أبريل 24, 2018
ويصف هذا البروتوكول بالتفصيل كيفية تلفيق وتشغيل أجهزة موائع جزيئية لجمع البيانات حيود الأشعة السينية في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، فهو يصف كيفية رصد تبلور البروتينات التي تشتت الضوء الحيوي والحصول على كيفية معالجة وتحليل البيانات الحيود.
الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع وتشغيل جهاز ميكروفلويدي لبلورة البروتين ، وجمع بيانات حيود الأشعة السينية في درجة حرارة الغرفة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أن التبلور داخل الرقاقة يقلل من الاضطراب الميكانيكي لبلورات البروتين. من السهل إنتاج هذه الرقائق الشفافة بالأشعة السينية ، ويمكن تركيبها مباشرة على مقاييس الزوايا لمعظم خطوط شعاع السنكروترون ، والاستفادة بكفاءة من البلورات المتاحة عند جمع بيانات حيود الأشعة السينية.
أولا ، ضع قالبا رئيسيا لتصميم رقاقة الأشعة السينية في طبق بتري بطول 10 سم مبطن بورق الألمنيوم. امزج حوالي 30 جراما من إجمالي قاعدة PDMS وعامل المعالجة بنسبة 10 إلى واحد ، واسكب PDMS على السيد على ارتفاع أربعة ملليمترات. قم بإزالة PDMS في مجفف مفرغ لمدة خمس دقائق ، وقم بنفخ الهواء لإزالة فقاعات الهواء المتبقية على سطح PDMS.
عالج PDMS في فرن على حرارة 70 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. ثم قم بتقشير قالب PDMS المعالج برفق من السيد. استخدم مشرطا لقطع الزائدة من PDMS.
قبل تصنيع رقائق الأشعة السينية ، تأكد من ترتيب مساحة العمل للسماح بسهولة الوصول إلى جميع المعدات والمكونات اللازمة أثناء صب قالب الإيبوكسي. لبدء تصنيع الرقائق ، قم بتخفيف سلائف راتنجات الايبوكسي المكونة من عنصرين بالإيثانول إلى تركيز كتلة الإيثانول النهائي بنسبة 40٪ بالوزن. باستخدام خلاط دوامة ، اخلطي راتنجات الايبوكسي والإيثانول معا.
قم بإزالة قالب PDMS في مجفف فراغ لمدة 30 دقيقة للتأكد من أن PDMS يمكنه لاحقا امتصاص فقاعات الهواء الصغيرة من راتنجات الايبوكسي. قم بقص قطعة 70 ملم × 70 ملم من رقائق البوليميد بسمك 7.5 ميكرون ، ولف الرقاقة حول شريحة زجاجية مقاس 75 ملم × 50 ملم. قم بلصق حواف الرقاقة في الجزء الخلفي من الشريحة لتشكيل سطح بوليميد مسطح وصلب.
عالج رقائق البوليميد المدعومة بالشريحة ببلازما الأكسجين لمدة 20 ثانية. بعد ذلك ، قم باحتضان الرقاقة في محلول مائي بنسبة 1٪ من حجم APTS أو GPTS لمدة خمس دقائق عند 20 درجة مئوية. أثناء السيلان ، امزج جيدا محاليل سلائف راتنجات الايبوكسي مع ملعقة صغيرة.
انقل قالب PDMS منزوع الغاز من المجفف الفراغي إلى سطح مستو. جفف رقائق البوليميد السيلانية بالهواء المضغوط أو غاز النيتروجين. ضع بسرعة قطرة من خليط الراتنج على كل بنية مجهرية على القالب.
ضع رقائق البوليميد المدعومة بالانزلاق ووجهها لأسفل على راتنجات الايبوكسي ، واضغط بقوة على الشريحة. قم بتغطية التجميع بورق بلاستيكي وصفيحة معدنية. ضع الأوزان على الصفائح المعدنية لتطبيق ضغط يصل إلى 1.4 نيوتن لكل سنتيمتر مربع على التجميع.
بعد 15 دقيقة ، افصل الشريحة الزجاجية برفق عن رقائق البوليميد المزخرفة بالإيبوكسي ، وامسح رقائق البوليميد حتى تجف. ضع ورق القصدير البلاستيكي والصفائح المعدنية والأوزان مرة أخرى في الأعلى. اترك الإيبوكسي يشفى في درجة حرارة الغرفة لمدة ساعة واحدة.
