שכפול של מבנה משטח שורש באמצעות שינוי של ליתוגרפיה רכה
August 5th, 2020
ביואימטיקה שימש בעבר ככלי לחקר אינטראקציות העלה-מיקרואורגניזם. עם זאת, לא קיים כלי כזה עבור שורשים. כאן, אנו מפתחים פרוטוקול כדי ליצור משטחים סינתטיים מחקה מיקרומבנה שורש פני השטח לחקר אינטראקציות סביבה שורש.
פרוטוקול זה מאפשר לפתח מערכת סינתטית המחקה את מיקרו-מבנה פני השורש. המערכת יכולה לשמש לחקר אינטראקציות סביבית השורש באופן בקרה עם דגש על מבנה פני השטח. זוהי טכניקה פשוטה שניתן לבצע בכל מעבדה לומדת אינטראקציות סביבה שורש.
בנוסף, טכניקה זו מאפשרת היווצרות של פני השטח מחומרים שונים. הצעד הקשה ביותר הוא הסרת השורש הטבעי מהתבנית השלילית. שלב זה דורש טיפול עדין של השורש, כדי למנוע קריעת שערות השורש.
הדגמה חזותית תשפר את יכולתו של הצופה לשכפל הליך זה. התחל על ידי הסרת הצמח מהאדמה לאחר שלושה שבועות של צמיחה. חותכים את מערכת השורש מהצמח בנקודת האינטראקציה עם הגבעול ומכניסים את הצמח חסר השורשים לתוך מקור עם מים.
לאחר מספר ימים, חותכים את השורשים ההרפתקניים העולים מהגזע ומשתמשים בהם לשכפול. כדי להכין שורשים נבטים זרעים, להרטיב נייר מסנן בתוך צלחת פטרי עם מים ולשים כמה זרעי M82 על הנייר. הדגירה את המנה ב 25 מעלות צלזיוס לחות את הנייר כל יום.
כחמישה ימים לאחר מכן, השורשים הנביטה יהיו ארוכים מספיק כדי להשתמש בהם לשכפול. הכן פתרון עותק משוכפל שלילי על ידי הוספת 9.49 גרם של דימתרילט diurethane ל 50 מיליליטר. מוסיפים 1.45 מיליליטר של אתיל מתאקרילאט לגביע ומאחסנים בטמפרטורת החדר עד שהפתרון הופך הומוגני ונראה ברור.
מוסיפים שלושה מיליליטר של הפלסטיק ומערבבים את הפתרון לשעה נוספת. לאחר מכן מוסיפים 300 מיקרוליטרים של יוזם התמונות ומערבבים בן לילה או עד שכל הבועות מוסרות. כדי ליצור את העותק המשוכפל השלילי של השורש, קח שקופית זכוכית נקייה ושפוך מיליליטר אחד של פתרון העותק המשוכפל השלילי עליו.
מניחים שניים עד שלושה שורשים על הפתרון, מוודאים שהשורשים אינם מכוסים במלואם. שמור את השקופית תחת מנורה אולטרה סגולה שמונה ואט במשך שמונה עד 10 דקות, ולאחר מכן לכבות את מנורת UV. הסר את העותק המשוכפל ממגלשת הזכוכית והניח אותו בצלחת פטרי מלאה באתנול כדי להסיר מונומר לא מוקט.
השתמש במדפים כדי להסיר באיטיות ובעדינות את השורש מהעותק המשוכפל. כדי להכין את פתרון PDMS עבור העותק המשוכפל החיובי, מניחים 10 גרם של דימתיל סילוקסאן ב. מוסיפים גרם אחד של סוכן ריפוי ומערבבים היטב.
מחממים את התערובת ב desiccator תחת ואקום במשך שעתיים כדי להסיר בועות אוויר. מניחים את העותק המשוכפל השלילי פוליאוריתן בצלחת פטרי ויוצקים את תערובת PDMS על גבי העותק המשוכפל השלילי. החל ואקום במשך שעתיים כדי להבטיח כיסוי של המיקרו-מבנה ולשמור את צלחת פטרי בטמפרטורת החדר לילה.
ביום שלמחר, הפרד את העותק המשוכפל החיובי נרפא מהעותק המשוכפל השלילי באמצעות מדפים. כדי להכין את העותק המשוכפל החיובי מתאית אתיל, להוסיף 20 מיליליטר של אתנול ל 100 מיליליטר. לאחר מכן להוסיף 1.32 מיליליטר של plasticizer ו 3.3 גרם של תאית אתיל.
