24 kwietnia 2018
Ten protokół opisuje szczegółowo, jak wytwarzać i obsługiwać urządzenia mikroprzepływowe do zbierania danych dyfrakcji rentgenowskiej w temperaturze pokojowej. Dodatkowo opisano, w jaki sposób monitorować krystalizację białek poprzez dynamiczne rozpraszanie światła oraz jak przetwarzać i analizować uzyskane dane dyfrakcyjne.
Ogólnym celem tej procedury jest wyprodukowanie i uruchomienie urządzenia mikroprzepływowego do zbierania danych dyfrakcji rentgenowskiej krystalizacji białek w temperaturze pokojowej. Główną zaletą tej techniki jest to, że krystalizacja wewnątrz chipa minimalizuje mechaniczne zakłócenia kryształów białka. Te przezroczyste chipy rentgenowskie są łatwe do wyprodukowania, mogą być bezpośrednio montowane na goniometrach większości synchrotronowych linii badawczych i efektywnie wykorzystują dostępne kryształy podczas zbierania danych dyfrakcji rentgenowskiej.
Najpierw umieść główną formę projektu chipa rentgenowskiego na 10-centymetrowej szalce Petriego wyłożonej folią aluminiową. Wymieszaj razem około 30 gramów bazy PDMS i utwardzacza w stosunku 10 do jednego i wlej PDMS na mistrza na wysokość czterech milimetrów. Odgazuj PDMS w eksykatorze próżniowym na pięć minut i przedmuchnij powietrze, aby usunąć pozostałe pęcherzyki powietrza z powierzchni PDMS.
Utwardź PDMS w piekarniku w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez godzinę. Następnie delikatnie oderwij utwardzoną formę PDMS od mistrza. Użyj skalpela, aby odciąć nadmiar PDMS.
Przed wykonaniem chipów rentgenowskich należy upewnić się, że miejsce pracy jest zaaranżowane tak, aby umożliwić łatwy dostęp do wszystkich potrzebnych urządzeń i komponentów podczas odlewania w formach epoksydowych. Aby rozpocząć wytwarzanie chipów, należy rozcieńczyć prekursory dwuskładnikowej żywicy epoksydowej etanolem do końcowego stężenia masowego etanolu 40% wagowo. Za pomocą mieszalnika wirowego wymieszaj ze sobą żywicę epoksydową i etanol
.Odgazuj formę PDMS w eksykatorze próżniowym przez 30 minut, aby upewnić się, że PDMS może później wchłonąć małe pęcherzyki powietrza z żywicy epoksydowej. Wytnij kawałek folii poliimidowej o grubości 70 milimetrów na 70 milimetrów i owiń folię wokół szkiełka o wymiarach 75 milimetrów na 50 milimetrów. Przyklej krawędzie folii do tylnej części szkiełka, aby utworzyć płaską, sztywną powierzchnię poliimidową.
Folię poliimidową z kiełkiem należy traktować plazmą tlenową przez 20 sekund. Następnie inkubować folię w wodnym roztworze APTS lub GPTS o stężeniu 1% objętości przez pięć minut w temperaturze 20 stopni Celsjusza. Podczas silanizacji dokładnie wymieszaj roztwory prekursorów żywicy epoksydowej za pomocą małej szpatułki.
Przenieść odgazowaną formę PDMS z eksykatora próżniowego na płaską powierzchnię. Wysuszyć silanizowaną folię poliimidową sprężonym powietrzem lub azotem. Szybko nałóż kroplę mieszanki żywicy na każdą mikrostrukturę na formie.
Umieść folię poliimidową z wkładem skierowanym w dół na żywicy epoksydowej i mocno dociśnij szkiełko. Przykryj zespół folią plastikową i blachą. Umieść obciążniki na blasze, aby wywrzeć nacisk do 1,4 niutona na centymetr kwadratowy zespołu.
