Eis-Bindungsproteine (EBPs), darunter Antifreeze-Proteine, Eisstrukturierungsproteine, thermische Hysterese-Proteine und Proteine, die die Eisrekristallisation hemmen, kommen in kälteangepassten Organismen vor und schützen diese vor Erfrierungsschäden, indem sie mit Eiskristallen interagieren. EBPs finden sich bei einer Vielzahl von Organismen, darunter Fische1, Pflanzen2, 3, Arthropoden4, 5, Pilze6 und Bakterien7. EBPs adsorbieren an den Oberflächen von Eiskristallen und verhindern, dass Wassermoleküle am Adsorptionsort des EBP in das Eislattice eingebaut werden. Das auf der Kristalloberfläche zwischen den adsorbierten EBPs wachsende Eis entwickelt eine starke Krümmung, wodurch die Temperatur, bei der die Eiskristalle weiterwachsen, abgesenkt wird – ein Phänomen, das als Gibbs-Thomson-Effekt bezeichnet wird. Diese Absenkung erzeugt eine Lücke (thermische Hysterese, TH) zwischen Schmelzpunkt und Nichtgleichgewichts-Frierpunkt, innerhalb derer das Eiswachstum gestoppt ist8–10, siehe Abbildung 1. Eines der wichtigsten Werkzeuge in der EBP-Forschung ist das Nanoliter-Osmometer, das die Messung der TH-Aktivität von EBP-Lösungen ermöglicht. Nanoliter-Osmometer, wie das Clifton-Gerät (Clifton Technical Physics, Hartford, NY) und das Otago-Gerät (Otago Osmometers, Dunedin, Neuseeland), wurden ursprünglich entwickelt, um die Osmolarität einer Lösung durch Bestimmung der Schmelzpunktserniedrigung von Tröpfchen im Nanoliter-Volumenbereich zu messen. Diese Geräte wurden zur Messung der Osmolarität biologischer Proben, wie beispielsweise Tränenflüssigkeit11, eingesetzt und erwiesen sich als nützlich für die EBP-Forschung. Die manuelle Steuerung dieser Nanoliter-Osmometer beschränkte jedoch die experimentellen Möglichkeiten. Temperaturänderungsraten konnten nicht zuverlässig geregelt werden, der Temperaturbereich des Clifton-Geräts war auf 4.000 mOsmol (etwa -7,5 °C) begrenzt, und die Aufzeichnung der Temperatur als Funktion der Zeit war bei diesen Geräten nicht verfügbar.
Wir haben ein maßgeschneidertes, computerkontrolliertes Nanoliter-Osmometersystem unter Verwendung einer LabVIEW-Plattform (National Instruments) entwickelt. Die zuvor beschriebene Kältestufe9, 10 enthält einen Metallblock, durch den Wasser zirkuliert und der somit als Wärmeableiter fungiert, siehe Abbildung 2. An diesem Block sind thermoelektrische Kühler angebracht, die mit einem handelsüblichen Temperaturregler angesteuert werden können, der über LabVIEW-Module gesteuert wird, siehe Abbildung 3. Weitere Einzelheiten werden weiter unten angegeben. Der wesentliche Vorteil dieses Systems liegt in der empfindlichen Temperaturregelung, siehe Abbildung 4. Eine automatisierte Temperaturregelung ermöglicht die Synchronisation eines konstanten Temperaturanstiegs mit einer videomikroskopischen Aufzeichnung, die zusätzliche experimentelle Details enthält.
Um die Zeitabhängigkeit der TH-Aktivität zu untersuchen, testeten wir ein 58 kDa großes hyperaktives IBP aus dem antarktischen Bakterium Marinomonas primoryensis (MpIBP)12. Dieses Protein war in einem von der Gruppe von Peter Davies (Queens University) entwickelten Konstrukt mit verbesserten grün fluoreszierenden Proteinen (eGFP) markiert10. Wir zeigten, dass das Temperaturänderungsprofil die TH-Aktivität beeinflusste. Eine exzellente Kontrolle über das Temperaturprofil verbesserte in diesen Experimenten die TH-Messungen erheblich. Mit dem Nanoliter-Osmometer konnten wir zudem die Rekrystallisationshemmung von IBPs untersuchen5, 13. Im Allgemeinen ist Rekrystallisation ein Phänomen, bei dem große Kristalle auf Kosten kleinerer Kristalle weiterwachsen. IBPs hemmen die Rekrystallisation effizient, selbst bei niedrigen Konzentrationen14, 15. Mithilfe unseres mit LabVIEW gesteuerten Osmometers verfolgten wir die Rekrystallisation von Eis quantitativ und hielten mithilfe einer simultanen Echtzeit-Videobildanalyse sowie einer Temperatur-Rückkopplung aus der Probenkammer einen konstanten Eisanteil aufrecht13. Die Echtzeit-Berechnungen bieten zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten während eines experimentellen Ablaufs. Eine Halterung für ein inverses Mikroskop wurde entwickelt, um temperaturgesteuerte mikrofluidische Vorrichtungen aufzunehmen, die an anderer Stelle beschrieben werden16.
Das Kältestufen-System
Die Kältestufenanordnung (Abbildung 2) besteht aus einer Reihe von thermoelektrischen Kühlelementen, die eine Kupferplatte kühlen. Die Wärme wird von der Stufe abgeführt, indem kaltes Wasser durch einen geschlossenen Hohlraum unterhalb der thermoelektrischen Kühler geleitet wird. Eine Bohrung mit 4 mm Durchmesser in der Mitte der Kupferplatte dient als Sichtfenster. Eine in der Ebene liegende Bohrung mit 1 mm Durchmesser wurde für den Thermistor angebracht. Eine speziell angefertigte Kupferscheibe (7 mm Durchmesser) mit mehreren Löchern (500 μm Durchmesser) wurde auf die Kupferplatte gesetzt und mit dem Sichtfenster ausgerichtet. Luft wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 35 ml/s eingeleitet und mittels Drierite (W.A. Hammond) getrocknet. Die trockene Luft diente dazu, eine trockene Umgebung an der Kühlstufe sicherzustellen. Die Stufe war über einen 9-poligen Anschluss an eine Temperaturregelung (Modell 3040 oder 3150, Newport Corporation, Irvine, Kalifornien, USA) angeschlossen. Die Temperaturregelung war über ein Kabel mit einer GPIB-PCI-Karte im Computer (National Instruments, Austin, Texas, USA) verbunden.