30 במרץ 2012
אברי הצמח אוויר מוגנים על ידי לציפורן, הרכבה סופראמולקולרית biopolyester שעווה. אנו מציגים פרוטוקולים כדי לפקח על הסרת סלקטיבי של EPI-ושעוות intracuticular מ cuticles פירות עגבניות על סולמות מולקולרית מיקרו ידי NMR מצב מוצק וכן במיקרוסקופ כוח אטומי, בהתאמה, על מנת להעריך את יכולת cross-linking של biopolyesters cuticular מהונדסים.
ניסוי זה משתמש בטכניקות ביופיזיקליות כדי להעריך את יכולת הקישור הצלב של הפולימר המגן והחמוד של העגבנייה, ולהעקוב אחר הסרה סלקטיבית של שעוות אפי-קוטikularias ואינטרה-קוטikularias מקוטקולות הפרי. בידוד הקוטקולה מהפרי השלם מושג באמצעות טיפול אנזימטי בקליפות העגבנייה ובדפנות התאים הדבקות. בשלב שני, נעשה שימוש במיצוי כדי להסיר את השעווה מהקוטקולה של הפרי באופן מקיף, במטרה להשיג את האפיון המולקולרי של הקוטין המבודד.
בדיקת הביו-פוליאסטר מבוצעת באמצעות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) במצב מוצק. ניתוח ספקטרלי של NMR במצב מוצק חושף כי בקוטין מתוך קוטיקולות של פירות עגבנייה מסוג פרא ומעגבנייה מהונדסת, קיימים הבדלים בפרופורציות היחסיות של מרכיבים אלופאטיים מחומצנים המסוגלים ליצור קשרי צלב. לחלופין, הפרי השל נצבע ומוקלף באמצעות גומי ערבי כדי להסיר שעוות אפי-קוטיקולריות, ולאחר מכן טובל בכלורופורם להסרת שעוות אינטרה-קוטיקולריות מקוטיקולת הפרי.
לאחר מכן, נבדקות הקוטיקולות שהוסרו מהן חלקית השעוות, אשר בודדו באמצעות אותו טיפול אנזימטי שבו השתמשו עבור קליפות העגבנייה, באמצעות NMR במצב מוצק ומיקרוסקופיה של כוח אטומי. בסופו של דבר, ההסרה הרצפית של שעוות an-epi וה-intra-cuticular ניכרת באמצעות תצפית על שיא שעווה הולך וקטן בספקטרום ה-NMR ושינויים בפרופיל פני השטח של קוטיקולת הפרי שנצפו בדימיון AFM סימולטני. איברים מעל קרקע בצמחים מוגנים על ידי מבנה שעוות ביו-פוליאסטרי הנקרא קוטיקולה. אנו נציג פרוטוקולים להערכת הסרה סלקטיבית של שעוות פנימיות וחיצוניות מקוטיקולות של פירות עגבנייה באמצעות תהודה מגנטית גרעינית במצב מוצק ומיקרוסקופיה של כוח אטומי.
ניתן להשתמש בשיטות אלו גם להערכת יכולת הצילוב של חומרים קוטיקולריים מהונדסים. את הפרוצדורות ידגימו שלושה חברי קבוצה בולטים, ד"ר Ishish Chatterjee, דוקטורנטית Shantani Sarkar, והתלמידה לשעבר בבית הספר התיכון Julia Tik. מדגימה נוספת היא ד"ר Olivia Nisau, פוסט-דוקטורנטית במעבדתו של עמיתנו להנדסה כימית, ד"ר Alexander S. כדי להתחיל בבידוד אנזימטי של קליפת העגבנייה, הניחו שלושה פירות מסחריים או מטופחים בקערה, קלפו את הקליפה בחלקים גדולים והשליכו את רקמת הפריקרפ הפנימית.
