Gotas acuosas utilizan como enzimática microreactores y su accionamiento electromagnético

El propósito general de este dispositivo es proporcionar una nueva tecnología de plataforma microfluídica que realice reacciones en cascada automatizadas en pequeñas gotas acuosas. Este método podría ayudar a responder preguntas clave en el campo de la biología sintética mediante la reproducción de secuencias de reacción de microorganismos, realizando secuencias de reacción complejas con enzimas y seleccionando nuevos catalizadores. La principal ventaja de nuestro enfoque de laboratorio en una gota es que es muy adaptable.

A diferencia de los chips microfluídicos basados en canales, el único requisito previo es un entorno de reacción hidrofílica. Aunque este método puede proporcionar información sobre las reacciones enzimáticas, también se puede aplicar a otros sistemas, como los catalizadores inorgánicos o el ensartado de ligandos. La primera vez que tuve la idea de este método fue cuando intenté diseñar un dispositivo microfluídico con separación de producto integrada, pero sin un sistema complejo de válvulas y separadores.

Al mover la solución de reacción como una gota, el control de la reacción se vuelve muy simple. En primer lugar, diseña en impresión 3D los cuerpos de las bobinas. Luego, use una máquina bobinadora para envolver los cuerpos con un alambre de cobre de 08 milímetros 45 centenas veces cada uno.

Coloque un elemento Peltier en un tablero eléctrico. Atornille la primera capa de bobinas en el elemento Peltier para formar un cuadrado. A continuación, asegure la segunda capa de bobinas en la parte superior con el marco de plástico impreso en 3D u otro material no conductor.

Conecte la placa eléctrica al control magnético con un cable plano. Inserte imanes de neodimio en las bobinas. Coloque una placa de vidrio o plástico de cuarzo de un milímetro de espesor encima de la matriz de la bobina.

Asegure la cubierta en su lugar con tornillos para terminar de ensamblar la plataforma de actuación. Para comenzar la síntesis de nanopartículas bajo una atmósfera inerte, primero suspenda 85 gramos de cloruro de hierro (III) hexahidratado y 3 gramos de cloruro de hierro (II) tetrahidratado en 200 mililitros de una solución de agua a etanol de cuatro a uno. A continuación, añade 0,2 mililitros de PFOTES y remueve la mezcla a 500 RPM con una barra magnética para remover.

Añade hidróxido de amonio 1,5 molar a la mezcla para conseguir un pH de 8,0. Y luego continuar agitando la solución durante 24 horas para obtener las nanopartículas magnéticas hidrofóbicas. Fije un imán de barra con una fuerza de sujeción de 25 kilogramos en el fondo del matraz de reacción.

Vierta la solución y lave las partículas tres veces con una solución de agua a etanol de cuatro a uno. Retire el imán y seque las partículas a 60 grados centígrados durante 24 horas. Caracterizar las partículas con microscopía electrónica de barrido.

Prepare una solución de 0,1 microgramos por mililitro de peroxidasa de rábano picante en tampón de fosfato de potasio 6,5 de pH molar de 0,1 molar con peróxido de hidrógeno de 10 milimolares. A continuación, prepare una solución de 20 micromolares de la sonda fluorescente 10-acetil-3, 7-dihidroxifenoxazina en tampón de fosfato de potasio. A continuación, muele suavemente las nanopartículas secas con un mortero de vidrio.

Transfiera las partículas a un plato de pesaje de poliestireno y agregue 10 microlitros de la solución de peroxidasa. Gire suavemente la sartén durante unos 10 segundos para lograr el autoensamblaje de nanopartículas alrededor de la solución de peroxidasa. Transfiera este microrreactor a la plataforma de actuación.

Repita este proceso con 10 microlitros de la solución de sonda fluorescente y coloque el segundo microrreactor en la plataforma. Almacene las partículas restantes a temperatura ambiente. Utilice el elemento Peltier para mantener las soluciones de reacción en los microrreactores a 25 grados centígrados.

Monte un microscopio de fluorescencia a unos 10 milímetros por encima de los microrreactores y conecte el microscopio a una computadora. Usando el control de imanes, active los imanes y gírelos para colocar el microrreactor de solución de sonda fluorescente debajo del microscopio. Encienda la luz de excitación.

Levante el imán de la bobina para abrir el microrreactor y comience a registrar la imagen de microscopía de fluorescencia. Después de dos a cinco segundos, baje el imán para cerrar el microrreactor. Luego, use el control de imanes para mover el microrreactor de peroxidasa adyacente al microrreactor de fluorescencia.

Abra el microrreactor de sonda fluorescente. El microrreactor de peroxidasa se introduce en el microrreactor de sonda y se abre, iniciando la reacción. Monitoree la reacción mediante microscopía de fluorescencia abriendo y cerrando el microrreactor fusionado según sea necesario.

Los microrreactores se crearon codificando gotas de solución con nanopartículas de hierro hidrofóbicas. Estos microrreactores pueden moverse, abrirse, cerrarse y fusionarse mediante la manipulación de imanes de neodimio bajo una plataforma de actuación. La plataforma de accionamiento también se puede construir con núcleos de hierro en los cuerpos de las bobinas.

Esto proporciona suficiente fuerza magnética para mover un microrreactor en más de 10 milímetros, pero es insuficiente para abrir el microrreactor. Por lo tanto, se debe usar un imán de neodimio para realizar reacciones en pequeños volúmenes de solución. Se realizó una reacción enzimática representativa entre una peroxidasa y un marcador fluorescente y se monitoreó mediante microscopía fluorescente.

La cinética mencionada por Michaelis observada durante la reacción concordó bien con los valores de la literatura, lo que indica que la configuración del microrreactor no influye en el progreso de la reacción. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo sintetizar micropartículas hidrofóbicas y generar microgotas acuosas con ellas. La tecnología de la plataforma se puede utilizar para el control automatizado de reacciones mediante la fusión de gotas.

Además, los microrreactores individuales llenos de sustrato pueden moverse sobre pequeñas zonas de superficie con enzimas movilizadas. El uso de múltiples zonas de inmovilización con diferentes enzimas permite una cascada de reacción secuencial con productos transportables e inmediatos. El desarrollo de este prototipo es solo el comienzo.

Actualmente, estamos implementando un sistema de dispensación automatizado sobre la plataforma de reacción para depositar las enzimas inmovilizadas en cualquier posición. La matriz de la bobina se aumentará a 10 veces 10 posiciones. Esta técnica puede allanar el camino para la planificación y ejecución controlada por ordenador de secuencias de reacciones bioquímicas.