Po 15 minutach delikatnie oddziel szkiełko od folii poliimidowej z wzorem epoksydowym i wytrzyj folię poliimidową do wyschnięcia. Umieść folię plastikową, blachę i obciążniki z powrotem na wierzchu. Pozostaw żywicę epoksydową do utwardzenia w temperaturze pokojowej przez godzinę.
Następnie usuń obciążniki, blachę i folię plastikową. Delikatnie oderwij wzorzystą folię poliimidową od formy PDMS. Plazma traktuje wzorzystą folię przez 20 sekund i silanizuje wzorzystą folię za pomocą APTS lub GPTS, jak opisano wcześniej.
W tych samych warunkach należy ssilaryzować nieskazitelną folię poliimidową z innym roztworem silanu. Wysuszyć obie folie powietrzem pod ciśnieniem. Następnie nanieś kroplę wody dejonizowanej na czystą, suchą, płaską powierzchnię.
Wytnij poszczególne struktury wiórowe na folii poliimidowej i umieść wzorzystą folię poliimidową epoksydową stroną do góry na kropli wody i ostrożnie wygładź folię, aż będzie całkowicie płaska. Umieść drugą folię poliimidową na wzorzystej folii silanizowaną stroną zadrukowaną do dołu. Delikatnie ręcznie wygładź drugą folię od rogu do przeciwległego rogu, aby usunąć pęcherzyki powietrza i połączyć ze sobą arkusze poliimidu.
Aby rozpocząć wytwarzanie portów dostępowych, należy wyciąć z utwardzonej, czteromilimetrowej płyty PDMS blok o rozmiarze wystarczającym do pokrycia wszystkich portów w poliimidowym chipie rentgenowskim bez zakrywania komory krystalizacji. Obróbka plazmowa, silanizacja i suszenie chipa poliimidowego i bloku PDMS. Dociśnij obrabiany blok do chipa nad portami.
Przykryj chip folią plastikową, czystym szkiełkiem podstawowym i blachą. Stosuj nacisk 1,4 niutona na centymetr kwadratowy przez godzinę. Następnie użyj 0,75-milimetrowego stempla do biopsji, aby przebić otwory wlotowe i wylotowe, gdzie jest to zaznaczone w projekcie chipa.
Uszczelnij tylną część chipa taśmą elektroizolacyjną z folii poliimidowej. Następnie rozcieńczyć 9% wagowo roztwór podstawowy przezroczystego materiału powlekającego z fluoropolimeru do 0,45% wagowo rozpuszczalnikiem fluorowanym. Podłączyć igłę o rozmiarze 27 i średnicy 5/8 cala do strzykawki.
Załóż rurkę z politetrafluoroetylenu na koniec igły. Załaduj roztwór fluoropolimeru do jednomililitrowej strzykawki Luer Lock. Podłącz drugi koniec rurki do wylotu chipa rentgenowskiego.
Wstrzyknąć roztwór fluoropolimeru do chipa, aż wszystkie kanały zostaną wypełnione, a następnie usunąć nadmiar roztworu fluoropolimeru za pomocą strzykawki wypełnionej powietrzem. Umieść wypełniony frytek płaską stroną do dołu na płycie grzejnej w temperaturze 190 stopni Celsjusza. Podgrzewaj chip przez pięć minut, aby odparować rozpuszczalnik, pokrywając w ten sposób kanały fluoropolimerem.
Przed zabiegiem krystalizacji należy przefiltrować wybrany roztwór białkowy filtrem 0,2 mikrona. Odwirować roztwór przez 15 minut w temperaturze 16, 100 razy g i 20 stopni Celsjusza i odzyskać supernatant do eksperymentów krystalizacji. Aby rozpocząć proces krystalizacji, połącz równe objętości roztworu białka i jego strącacza.