לאחר מכן, שטפו את קליפות העגבנייה במים דה-יוניים ושמרו אותן תחת מים בתוך כלי כימי, כאשר קליפת העגבנייה הקלופה טבולה לחלוטין בתמיסת אנזימים שהוכנה כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב. דגרו בטמפרטורה של 31 degrees Celsius למשך 24 שעות עם ניעור רציף. אספו את קליפות העגבנייה באמצעות משפך בור או מסננת מטבח ושטפו אותן במים דה-יוניים.
לאחר הנחת הקליפות בתנור ואקום בטמפרטורת החדר למשך שעה אחת, ניתן לאחסן את הקליפות המיובשות בבקבוק מסומן וסגור. עבור הליכי הסרת השעווה הבאים, מלאו למחצה בערך מבחנה (thimble) מזכוכית או חד-פעמית במדגם הקוטיקולה של העגבנייה, והשתמשו בפינצטה כדי להניח אותו בזהירות בבסיס עמודת המיצוי שבה ייעשה שימוש במיצוי ה-Soxhlet. המשיכו בהקמת מכשיר ה-Soxhlet תוך שימוש בממס מתנול כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב.
עקוב אחר התהליך במשך שעה, תוך התאמת המתח של ה-variac כך שהמאגר יצבור כטיפה אחת לשנייה והסיפנון יתרחש בתוך המכשיר. כאשר השמבל (thimble) מלא, לאחר מיצוי של 12 שעות, הנח למכשיר להתקרר, לאחר מכן הורד את מעטפת החימום והסר את המיצוי והמאגר כיחידה אחת כדי להשליך את הממס לאחר המיצוי. הטה את העמודה כדי לאפשר סיפנון אל הבקרא שמתחתיה.
השתמשו בפינצטה כדי להרים את התמימה (thimble) עד שיהיה היא נמצאת ממש מתחת לצוואר של עמודת המיצוי. נקזו ממנה את הממס העודף והניחו את התמימה על משטח נקי. נתקו את הבקבוק ושפכו את הפסולת למכל ייעודי ומסומן לממסים.
חזור על הליך המיצוי עבור ממסים עוקבים בעלי קוטביות פוחתת בהדרגה, כגון כלורופורם וטקסן, למשך 12 שעות לכל אחד. ברגע שדגימת הקוטיקולה של העגבנייה יבשה, מדוד את המסה ואחסן אותה בטמפרטורת החדר בתוך צנצנת עם מכסה הברגה האטום בפאראפילם. כדי להכין את הדגימה ל-NMR, הנח ארבעה עד שישה מיליגרמים של קוטיקולות עגבנייה נקיות משעווה, הנקראות קוטין, בתוך רוטור זירקוניה של fast MAS בקוטר 1.6 מילימטר, באמצעות כלי הדחיסה המסופק על ידי הספק.
לאחר התקנת המכסה העליון, צבעו מחצית מהמכסה בעזרת טוש שחור כדי לאפשר מדידה של קצב הסיבוב. ההגדרה הראשונית של ניסוי ה-NMR במצב מוצק היא תהליך תובעני מבחינה טכנית המבוצעת תחת פיקוח של צוות מנוסה. התחילו בכיוון הומוגניות השדה המגנטי ובאופטימיזציה של הפרמטרים הניסיוניים באמצעות תרכובת מודל כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב, הכניסו את הרוטור החתוך והארוז אל תוך הפרובה ולאחר מכן מקמו את הפרובה בתוך המגנט.
העלה בהדרגה את מהירות הסיבוב עד ל-10 kilohertz כדי לוודא דחיסה טובה של הדגימה ויכולת של הרוטור להסתובב באופן יציב עם סטייה של פחות מ-20 hertz. כוון את קבל הכיוון (tuning) וקבל ההתאמה (matching) של הגשוש באופן איטרטיבי כדי להשיג השתקפות מינימלית של ההספק הן בתדרי NMR של פרוטון והן בתדרי NMR של carbon 13. קבע את טמפרטורת הניסוי ל-25 degrees Celsius.
