マイクロリアクター及び、電磁作動に水滴が酵素として使用

このデバイスの全体的な目的は、小さな水性液滴での自動カスケード反応を実現する新しいマイクロ流体プラットフォーム技術を提供することです。この手法は、微生物の反応配列を再現し、酵素と複雑な反応配列を行い、新しい触媒をスクリーニングすることで、合成生物学の分野における重要な疑問に答えるのに役立つ可能性があります。当社のラボ・イン・ア・ドロップ・アプローチの主な利点は、非常に適応性が高いことです。

チャネルベースのマイクロ流体チップとは対照的に、唯一の前提条件は親水性反応環境です。この方法は酵素反応に関する洞察を得ることができますが、無機触媒や配位子のストリンギングなど、他のシステムにも適用できます。私が最初にこの方法のアイデアを思いついたのは、製品分離が統合されているが、バルブとセパレーターの複雑なシステムがないマイクロ流体デバイスを設計しようとしたときでした。

反応液を液滴として移動させることで、反応制御が非常に簡単になります。まず、コイル本体を3Dプリントで設計します。次に、巻線機を使用して、08ミリメートルの銅線でボディをそれぞれ4500回巻きます。

ペルチェ素子を電気基板に置きます。コイルの最初の層をペルチェエレメントにねじ込んで、正方形を形成します。次に、コイルの2番目の層を3Dプリントされたプラスチックフレームまたはその他の非導電性材料で上部に固定します。

電気基板とマグネットコントロールをリボンケーブルで接続します。コイルにネオジム磁石を挿入します。厚さ1mmの石英ガラスまたはプラスチックプレートをコイルマトリックスの上に置きます。

カバーをネジで所定の位置に固定して、作動プラットフォームの組み立てを終了します。不活性雰囲気下でナノ粒子合成を開始するには、まず85グラムの塩化鉄(III)六水和物と3グラムの塩化鉄(II)四水和物を200ミリリットルの4対1の水-エタノール溶液に懸濁します。次に、0.2ミリリットルのPFOTESを加え、マグネチックスターバーで500RPMで混合物を攪拌します。

混合物に1.5モルの水酸化アンモニウムを加えて、pH 8.0を達成します。次に、溶液を24時間攪拌し続けて、疎水性磁性ナノ粒子を得る。反応フラスコの底に25kgの接着力でバーマグネットを貼り付けます。

溶液を注ぎ、粒子を4対1の水-エタノール溶液で3回洗浄します。磁石を取り外し、粒子を摂氏60度で24時間乾燥させます。走査型電子顕微鏡で粒子の特性評価を行います。

10ミリモルの過酸化水素を含む0.1モルpH 6.5リン酸カリウム緩衝液に、1ミリリットルあたり0.1マイクログラムの西洋ワサビペルオキシダーゼの溶液を調製します。次に、蛍光プローブ10-アセチル-3,7-ジヒドロキシフェノキサジンのリン酸カリウム緩衝液中の20マイクロモル溶液を調製します。次に、ガラス乳鉢と乳棒を使用して乾燥したナノ粒子を穏やかに粉砕します。

粒子をポリスチレン計量パンに移し、10マイクロリットルのペルオキシダーゼ溶液を加えます。鍋を約10秒間静かに回転させて、ペルオキシダーゼ溶液の周囲にナノ粒子の自己組織化を実現します。このマイクロリアクターをアクチュエーションプラットフォームに移します。

このプロセスを10マイクロリットルの蛍光プローブ溶液で繰り返し、2番目のマイクロリアクターをプラットフォーム上に置きます。残りの粒子は室温で保存します。ペルチェ素子を使用して、マイクロリアクター内の反応溶液を摂氏25度に保ちます。

マイクロリアクターの約10mm上に蛍光顕微鏡を取り付け、顕微鏡をコンピュータに接続します。マグネットコントロールを使用して磁石を作動させ、蛍光プローブ溶液のマイクロリアクターを顕微鏡下に配置します。励起ライトを点灯します。

コイルマグネットを上げてマイクロリアクターを開き、蛍光顕微鏡画像の記録を開始します。2〜5秒後、磁石を下げてマイクロリアクターを閉じます。次に、磁石制御を使用して、ペルオキシダーゼマイクロリアクターを蛍光マイクロリアクターに隣接して移動します。

蛍光プローブマイクロリアクターを開きます。ペルオキシダーゼマイクロリアクターをプローブマイクロリアクターに引き込んで開き、反応を開始します。必要に応じて、融合したマイクロリアクターを開閉する蛍光顕微鏡で反応を監視します。

マイクロリアクターは、溶液の液滴を疎水性鉄ナノ粒子でコードすることによって作成されました。これらのマイクロリアクターは、作動プラットフォームの下でネオジム磁石を操作することにより、移動、開閉、およびマージできます。作動プラットフォームは、コイル本体に鉄心を使用して構成することもできます。

これにより、マイクロリアクターを10ミリメートル以上動かすのに十分な磁力が得られますが、マイクロリアクターを開くには不十分です。したがって、ネオジム磁石を使用して、少量の溶液で反応を行う必要があります。ペルオキシダーゼと蛍光標識との間の代表的な酵素反応を行い、蛍光顕微鏡でモニターしました。

反応中に観察されたMichaelisが言及した速度論は、文献の値とよく一致し、マイクロリアクターのセットアップが反応の進行に影響を与えないことを示しています。このビデオを見れば、疎水性の微粒子を合成する方法と、それらを使って水性微粒子液滴を生成する方法についてよく理解できるはずです。このプラットフォーム技術は、液滴合体による自動反応制御に使用できます。

さらに、基質を充填した単一のマイクロリアクターは、動員された酵素を使用して小さな表面ゾーンの上を移動することができます。異なる酵素を持つ複数の固定化ゾーンを使用することで、可搬型および即時生成物との連続的な反応カスケードが可能になります。このプロトタイプ開発は、ほんの始まりに過ぎません。

現在、反応プラットフォームの上に自動ディスペンサーシステムを実装しており、固定化された酵素を任意の位置に再配置しています。コイルマトリックスは、10ポジションの10倍に増加します。この技術は、生化学反応シーケンスのコンピュータ制御による計画と実行への道を開くことができる。