.jpg"> איור 1: ייצוג סכמטי של התעלות המיקרופלואידיות ששימשו במחקר הנוכחי. שני העיצובים כוללים שני פתחים ושקע אחד. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64072/64072fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64072/64072fig02.jpg"> איור 2: הידרטים של THF נוצרו בתעלה המיקרופלואידית לאחר שהטמפרטורה התקררה ל~-2 מעלות צלזיוס. המורפולוגיה של כל הגבישים המוצגים היא טטרהדרון; עם זאת, חלק מהגבישים מכוונים אחרת. סרגל קנה מידה = 20 מיקרומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64072/64072fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64072/64072fig03.jpg"> איור 3: ניסוי מייצג המציג חילופי תמיסה סביב גביש קרח יחיד בתעלה מיקרופלואידית. בתחילה, הפתרון הכיל AFGP1-5 המסומן ב- FITC, ו- AFGPs ספיחת קרח לא נצפו. לאחר שהתמיסה הוחלפה בתמיסה נטולת AFGP, החלבונים שנספחו קודם לכן על פני הקרח זוהו בבירור (תמונה מימין). סרגל קנה מידה = 25 מיקרומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64072/64072fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64072/64072fig04v2.jpg"> איור 4: ניתוח כמותי ואיכותי של ריכוז AFP על פני הקרח. (A) גביש קרח בריכוז תמיסת AFP גבוה (לפני חילופי תמיסות). (B) אותו גביש לאחר פתרון AFP הוחלף בתמיסת חיץ נטולת AFP. סרגל קנה מידה = 20 מיקרומטר. (C) ניתוח כמותי של עוצמת הפלואורסצנטיות על פני הקרח (שחור) ובתמיסה (אדום) במהלך חילופי תמיסה. העקומה הירוקה מייצגת את העוצמה המחושבת על פני הקרח. האיור מותאם באישור הפניה4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64072/64072fig04largev2.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64072/64072fig05.jpg"> איור 5: גבישי הידרט THF בודדים בתעלות מיקרופלואידיות לאחר שהתמיסה סביבם (A, AFGP1-5) או (B,Safranine  O) הוחלפה. התמונה ב-(B) מועתקת מהפניה26. סרגל קנה מידה = 25 מיקרומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64072/64072fig05large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about A Microfluidic Approach for the Study of Ice and Clathrate Hydrate Crystallization at JoVE.com

A Microfluidic Approach for the Study of Ice and Clathrate Hydrate Crystallization

הפרוטוקול הנוכחי מתאר התגבשות של גבישי קרח מיקרוסקופיים והידרטים של קלתראט בהתקנים מיקרופלואידיים, מה שמאפשר חילופי נוזלים סביב הגבישים שנוצרו. זה מספק אפשרויות שאין שני להן לבחון את תהליך ההתגבשות ומנגנוני הקשירה של המעכבים.

גישה מיקרופלואידית לחקר התגבשות קרח וקלתראט הידרט

An accurate mechanistic description of water crystallization is challenging and requires a few key elements: superb temperature control to allow the ...