התחילו את ניסוי ה-CPMA המותאם מראש התואם לתנאי התאמת הפרוטון והפחמן של Hartman Han שנקבע בתדר סיבוב של 10 kilohertz לאחר רכישת 4,096 טרנזיינטים. החיל את תנאי הרחבת קו אקספוננציאלית של 50 עד 100 hertz ובצעו התמרת פורייה כדי להפיק ספקטרום NMR של עוצמת אות מול מיסוך כימי בחלקים למיליון. התייחסו להזחות הכימיות של פחמן 13 כפי שמתואר בטקסט.
העלו את תדירות הסיבוב של הרוטור ל-15 kilohertz וחזרו על מדידת ה-C-P-M-A-S המתאימה לתנאי התאמה של Hartman Han שנקבעו בניתוח ההסטה הכימית בתדירות סיבוב סולם של ה-C-P-M-A-S carbon. 13 NMR Spectra זיהו את הקבוצות הפונקציונליות העיקריות הנוכחות בעלה של קוטיקולת עגבנייה שעברה הסרת שעוות מקיפה, PHAs בעלי שרשרת ארוכה, PHAs מחומצנים, קשרי רב-קשר וארומטים ותנועות פחמימות. ה-almo המחומצנים ממלאים תפקיד מכריע ביצירת קשרים קוולנטיים בין היחידות המונומריות של הביו-פולימר קוטין, ובכך מעצבים את הארכיטקטורה המולקולרית של מטריצת הקוטין.
הבדלים בשטחי השיאים היחסיים שנצפו באזור הספקטרלי שבין 45 ל-100 parts per million מעידים כי לקוטין המוטנטי יש פרופורציה גדולה יחסית של מוטיבים מבניים של CHO היוצרים קשרי הצלבה בהשוואה לאפין מסוג הפרא. כדי להתחיל בבידוד סלקטיבי של שעוות אפי-קוטיקולריות ואינטרה-קוטיקולריות.
שטפו קבוצה שנייה של עגבניות שלמות במים מזוקקים. ייבשו אותן בעזרת נייר סופג ומגבוני Kim וסדרו אותן כשהגבעול פונה כלפי מטה על פיסת נייר אלומיניום. צבעו את העגבניות השלמות מלמעלה למטה בתמיסה מימית של 120% gum Arabic.
הניחו לגומי ערבי להתייבש על קליפת הפרי למשך שעה אחת, כך שיווצר שכבה דקה. הסירו שכבה זו באמצעות פינצטה, אך הימנעו מניקוב קליפת העגבנייה. טיפול נוסף בשכבה כפי שמתואר בטקסט יניב את השעווה הקוטיקולרית העליונה.
העגבניות יישארו שלמות מבחינה פיזית. טבלו אותן בכלורופורמה למשך שתי דקות. בטמפרטורת החדר, ניתן לאסוף את השעווה התוך-קוטיקולרית לאחר אידוי הממס; קלפו את העגבניות והעבירו אותן טיפול אנזימטי באמצעות cellulase ו-pectinate ובסלקט של sodium acetate להסרת התאית והפקטין, בהתאמה.
לאחר מכן ניתן לבצע מיציית sali כפי שתואר קודם לכן כדי להסיר את השעווה מהעגבניות באופן מקיף. ניתן לחזור על ניסויי C-P-M-A-S עם דגימות של קוטיקולה של פירות טבעיים ופירות ששעוותם הוסרה חלקית, כפי שמתואר בטקסט. הגדרת המיקרוסקופ כוח אטומי היא תהליך מורכב, ומומלץ לבצעו תחת השגחה ראשונית של צוות טכני מנוסה. FM מתחיל בהפעלת מיקרוסקופ הסריקה הפרובי, המקוצר כ-SPM, ובוודא שמתג בחירת מצב המיקרוסקופ מוגדר למצב מיקרוסקופיה כוח אטומי במגע.
בשלב הבא, הרם ידנית את ראש ה-SPM על ידי סיבוב שני הכפתורים הקדמיים הניתנים לכוונון על ידי המשתמש. נתק את מחזיק קצות ה-a FM מראש ה-SPM על ידי סיבוב בורג ההידוק בחלקו האחורי של הראש. השתמש בפינצטה כדי להוציא את קורת ה-a FM הקיימת מהמחזיק שלה.