بعد ذلك ، قم بإزالة الأوزان والصفائح المعدنية والرقائق البلاستيكية. قشر رقائق البوليميد المزخرفة برفق من قالب PDMS. تعالج البلازما الرقاقة المزخرفة لمدة 20 ثانية ، وتتزوج الرقاقة المزخرفة إما باستخدام APTS أو GPTS ، كما هو موضح سابقا.
قم بسيلان رقائق البوليميد الأصلية بمحلول السيلان الآخر في نفس الظروف. جفف كلا الرقائق بالهواء المضغوط. ثم ضع قطرة من الماء منزوع الأيونات على سطح نظيف وجاف ومستو.
قم بقص هياكل الرقائق الفردية على رقائق البوليميد ، وضع جانب الإيبوكسي المزخرف من رقائق البوليميد لأعلى على قطرة الماء ، وقم بتنعيم الرقاقة بعناية حتى تصبح مسطحة تماما. ضع رقائق البوليميد الثانية على الرقاقة المزخرفة مع وجه السيلان لأسفل. قم بتنعيم الرقاقة الثانية يدويا برفق من الزاوية إلى الزاوية المقابلة لطرد فقاعات الهواء وربط صفائح البوليميد معا.
لبدء تصنيع منافذ الوصول ، قم بقص كتلة من لوح PDMS معالج بحجم أربعة ملليمترات لتغطية جميع المنافذ في شريحة الأشعة السينية من البوليميد دون تغطية حجرة التبلور. معالجة البلازما ، سيلانيز ، وتجفيف شريحة البوليميد وكتلة PDMS. اضغط على الكتلة المعالجة على الشريحة فوق المنافذ.
قم بتغطية الرقاقة بورق بلاستيكي وشريحة زجاجية نظيفة وصفيحة معدنية. ضع 1.4 نيوتن لكل سنتيمتر مربع من الضغط لمدة ساعة واحدة. بعد ذلك ، استخدم ثقب خزعة 0.75 ملم لكمة فتحات المدخل والمخرج حيث تم تمييزها في تصميم الشريحة.
أغلق الجزء الخلفي من الرقاقة بشريط عازل كهربائي من مادة البوليميد. بعد ذلك ، قم بتخفيف محلول مخزون 9٪ من مادة طلاء البوليمر الفلوري الشفافة إلى 0.45٪ بالوزن باستخدام مذيب مفلور. قم بتوصيل إبرة قياس 27 مقاس 5/8 بوصة بالمحقنة.
ضع أنابيب البولي تترافلورو إيثيلين على نهاية الإبرة. قم بتحميل محلول البوليمر الفلوري في حقنة قفل Luer سعة ملليلتر واحد. قم بتوصيل الطرف الآخر من الأنبوب بمخرج رقاقة الأشعة السينية.
قمبحقن محلول البوليمر الفلوري في الرقاقة حتى تمتلئ جميع القنوات ، وقم بإزالة محلول البوليمر الفلوري الزائد باستخدام حقنة مملوءة بالهواء. ضع الشريحة المملوءة بحيث يكون الجانب المسطح لأسفل على لوح تسخين عند 190 درجة مئوية. قم بتسخين الرقاقة لمدة خمس دقائق لتبخر المذيب ، وبالتالي طلاء القنوات بالبوليمر الفلوري.
قبل إجراء التبلور ، قم بتصفية محلول البروتين المختار بمرشح 0.2 ميكرون. الطرد المركزي المحلول لمدة 15 دقيقة عند 16 و 100 مرة جم و 20 درجة مئوية ، واسترجع المادة الطافية لتجارب التبلور. لبدء إجراء التبلور ، اجمع بين كميات متساوية من محلول البروتين ومرسبه.
ارسم حوالي 20 ميكرولترا من هذا الخليط في حقنة. استخدم إبرة قياس 27 بوصة و 5/8 بوصة وأنبوب PTFE لتوصيل المحقنة بمدخل شريحة الأشعة السينية. قم بتوصيل حقنة من الزيت المفلور بالمخرج بنفس الطريقة.
أثناء مراقبة الشريحة تحت المجهر ، املأ محلول التبلور من خلال المدخل إلى الشريحة بالتخطيط المتوازي. قم بحقن كمية كافية من الزيت المفلور لفصل حجرات التبلور في الشريحة. بعد ذلك ، قم بسد كل من منافذ المدخل والمخرج بمشابك الورق أو المقابس الضيقة الأخرى.
