חלבונים קושרי קרח (IBPs), הכוללים חלבוני אנטי-פריז (antifreeze proteins), חלבוני מבנה קרח (ice structuring proteins), חלבוני היסטרזיס תרמי (thermal hysteresis proteins) וחלבוני עיכוב גבישיות קרח חוזרות (ice recrystallization inhibition proteins), נמצאים באורגניזמים המותאמים לקור ומגנים עליהם מפני פגיעות קיפאון באמצעות אינטראקציה עם גבישי קרח. IBPs נמצאים במגוון אורגניזמים, כולל דגים1, צמחים2, 3, פרוקי רגליים4, 5, פטריות6 וחיידקים7. ה-IBPs נסמכים על פני השטח של גבישי קרח ומונעים ממולקולות מים להצטרף לסריג הקרח במיקום הסמיכה של ה-IBP. קרח הגדל על פני השטח של הגביש בין ה-IBPs הסמוכים מפתח קימור גבוה המוריד את הטמפרטורה שבה גדלים גבישי הקרח, תופעה המכונה אפקט גיבס-תומסון (Gibbs-Thomson effect). ירידה זו יוצרת פער (היסטרזיס תרמי, TH) בין נקודת ההמסה לבין נקודת הקיפאון שאינה בשיווי משקל, שבו צמיחת הקרח נעצרת8-10, ראו איור 1. אחד הכלים המרכזיים המשמשים במחקר IBPs הוא האוזמומטר הננו-ליטרי, המקל על מדידות של פעילויות TH של תמיסות IBPs. אוזמומטרים ננו-ליטריים, כגון מכשיר Clifton (Clifton Technical Physics, Hartford, NY,) ומכשיר Otago (Otago Osmometers, Dunedin, New Zealand), תוכננו למדוד את האוזמולריות של תמיסה על ידי מדידת ירידת נקודת ההמסה של טיפות בנפחים של ננו-ליטרים. מכשירים אלה שימשו למדידת האוזמולריות של דגימות ביולוגיות, כגון דמעות11, ונמצאו כשימושיים במחקר IBPs. שליטה ידנית באוזמומטרים ננו-ליטריים אלה הגבילה את האפשרויות הניסיוניות. לא ניתן היה לשלוט באופן מהימן בשינויי קצב הטמפרטורה, טווח הטמפרטורות של מכשיר ה-Clifton היה מוגבל ל-4,000 mOsmol (בערך -7.5 °C), והקלטות טמפרטורה כפונקציה של זמן לא היו אפשרות זמינה במכשירים אלו.
תכננו מערכת ננוליטר-אוזמומטר מותאמת אישית המבוקרת במחשב באמצעות פלטפורמת LabVIEW (National Instruments). הבמה הקרה, שתוארה בעבר9, 10, מכילה בלוק מתכת שדרכו זורם מים, ובכך היא משמשת כפיזור חום, ראו איור 2. לבלוק זה מחוברים מקררים תרמואלקטריים שניתן להפעילם באמצעות בקר טמפרטורה מסחרי הניתן לשליטה דרך מודולי LabVIEW, ראו איור 3. פרטים נוספים מופיעים להלן. היתרון המרכזי של מערכת זו הוא הבקרת הטמפרטורה הרגישה שלה, ראו איור 4. בקרת טמפרטורה אוטומטית מאפשרת תיאום של שינוי טמפרטורה (ramp) קבוע עם פלט של מיקרוסקופיה בווידאו המכיל פרטים ניסיוניים נוספים.
כדי לחקור את התלות בזמן של פעילות ה-TH, בדקנו IBP היפר-אקטיבי בעל מסה של 58 kDa מהחיידק האנטארקטי Marinomonas primoryensis (MpIBP)12. חלבון זה סומן עם חלבוני פלואורסצנציה ירוקים משופרים (eGFP) בקונסטרוקט שפותח על ידי קבוצתו של פיטר דייוויס (Queens University)10. הראינו כי פרופיל שינוי הטמפרטורה השפיע על פעילות ה-TH. שליטה מצוינת בפרופיל הטמפרטורה בניסויים אלה שיפרה באופן משמעותי את מדידות ה-TH. האוזמומטר הננו-ליטרי אפשר לנו בנוסף לבחון את עיכוב הגביש מחדש של IBPs5, 13. באופן כללי, גביש מחדש הוא תופעה שבה גבישים גדולים גדלים על חשבון גבישים קטנים. IBPs מעכבים ביעילות גביש מחדש, אפילו בריכוזים נמוכים14, 15. השתמשנו באוזמומטר המבוקר על ידי LabVIEW כדי לעקוב באופן כמותי אחר הגביש מחדש של קרח וכדי לאכוף שבר קרח קבוע באמצעות ניתוח וידאו בו-זמני בזמן אמת של התמונות ומשוב טמפרטורה מתא הדגימה13. החישובים בזמן אמת מציעים אפשרויות בקרה נוספות במהלך הליך ניסויי. פותחה במה עבור מיקרוסקופ הפוך כדי להתאימה למכשירים מיקרו-פלואידיים מבוקרי טמפרטורה, אשר יתוארו במקום אחר16.
מערכת הבמה הקרה
מכלול הבמה הקרה (איור 2) מורכב מקבוצה של מקררים תרמו-אלקטריים המקררים לוח נחושת. חום מוסר מהבמה על ידי זרימת מים קרים דרך תא סגור מתחת למקררים התרמו-אלקטריים. חור בקוטר 4 mm במרכז לוח הנחושת משמש כחלון תצפית. חור במישור בעל קוטר 1 mm נקדח כדי להתאימו לתרמיסטור. דיסקית נחושת בהתאמה אישית (בקוטר 7 mm) עם מספר חורים (בקוטר 500 μm) הונחה על לוח הנחושת והוצמדה לחלון התצפית. אוויר הועבר בקצב זרימה של 35 ml/sec והיובש באמצעות Drierite (W.A. Hammond). האוויר היבש שימש להבטחת סביבה יבשה בבמת הקירור. הבמה חוברה באמצעות יציאת חיבור בעלת 9 פינים לבקר טמפרטורה (דגם 3040 או 3150, Newport Corporation, Irvine, California, US). בקר הטמפרטורה חובר באמצעות כבל לכרטיס GPIB-PCI במחשב (National instruments, Austin, Texas, USA).