לאחר מכן, הוצא בזהירות מהאריזה קנטילבר חדש עם קצה סיליקון ניטריד והתקנו במקום הקנטילבר הישן. השתמש במיקרוסקופ אור כדי לוודא שהקנטילבר מסוג FM שהותקן כעת אינו שבור. הצמד את דגימת הקוטיקולה של העגבנייה לדיסקית דגימה באמצעות סרט דביק דו-צדדי.
השתמשו במיקרוסקופ אור כדי לוודא שדגימת העטיפה (cuticle) נשארת שטוחה וחלקה. לאחר הנחת הדגימה על הדיסקה (puck), הניחו את דגימת עטיפת העגבנייה המחוברת לדיסקה על האזור המגנטי בחלקו העליון של סורק ה-SPM. סובבו את הכפתורים וכווןו את שני הברגים הידניים הקדמיים של הסורק לגובה מספיק כדי למנוע שבירה של קצה ה-AFM.
בעת הצבת מחזיק העט בראש ה-SPM, כווננו את בורג הגב הממונע לגובה שיהיה קרוב ככל האפשר לשני הברגים הקדמיים האחרים. הכניסו שוב את מחזיק העט לראש ה-SPM והדקו אותו באמצעות בורג הסגירה האחורי של הראש. לאחר הדלקת הלייזר, יישרו את נקודת הלייזר על קנטילבר FM באמצעות כפתורי כיוון הלייזר המרכזי והימני בחלקו העליון של הראש.
עקבו אחר קרן הלייזר המוחזרת על גבי דף נייר כדי למקם את נקודת הלייזר בדיוק בקצה של קנטילבר FM. כווןו את מיקום נקודת הלייזר כדי להשיג את סכום האות המקסימלי. ווסתו את מיקום נקודת הלייזר המוחזרת על גבי גלאי הפוטו-דיודות על ידי כיוונון אופקי ואנכי של המראה הניידת, כדי להבטיח שהאור הפוגע נקלט באופן שווה בארבעת הרבעים.
הגלאי מוריד את קצה ה-FM על ידי נסיגה של הברגים הקדמיים הנשלטים על ידי המשתמש והבורג האחורי הממונע של סורק ה-SPM. יש לנטר חזותית את התקרבות קצה ה-FM אל פני השטח של הדגימה באמצעות מיקרוסקופ הפוך. ודאו שכל שלושת הברגים נמצאים באותה רמה.
כדי למנוע ארטיפקטים הנובעים מדימות של דגימה נטויה, קרבו את הראש לעבר הדגימה, אך לא עד כדי מגע או פריצה של פני השטח של הדגימה. אור הלייזר המוחזר מקניסור ה-A FM יחזור ממראה נייד אל גלאי רגיש לאור עבור מצב מגע או מצב A FM עם גשושית A FM מסיליקון ניטריד. הגדירו את מתח אות הפלט למינוס שני וולטים עבור נקודת ייחוס (setpoint) של אפס וולטים, ואת האות הדיפרנציאלי לאפס וולטים על ידי כיוון מיקום המראה.
באמצעות תוכנת ה-nano scope, לחצו על סמל המיקרוסקופ ובחרו בפרופיל המתאים. באמצעות פאנל הגדרות בקרת הסריקה (scan control settings), הגדירו את קצב הסריקה (scan rate) ואת גודל הסריקה (scan size).
אפשרו לקצה ה-AFM ליצור מגע עם פני השטח של הדגימה על ידי לחיצה על סמל ה-engage tip. באמצעות בקרת בורג ההרחקה הממונע של בסיס ה-SPM, התוכנה תוריד כעת את הקצה עד שייצור מגע עם פני השטח של הדגימה. תהליך הסריקה יתחיל באופן אוטומטי ברגע שהקצה יצור מגע בהצלחה.