قم بتخزين الرقاقة في ظل ظروف التبلور المناسبة. يمكن الآن ملاحظة تكوين البلورة تحت المجهر أو عن طريق قياسات تشتت الضوء الديناميكي. عندما تكون جاهزا لجمع البيانات ، استخدم شريطا على الوجهين لتثبيت شريحة الأشعة السينية على محول مطبوع ثلاثي الأبعاد لمقياس الزوايا للوحة.
قم بتركيب محول الرقاقة على مقياس زوايا اللوحة عند خط شعاع السنكروترون. جمع وتحليل بيانات الحيود. تم استخدام الفحص المجهري للمجال الساطع لتحديد معدل تبخر الماء من غرف التبلور لشريحة رقائق البوليميد.
يمكن أن يكتشف تشتت الضوء الديناميكي التنوي الأولي لبلورات الثوماتين في شريحة PDMS على شريحة زجاجية ذات هندسة مكافئة ، مما يسمح بتحسين ظروف التبلور. تم جمع 10 أنماط حيود من كل بلورة من 83 بلورة ثوماتين نمت في شريحة بوليميد مع دوران درجة واحدة خلال كل إطار. تم تقسيم مجموعة البيانات إلى خمس مجموعات بيانات فرعية حسب الإطار ، ثم تم تقييم اضمحلال شدة قدرة الحيود الطبيعية بمرور الوقت.
بحلول مجموعة البيانات الرابعة ، انخفضت قوة الحيود إلى أقل من 50٪ زادت قيم عامل R للقياس لمجموعات البيانات الفرعية بمرور الوقت ، مما يشير إلى أن البلورات تعرضت لأضرار إشعاعية أثناء جمع البيانات. يعزى ذلك إلى الجذور الحرة المتولدة أثناء التعرض للأشعة السينية مما أدى إلى تدهور البلورات المجاورة في نفس المقصورة. كان لبلورات الثوماتين ثنائية الهرم توزيع واسع للاتجاهات في شريحة الأشعة السينية.
وبالمثل ، أظهرت بلورات إيزوميراز الجلوكوز المتعامد توزيعا واسعا للتوجهات عند زراعتها في شريحة بوليميد. ومع ذلك ، كان لبلورات الثيوريدوكسين في الغالب اتجاهات في مستويات xy و xz و yz ، ربما بسبب شكلها الممدود. بشكل عام ، هذه الرقائق قوية جدا ولها خلفية منخفضة للأشعة السينية.
هذا يجعل طريقة التصنيع هذه مناسبة لتقنيات التصوير بالأشعة السينية الأخرى ، مثل تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة. يمكن تكييف هذا الإجراء بسهولة ليناسب احتياجاتك التجريبية. على سبيل المثال ، يمكن تعديل تصميم الشريحة عن طريق ضبط أبعاد المقصورات الفردية أو العدد الإجمالي للمقصورات لكل شريحة.
كانالتركيز بشكل خاص بالنسبة لنا هو هندسة سير عمل لا يتطلب معدات كثيفة التكلفة ، مثل الأدوات المتخصصة أو مضخات الموائع الدقيقة. بعد مشاهدة هذا الفيديو وقراءة المخطوطة ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية التبلور في رقاقة ، ومراقبة عملية التبلور ، وتسجيل وتحليل بيانات الحيود باستخدام نهج الرقاقة. بمجرد إتقانها ، تتيح هذه التقنية تصنيع دفعات رقائق الموائع الدقيقة من PDMS master في حوالي ثلاث ساعات دون الحاجة إلى غرفة أبحاث مخصصة.
يحدد هذا البروتوكول تصنيع وتشغيل الأجهزة الدقيقة لجمع بيانات انكسار الأشعة السينية لجمع البيانات في درجة حرارة الغرفة. كما يوضح بالتفصيل مراقبة بلورة البروتين باستخدام تشتت الضوء الديناميكي والمعالجة اللاحقة لتحليل بيانات الانكسار.
This microfluidic approach enables room-temperature serial crystallography with minimal mechanical disturbance to fragile protein crystals, supporting early-stage target validation by preserving native conformational states. By integrating in situ dynamic light scattering for nucleation monitoring and goniometer-based fixed-target data collection, the method improves predictive confidence in structural assays and reduces attrition due to crystal damage. The low-X-ray-background design and compatibility with standard synchrotron beamlines enhance throughput and reproducibility in fragment screening and lead optimization campaigns.
The method integrates into the discovery workflow from hit confirmation through lead identification, where structural data from room-temperature crystallography informs SAR and binding mode analysis.