Białka wiążące lód (IBPs), w tym białka przeciwzamrażające, białka strukturyzujące lód, białka histerezy termicznej i białka hamujące rekrystalizację lodu, występują u organizmów przystosowanych do zimna i chronią je przed uszkodzeniami mrozowymi poprzez oddziaływanie z kryształami lodu. IBPs występują u wielu organizmów, w tym u ryb1, roślin2, 3, stawonogów4, 5, grzybów6 oraz bakterii7. IBPs adsorbują się na powierzchniach kryształów lodu i zapobiegają przyłączaniu się cząsteczek wody do sieci krystalicznej lodu w miejscu adsorpcji białka. Lód narastający na powierzchni kryształu pomiędzy zaadsorbowanymi IBPs wykazuje dużą krzywiznę, co obniża temperaturę, w której rosną kryształy lodu – zjawisko to nazywane jest efektem Gibbsa-Thomsona. Obniżenie to tworzy lukę (histereza termiczna, TH) między punktem topnienia a nierównowagowym punktem zamarzania, w obrębie której wzrost lodu zostaje zahamowany8-10, patrz Rycina 1. Jednym z głównych narzędzi stosowanych w badaniach nad IBPs jest osmometr nanolitrowy, który ułatwia pomiary aktywności TH roztworów IBPs. Osmometry nanolitrowe, takie jak instrument Clifton (Clifton Technical Physics, Hartford, NY) i instrument Otago (Otago Osmometers, Dunedin, Nowa Zelandia), zostały zaprojektowane do pomiaru osmolarności roztworu poprzez pomiar obniżenia punktu topnienia kropli o objętości nanolitrowej. Urządzenia te były wykorzystywane do pomiaru osmolarności próbek biologicznych, takich jak łzy11, i okazały się użyteczne w badaniach nad IBPs. Ręczna kontrola tych osmometrów nanolitrowych ograniczała możliwości eksperymentalne. Szybkość zmian temperatury nie mogła być kontrolowana w sposób niezawodny, zakres temperatur w instrumencie Clifton był ograniczony do 4 000 mOsmol (około -7,5 °C), a rejestracja temperatury w funkcji czasu nie była dostępną opcją w tych urządzeniach.
Zaprojektowaliśmy specjalistyczny system nanolitrowego osmometru sterowanego komputerowo z wykorzystaniem platformy LabVIEW (National Instruments). Stolik chłodzący, opisany wcześniej9, 10, zawiera blok metalowy, przez który cyrkuluje woda, co sprawia, że pełni on funkcję radiatora, patrz Rysunek 2. Do bloku tego przymocowano chłodziarki termoelektryczne, które mogą być sterowane za pomocą komercyjnego kontrolera temperatury obsługiwanego przez moduły LabVIEW, patrz Rysunek 3. Dalsze szczegóły przedstawiono poniżej. Główną zaletą tego systemu jest precyzyjna kontrola temperatury, patrz Rysunek 4. Zautomatyzowane sterowanie temperaturą umożliwia koordynację stałej rampy temperaturowej z obrazem z mikroskopii wideo zawierającym dodatkowe szczegóły eksperymentalne.
Aby zbadać zależność aktywności TH od czasu, przetestowano hiperaktywne IBP o masie 58 kDa pochodzące z antarktycznej bakterii Marinomonas primoryensis (MpIBP)12. Białko to zostało znakowane ulepszonymi białkami fluorescencyjnymi zielonymi (eGFP) w konstrukcie opracowanym przez grupę Petera Daviesa (Queens University)10. Wykazano, że profil zmian temperatury wpływał na aktywność TH. Precyzyjna kontrola profilu temperatury w tych eksperymentach znacząco poprawiła pomiary TH. Nanolitrowy osmometr pozwolił dodatkowo zbadać hamowanie rekrystalizacji przez IBPs5, 13. Rekrystalizacja jest zjawiskiem, w którym duże kryształy rosną kosztem kryształów małych. IBPs skutecznie hamują rekrystalizację, nawet przy niskich stężeniach14, 15. Wykorzystano osmometr sterowany programem LabVIEW do ilościowego śledzenia rekrystalizacji lodu oraz do wymuszania stałej frakcji lodu za pomocą jednoczesnej analizy wideo obrazów w czasie rzeczywistym i sprzężenia zwrotnego temperatury z komory z próbką13. Obliczenia w czasie rzeczywistym oferują dodatkowe opcje kontroli podczas procedury eksperymentalnej. Opracowano stolik do mikroskopu odwróconego, przystosowany do mikroprzepływowych urządzeń z kontrolą temperatury, które zostaną opisane w innej publikacji16.
System stolika chłodzącego
Zespół modułu chłodzącego (Rysunek 2) składa się z zestawu chłodziarek termoelektrycznych, które chłodzą miedzianą płytkę. Ciepło jest odprowadzane z modułu poprzez przepływ zimnej wody przez zamkniętą komorę znajdującą się pod chłodzarkami termoelektrycznymi. Otwór o średnicy 4 mm w środku miedzianej płytki służy jako okno obserwacyjne. Wywiercono otwór w płaszczyźnie o średnicy 1 mm, aby dopasować termistor. Na miedzianej płytce umieszczono wykonaną na zamówienie miedzianą tarczkę (o średnicy 7 mm) z kilkoma otworami (o średnicy 500 μm) i wyrównano ją z oknem obserwacyjnym. Powietrze pompowano z natężeniem przepływu 35 ml/sec i osuszano przy użyciu Drierite (W.A. Hammond). Suche powietrze zastosowano w celu zapewnienia suchego środowiska w module chłodzącym. Moduł został połączony za pomocą 9-pinowego gniazda z kontrolerem temperatury (Model 3040 lub 3150, Newport Corporation, Irvine, California, US). Kontroler temperatury został połączony za pomocą kabla z kartą GPIB-PCI komputera (National instruments, Austin, Texas, USA).