נטרו את תהליך הסריקה באמצעות מצבי התמונה והמיקרוסקופ של התוכנה, וכוונו את הפרמטרים באופן איטרטיבי כדי להשיג את תמונות הרזולוציה הגבוהות ביותר כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב. לדוגמה, התחילו את הסריקה עם ערך קנה מידה גדול עבור ציר Z. לאחר מכן, הפחיתו בזהירות את ערך קנה המידה של Z כדי להשיג את הניגודיות הטובה ביותר של מאפייני השטח בתמונה.
צלמו את התמונה כדי לשמור את קובץ הנתונים. עבדו את הנתונים באמצעות פונקציות השטחה (flattening) כדי להסיר ארטיפקטים בתמונה הנובעים מסחיפה אנכית של הסורק, קימור של התמונה והיסט אנכי בין שורות הסריקה. לבסוף, חשבו את ממוצע החספוס (roughness carbon).
ספקטרומים של 13 C-P-M-A-S-N-M-R הראו ירידה הדרגתית של שיא השעווה ב-31 parts per million, מה שמעיד על הסרה רצפית של שעוות אפי-וקוטיקולריות ואינטרה-קוטיקולריות מהתמצית של הקוטיקולה והשעווה, תוך שמירה על הארכיטקטורה הכימית העיקרית של הביופולימר קוטין במקביל. ניתוח תמונות FM חשף אי-סדירויות פני השטח עקב המיצוי המדורג של שעווה אפי-קוטיקולרית ושעווה אינטרה-קוטיקולרית מקוטיקולת הפרי, מה שמעיד על שינויים בארגון המבנה הקוטיקולרי. לאחר ששולטת בטכניקה זו, ניתן לבצע את ההסרה הרצפית של שעוות אפי- ואינטרה-קוטיקולריות מקוטיקולות פרי העגבנייה תוך שעתיים.
בעת ביצוע מיצוי בממס לצורך ניקוי יסודי של קוטיקולת הפרי, חשוב להשתמש בסדרת ממסים בעלי פולריות משתנה לאחר השימוש בצומת המגע. פרוטוקול FM מוצג כאן. ניתן להשתמש בניסויי A FM נוספים למדידת האלסטיות של פני השטח של הקוטיקולה.
לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה בידיכם הבנה טובה של האופן שבו ניתן לבודד באופן שיטתי רכיבים מקומפלקס ה-cutin WAX, וכן כיצד לבצע אפיון מולקולרי ובדיקה מהירה של פני השטח של חומרי העטיפה (cuticle) באמצעות solid state MR ו-FM בהתאמה. הטכניקות המוצגות בסרטון זה מאפשרות לחוקרים בביולוגיה של צמחים לקבוע את ההרכב המולקולרי ואת הארכיטקטורה הסופרה-מולקולרית של רקמות צמחים טבעיות והנדסיות.
מחקר זה בוחן את הקוטיקולה של פרי העגבנייה, תוך התמקדות בהסרה סלקטיבית של שעוות אפי-קוטיקולריות ואינטרה-קוטיקולריות. באמצעות NMR במצב מוצק (solid-state NMR) ומיקרוסקופיית כוח אטומי, המחקר מעריך את יכולת הקשירה הצולבת של ביו-פוליאסטרים קוטיקולריים בהנדסה גנטית.
בידוד ביופיזיקלי ואפיון של קוטיקולות פירות באמצעות NMR במצב מוצק ו-AFM מאפשרים בחינה מדויקת של ארכיטקטורת הביופולימרים בצמחים ויכולת הקישור הצלבי שלהם. שיטות אלו מספקות תובנות מעשיות עבור צוותי מו"פ השואפים להבין ולהנדס חומרים מ nguồn צמחי בעלי תכונות פני השטח ותכונות מולקולריות מוגדרות. גישה זו תומכת בביטחון חזוי בביצועי החומר ומסייעת בקבלת החלטות בשלבים מוקדמים של הפיתוח עבור חדשנות בביופולימרים.
פרוטוקול זה משתלב ברצף השלב שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני במחקר על ביופולימרים של צמחים, ותומך הן במחקרים מונחי-השערה והן במחקרים השוואתיים.