Aqueux gouttelettes servis de microréacteurs enzymatiques et leur déclenchement électromagnétique

L’objectif global de ce dispositif est de fournir une nouvelle technologie de plate-forme microfluidique qui réalise des réactions en cascade automatisées dans de petites gouttelettes aqueuses. Cette méthode pourrait aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la biologie synthétique en reproduisant des séquences réactionnelles de micro-organismes, en effectuant des séquences réactionnelles complexes avec des enzymes et en criblant de nouveaux catalyseurs. Le principal avantage de notre approche de laboratoire en goutte est qu’elle est très adaptable.

Contrairement aux puces microfluidiques basées sur des canaux, la seule condition préalable est un environnement de réaction hydrophile. Bien que cette méthode puisse donner un aperçu des réactions enzymatiques, elle peut également être appliquée à d’autres systèmes, tels que les catalyseurs inorganiques ou l’enchaînement de ligands. J’ai eu l’idée de cette méthode pour la première fois lorsque j’ai essayé de concevoir un dispositif microfluidique avec séparation intégrée du produit mais sans système complexe de vannes et de séparateurs.

En déplaçant la solution réactionnelle sous forme de gouttelette, le contrôle de la réaction devient très simple. Tout d’abord, concevez en 3D les corps de bobine. Ensuite, à l’aide d’une bobineuse, enveloppez les corps avec un fil de cuivre de 08 millimètres 45 fois chacun.

Placez un élément Peltier sur un tableau électrique. Vissez la première couche de bobines sur l’élément Peltier pour former un carré. Ensuite, fixez la deuxième couche de bobines sur le dessus avec le cadre en plastique imprimé en 3D ou un autre matériau non conducteur.

Connectez le tableau électrique à la commande magnétique à l’aide d’un câble plat. Insérez des aimants en néodyme dans les bobines. Placez une plaque en verre de quartz ou en plastique d’un millimètre d’épaisseur sur la matrice de la bobine.

Fixez le couvercle en place avec des vis pour terminer l’assemblage de la plate-forme d’actionnement. Pour commencer la synthèse de nanoparticules sous atmosphère inerte, suspendez d’abord 85 grammes de chlorure de fer(III) hexahydraté et 3 grammes de chlorure de fer(II) tétrahydraté dans 200 millilitres d’une solution eau-éthanol à raison de quatre pour un. Ensuite, ajoutez 0,2 millilitre de PFOTES et remuez le mélange à 500 tr/min avec une barre d’agitation magnétique.

Ajoutez 1,5 molaire d’hydroxyde d’ammonium au mélange pour obtenir un pH de 8,0. Et puis continuez à agiter la solution pendant 24 heures pour obtenir les nanoparticules magnétiques hydrophobes. Fixez un aimant à barres avec une force d’adhérence de 25 kg au fond de la fiole de réaction.

Videz la solution et lavez les particules trois fois avec une solution eau-éthanol à raison de quatre pour un. Retirez l’aimant et séchez les particules à 60 degrés Celsius pendant 24 heures. Caractérisez les particules par microscopie électronique à balayage.

Préparez une solution de 0,1 microgramme par millilitre de peroxydase de raifort dans un tampon de phosphate de potassium de pH 0,1 molaire de 6,5 avec du peroxyde d’hydrogène de 10 millimolaires. Ensuite, préparez une solution de 20 micromolaires de la sonde fluorescente 10-acétyl-3, 7-dihydroxyphénoxazine dans un tampon de phosphate de potassium. Ensuite, broyez doucement les nanoparticules sèches à l’aide d’un mortier et d’un pilon en verre.

Transférez les particules dans une balance en polystyrène et ajoutez 10 microlitres de la solution de peroxydase. Agitez doucement la casserole pendant environ 10 secondes pour obtenir l’auto-assemblage des nanoparticules autour de la solution de peroxydase. Transférez ce microréacteur sur la plate-forme d’actionnement.

Répétez ce processus avec 10 microlitres de la solution de sonde fluorescente et placez le deuxième microréacteur sur la plate-forme. Conservez les particules restantes à température ambiante. Utilisez l’élément Peltier pour maintenir les solutions réactionnelles dans les microréacteurs à 25 degrés Celsius.

Montez un microscope à fluorescence à environ 10 millimètres au-dessus des microréacteurs et connectez le microscope à un ordinateur. À l’aide de la commande magnétique, activez les aimants et tournez-les pour positionner le microréacteur de la solution de sonde fluorescente sous le microscope. Allumez le voyant d’excitation.

Soulevez l’aimant de la bobine pour ouvrir le microréacteur et commencez à enregistrer l’image de microscopie à fluorescence. Après deux à cinq secondes, abaissez l’aimant pour fermer le microréacteur. Ensuite, utilisez la commande magnétique pour déplacer le microréacteur à peroxydase adjacent au microréacteur à fluorescence.

Ouvrez le microréacteur à sonde fluorescente. Le microréacteur à peroxydase est aspiré dans le microréacteur à sonde et ouvert, ce qui déclenche la réaction. Surveillez la réaction par microscopie à fluorescence en ouvrant et en fermant le microréacteur fusionné si nécessaire.

Les microréacteurs ont été créés en codant des gouttelettes de solution avec des nanoparticules de fer hydrophobes. Ces microréacteurs peuvent être déplacés, ouverts, fermés et fusionnés par manipulation d’aimants en néodyme sous une plate-forme d’actionnement. La plate-forme d’actionnement peut également être construite avec des noyaux en fer dans les corps de bobine.

Cela fournit une force magnétique suffisante pour déplacer un microréacteur de plus de 10 millimètres, mais est insuffisant pour ouvrir le microréacteur. Ainsi, un aimant en néodyme doit être utilisé pour effectuer des réactions dans de petits volumes de solution. Une réaction enzymatique représentative entre une peroxydase et un marqueur fluorescent a été réalisée et surveillée par microscopie fluorescente.

La cinétique mentionnée par Michaelis observée pendant la réaction concordait bien avec les valeurs de la littérature, indiquant que la configuration du microréacteur n’influence pas la progression de la réaction. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de synthétiser des microparticules hydrophobes et de générer des microgouttelettes aqueuses avec elles. La technologie de la plate-forme peut être utilisée pour le contrôle automatisé de la réaction par fusion de gouttelettes.

De plus, des microréacteurs uniques remplis de substrat peuvent être déplacés au-dessus de petites zones de surface avec des enzymes mobilisées. L’utilisation de plusieurs zones d’immobilisation avec différentes enzymes permet une cascade de réactions séquentielles avec des produits transportables et immédiats. Le développement de ce prototype n’est qu’un début.

Actuellement, nous mettons en place un système de distribution automatisé au-dessus de la plate-forme de réaction pour déposer les enzymes immobilisées à n’importe quelle position. La matrice de bobine sera augmentée à 10 fois 10 positions. Cette technique peut ouvrir la voie à la planification et à l’exécution contrôlées par ordinateur de séquences de réactions biochimiques.