ומערבבים את הפתרון בטמפרטורת החדר במשך שעתיים. ביום שלמחרת, יוצקים את פתרון תאית אתיל על גבי העתק שלילי בצלחת פטרי ולהשאיר את המנה מתחת למכסה המנוע לילה. לאחר מכן הסר באיטיות את העותק המשוכפל החיובי מהעותק המשוכפל השלילי עם מדפים.
ניתן ליצור עותק משוכפל שלילי טוב אם הפרוטוקול פועל כראוי. העתק זה יראה את מבנה התא של פני השטח של השורש, כמו גם חורים המייצגים את המיקום של שערות השורש. אם השורש שקוע בתתבת הפוליאוריטן, הוא ייפול בפולימר הקשה וישאר בתוך העותק המשוכפל השלילי לאחר שנרפא.
בעת ריפוי עם אור UV, העולה על זמן הריפוי המומלץ, יגרום עובש פוליאוריתן קשה מאוד, מה שהופך אותו בלתי אפשרי להסיר את השורש מבלי לשבור אותו. לפעמים חתיכות השורש הן כל כך קטנות כי מיקרוסקופיה נדרשת כדי לראות אותם. עותקים משוכפלים חיוביים נוצרו באמצעות PDMS ואתיל תאית.
שערות השורש נמצאות באזור התארכות שבו הן מתחילות לצוץ. אורכיהם משתנים לאורך משטח השורש ככל שהם מתארכים, בדומה לשורש הטבעי. חלק מהשיערות על העתק תאית אתיל נראים אפילו מתחת למיקרוסקופ האור.
בעת הצבת השורש מעל פתרון העותק המשוכפל השלילי, חשוב לבחור את הצד הימני ולהימנע מטביעת השורש בתוך הפתרון. טכניקה זו פותחה כדי לספק שדרה חדשה לחקר אינטראקציות סביבה משטח השורש. באופן ספציפי, הכוחות הפיזיים הנגרמים על ידי מיקרו מבנה ומאפיינים חומריים של פני השטח.
סקירה
פרוטוקול זה מאפשר את הפיתוח של משטחים סינתטיים שמחקים מיקרו-מבנה של משטח שורש, ומקל על ביצוע מחקרים מבוקרים של אינטראקציות בין שורש לסביבה. הטכניקה היא פשוטה וניתן לבצע אותה בכל מעבדה שמתמקדת במחקרי שורשים.
מרכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- ביו-מימטיקה
- ביולוגיה של צמחים
- מיקרו-מבנה שורשים
רקע
- מחקרים קודמים השתמשו בביו-מימטיקה לאינטראקציות בין עלה למיקרואורגניזמים.
- לא היו כלים קיימים לחקר אינטראקציות של שורשים.
- מחקר זה מטפל בפער על ידי יצירת משטחי שורש סינתטיים.
- הפרוטוקול מדגיש את החשיבות של מבנה המשטח במחקרים של אינטראקציות בין שורש לסביבה.
מטרת המחקר
- לפתח מערכת סינתטית שמחקה את מיקרו-מבנה משטח השורש.
- לאפשר מחקרים מבוקרים של אינטראקציות בין שורש לסביבה.
- לספק טכניקה שניתן לשחזרה לחוקרים בביולוגיה של צמחים.
שיטות ששימשו
- חילוץ שורשים מצמחים והכנת תבניות שליליות.
- שימוש בדיאורתן דימתאקרילט ואתיל מתאקרילט ליצירת שכפולים שליליים.
- הכנת שכפולים חיוביים באמצעות PDMS ותאית אתיל.
- הדגמות ויזואליות כדי לסייע בשכפול הנוהל.
תוצאות עיקריות
- הפקה מוצלחת של שכפולים שליליים וחיוביים של משטחי שורש.
- השכפולים מייצגים במדויק את מבנה התא ומיקומים של שערות השורש.
- הוכחת היתכנות השימוש בחומרים שונים לשכפול משטחים.
- הבנה של הכוחות הפיזיים המשפיעים על אינטראקציות בין שורש לסביבה.
מסקנות
- טכניקה זו פותחת דרכים חדשות למחקר באינטראקציות של משטחי שורש.
- היא מאפשרת מחקרים מפורטים של ההשפעות של מיקרו-מבנה על התנהגות השורשים.
- מחקרים עתידיים יכולים לבנות על פרוטוקול זה כדי לחקור גורמים סביבתיים שונים.