פרוטוקול זה הוא ייחודי משום שהוא מאפשר למשתמש ללמוד ולבחון ולמדוד את האינטראקציה בין מולקולות מסיסות למשטחי גבישים. ראיות חזקות לקשירה בלתי הפיכה של חלבונים נוגדי הקפאה לקרח או שהושגו בשיטה זו. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא היכולת לשלוט על הצמיחה של קרח בגודל מיקרון גבישים hydrate ולהחליף את הפתרון סביבם באופן מבוקר.כדי להתחיל, מניחים את התבנית שהוכנה מראש בצלחת פטרי זכוכית מכוסה רדיד אלומיניום. לאחר מכן מכינים 30 עד 40 מיליליטר של תערובת PDMS על ידי שקילה של תערובת 1 עד 10 של חומר הריפוי והאלסטומר ומערבבים ברציפות במשך כחמש דקות עד שהתערובת נראית לבנה וכמעט אטומה. לאחר מכן, יוצקים את תערובת PDMS לתוך צלחת פטרי עם עובש דגה ב desiccator עד לא נשארות בועות.אופים את התבנית עם ה-PDMS הנוזלי בתנור או על פלטה חמה ב-70 מעלות צלזיוס עד לקבלת מרקם דמוי גומי. לאחר מכן חתכו את המכשיר על ידי התחקות אחר התכונות עם אזמל, תוך הקפדה לדחוף קדימה עם האזמל במקום למטה, מכיוון שהתבנית שברירית. לאחר הסרת התקן PDMS חתוך, הנח אותו הפוך בצלחת פטרי חדשה.באמצעות מזרק קהה, מחט 20 מד, לנקב חורים במכשיר על בסיס התבנית המוטבעת. לאחר מכן הכנס את ה- PDMS המנוקה והחליק את הכיסוי למנקה הפלזמה. סגור את השסתומים והפעל את הכוח, הוואקום והמשאבה.תנו למנקה הפלזמה לפעול במשך כדקה. הגדר את ה- RF לגבוה ואפשר לחלק מהאוויר להיכנס למנקה הפלזמה באמצעות השסתום העדין. כאשר צבע חלונות הצפייה משתנה מסגול לוורוד, תן למנקה הפלזמה לעבוד במשך 50 שניות כדי לכבות את ה- RF.שמור את המשאבה דולקת למשך דקה, ולאחר כיבויה, פתח בהדרגה את השסתום הראשי כדי לאפשר לאוויר להיכנס למנקה הפלזמה. לאחר מכן לחץ על משטח ה- PDMS על הכיסוי המנוקה וודא שהם מחוברים על ידי התבוננות ללא ניתוק בעת משיכה קלה כלפי מעלה על הכיסוי. לאחר אבטחת המחט של מחט קהה בזווית של 90 מעלות עם זוג צבתות, הכנס קצה אחד של המחט לתוך צינור טייגון ואת הקצה השני לתוך אחד החורים המנוקבים של המכשיר תוך חזרה על התהליך עבור החורים האחרים.מרחו כמות קטנה של שמן טבילה על פני השטח של שלב הנחושת הקר ופזרו אותו באמצעות מגבון ללא מוך ליצירת שכבה דקה של שמן. לאחר מכן, מניחים דיסק ספיר נקי על שכבת השמן שנוצרה. לאחר מכן יש למרוח טיפה של שמן טבילה על מרכז דיסק הספיר ולמקם את התקן ה-PDMS על הטיפה, כך שתכונות המכשיר מיושרות מעל חור הצפייה של השלב הקר.לאחר החזקת המכשיר במקומו, הצמידו את הצינורות לקירות החיצוניים של קופסת האלומיניום שבה נמצא סרט הדבקה. באמצעות מזרק זכוכית, להזריק ארבעה עד חמישה microliters של תמיסת חלבון נוגד הקפאה לתוך תעלת הכניסה ולסגור את המכסה של השלב הקר. התחל את תוכנית בקרת הטמפרטורה והגדר את הטמפרטורה למינוס 25 מעלות צלזיוס.ואז לאט לאט להגדיל את הטמפרטורה על ידי כמעלה אחת צלזיוס לכל חמש שניות. התקרבו לנקודת ההתכה של הדגימות, שיכולות לנוע בין מינוס 1 למינוס 0.2 מעלות צלזיוס, בהתאם למאגר המשמש בתמיסת החלבון נוגדת ההקפאה. כדי לצפות טוב יותר בגבישים בודדים, עבור ליעדים של פי 10 או 20x.ולאחר קבלת גביש יחיד במיקום הרצוי, לגדל את הגביש על ידי ירידה קלה בטמפרטורה עד שקצות הגביש פוגשים את קירות התעלה. לאחר המעבר ליעד 50x, הזריקו את תמיסת החלבון נוגדת ההקפאה לתעלות וצפו בעליית עוצמת הפלואורסצנטיות, מה שמעיד על כך שתמיסת החלבון הוזרקה בהצלחה לתעלות. כדי לתעד את תהליך החלפת התמיסה, השתמש בתוכנית ההדמיה NIS-Elements, כדי לוודא שהלחץ המופעל אינו גבוה מדי ולהזריק באיטיות את תמיסת המאגר לכניסה השנייה של ההתקן המיקרופלואידי.שימו לב לירידה באות הפלואורסצנטי בקצב התלוי בלחץ המופעל על המזרק. כדי לקבל הידרטים THF לאחר הכנת תמיסת מים THF עם יחס טוחן של 1 עד 15, להזריק את התמיסה לתוך המכשיר microfluidic. לאחר שתמיסת המים THF קפואה, העלו באיטיות את הטמפרטורה עד שכל הקרח נמס בהרחקת ההידרטים והחזיקו את הטמפרטורה על מעלה אחת צלזיוס למשך שלוש דקות.הגדר את הטמפרטורה למינוס שתי מעלות צלזיוס והתבונן בשפע ההידרטים המופיעים בתעלות המיקרופלואידיות בהיעדר מעכבים. לאחר מכן להזריק את החלבון או המעכב נוגד ההקפאה לתעלה המיקרופלואידית באמצעות מזרק הזכוכית תוך התאמת הטמפרטורה כדי להבטיח שהגבישים המתקבלים לא נמסים או גדלים ומאפשרים למספר דקות למולקולות המעכבות להיספג למשטח הגביש. בצע את חילופי התמיסה על ידי הזרקת התמיסה ללא מעכבים לערוץ.צלם תמונות של הגביש לפני ואחרי חילופי התמיסה ונתח את עוצמת הפלואורסצנטיות בגביש ובתמיסה באמצעות תוכנית ההדמיה. בוצע חילופי תמיסה מוצלחים סביב גביש קרח המעידים על כך שחילופי התמיסה היו מהירים יחסית. עם זאת, החלפה איטית יותר אפשרית.עוצמת הפלואורסצנטיות שהגיעה ממולקולות הגליקופרוטאינים נוגדי הקפאה של ספיחת הקרח נצפתה בבירור לאחר השלמת ההחלפה. ניתוח כמותי של ריכוז החלבונים נוגדי ההקפאה היה במעקב ועוצמת הפלואורסצנטיות נקבעה בתמיסה ועל הקרח, מה שמצביע על כך שהאות הפלואורסצנטי בתמיסה יורד בפקטור של 100 במהלך חילופי התמיסה, בעוד האות המחושב על פני הקרח נשאר קבוע. ניסויים מיקרופלואידיים עם הידרטים של THF בוצעו כאשר תמיסה ללא מעכבים הוזרקה לתעלות לאחר שגבישי ההידרט הורשו לספוח את מולקולות המעכב.הידרטים של THF נצפו לאחר חילופי תמיסה עם שני סוגים של מעכבים, כולל גליקופרוטאינים נוגדי הקפאה המסומנים באיזותיוציאנט פלואורסצין וספרנין O, צבע פלואורסצנטי. השלבים הקריטיים של הליך זה הם היווצרות ובידוד של גביש יחיד בתעלות microfluidic ואת חילופי התמיסה סביבו. ניתן להשתמש בשיטה זו עם חומרים גבישיים אחרים הרגישים מאוד לטמפרטורה, במאמץ להבין את המנגנון שבאמצעותו מעכבים מתקשרים עם גבישים אלה.היכולת להחליף תמיסות סביב גבישים סללה את הדרך לחוקרים לזהות תובנות מרכזיות על מנגנון הקשירה של חלבונים נוגדי הקפאה ולגלות תופעה חדשה של השפעת איזוטופים על צמיחת קרח.

Research

JoVE Journal

Chemistry

LabVIEW-operated Novel Nanoliter Osmometer for Ice Binding Protein Investigations

Osmometer Nanoliter הרומן LabVIEW המופעל לחקירות חלבון מחייב קרח

Ice-binding proteins (IBPs), including antifreeze proteins, ice structuring proteins, thermal hysteresis proteins, and ice recrystallization inhibition ...

Covalent Binding of BMP-2 on Surfaces Using a Self-assembled Monolayer Approach

קוולנטיים עקידת BMP-2 על משטחים באמצעות גישה חד שכבתי התאסף עצמית

Bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) is a growth factor embedded in the extracellular matrix of bone tissue. BMP-2 acts as trigger of mesenchymal cell ...

Determining the Ice-binding Planes of Antifreeze Proteins by Fluorescence-based Ice Plane Affinity

קביעת המישורים המחייבים קרח של חלבונים נגד קיפאון על ידי זיקה למטוס קרח מבוסס פלואורסצנטיות

Antifreeze proteins (AFPs) are expressed in a variety of cold-hardy organisms to prevent or slow internal ice growth. AFPs bind to specific planes of ice ...

An Inverse Analysis Approach to the Characterization of Chemical Transport in Paints

גישה הפוכה ניתוח לאפיון כימי תחבורה בצבעים

The ability to directly characterize chemical transport and interactions that occur within a material (i.e., subsurface dynamics) is a vital component in ...

Glycan Node Analysis: A Bottom-up Approach to Glycomics

ניתוח צומת glycan: גישה מלמטה למעלה כדי glycomics

Synthesized in a non-template-driven process by enzymes called glycosyltransferases, glycans are key players in various significant intra- and ...

Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment

כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. ...

Sulfate Separation by Selective Crystallization with a Bis-iminoguanidinium Ligand

ההפרדה סולפט ידי סלקטיבי התגבשות עם ליגנד Bis-iminoguanidinium

A simple and effective method for selective sulfate separation from aqueous solutions by crystallization with a bis-guanidinium ligand, ...

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

Microfluidic יבש-ספינינג ואפיון של סיבי Fibroin משי מחדש

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic שבבים עבור בחיי עיר קריסטל רנטגן עקיפה ו בחיי עיר פיזור אור דינאמי עבור קריסטלוגרפיה טורי

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

Syntheses, Crystallization, and Spectroscopic Characterization of 3,5-Lutidine N-Oxide Dehydrate

Syntheses, Crystallization, and Spectroscopic Characterization of 3,5-Lutidine N-Oxide Dehydrate

Syntheses, התגבשות, ואפיון ספקטרוסקופיות של 3.5-Lutidine N-תחמוצת מייבשים

The synthesis of 3,5-lutidine N-oxide dehydrate, 1, was achieved in the synthesis route of 2-amino-pyridine-3,5-dicarboxylic acid. Ochiai first used the ...