Pobrać około 20 mikrolitrów tej mieszaniny do strzykawki. Użyj igły o rozmiarze 27 i średnicy 5/8 cala i rurki PTFE, aby podłączyć strzykawkę do wlotu chipa rentgenowskiego. W ten sam sposób podłącz strzykawkę z olejem fluorowanym do wylotu.
Monitorując chip pod mikroskopem, napełnij roztwór krystalizacyjny przez wlot do chipa w układzie równoległym. Wstrzyknąć wystarczającą ilość oleju fluorowanego, aby oddzielić komory krystalizacji w chipie. Następnie zablokuj zarówno port wlotowy, jak i wylotowy spinaczami do papieru lub innymi wąskimi zatyczkami.
Przechowuj chip w odpowiednich warunkach krystalizacji. Powstawanie kryształów można teraz obserwować pod mikroskopem lub za pomocą dynamicznych pomiarów rozpraszania światła. Gdy będziesz gotowy do zbierania danych, użyj taśmy dwustronnej, aby przymocować chip rentgenowski do wydrukowanego w 3D adaptera do goniometru płytowego.
Zamontuj adapter chipowy na goniometrze płytkowym na linii synchrotronowej. Zbierz i przeanalizuj dane dyfrakcyjne. Mikroskopia jasnego pola została wykorzystana do ilościowego określenia szybkości parowania wody z komór krystalizacyjnych chipa z folii poliimidowej.
Dynamiczne rozpraszanie światła może wykryć początkowe zarodkowanie kryształów taumatyny w chipie PDMS na szklanym szkiełku o równoważnej geometrii, co pozwala na optymalizację warunków krystalizacji. Zebrano 10 wzorów dyfrakcyjnych z każdego z 83 kryształów taumatyny wyhodowanych w chipie poliimidowym z obrotem o jeden stopień podczas każdej klatki. Zestaw danych podzielono na pięć podzbiorów danych według ramek, a następnie oceniono intensywność zaniku znormalizowanej mocy dyfrakcyjnej w czasie.
W czwartym zestawie danych moc dyfrakcyjna spadła poniżej 50%Wartości mierzonego współczynnika R w podzbiorach danych wzrosły z czasem, co wskazuje, że kryształy uległy uszkodzeniom promieniowania podczas zbierania danych. Przypisano to wolnym rodnikom generowanym podczas ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, degradującym sąsiednie kryształy w tym samym przedziale. Bipiramidalne kryształy taumatyny miały szeroki rozkład orientacji w chipie rentgenowskim.
Ortorbombowe kryształy izomerazy glukozy również wykazywały szeroki rozkład orientacji, gdy były hodowane w chipie poliimidowym. Jednak kryształy tioredoksyny miały głównie orientację w płaszczyznach xy, xz i yz, potencjalnie ze względu na ich wydłużony kształt. Ogólnie rzecz biorąc, chipy te są bardzo wytrzymałe i mają niskie tło rentgenowskie.
To sprawia, że ta metoda wytwarzania jest odpowiednia dla innych technik obrazowania rentgenowskiego, takich jak rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małymi kątami. Procedurę tę można łatwo dostosować do potrzeb eksperymentu. Na przykład konstrukcja chipa może być modyfikowana poprzez dostosowanie wymiarów poszczególnych przegródek lub całkowitej liczby przegródek na chip.
Szczególnym celem było dla nas zaprojektowanie przepływu pracy, który nie wymaga kosztownego sprzętu, takiego jak specjalistyczne narzędzia lub pompy mikroprzepływowe. Po obejrzeniu tego filmu i przeczytaniu manuskryptu powinieneś dobrze zrozumieć, jak krystalizować się w chipie, monitorować proces krystalizacji oraz rejestrować i analizować dane dyfrakcyjne przy użyciu podejścia chipowego. Po opanowaniu, technika ta umożliwia wsadową produkcję chipów mikroprzepływowych z urządzenia głównego PDMS w ciągu około trzech godzin bez konieczności korzystania z dedykowanego pomieszczenia czystego.
Ten protokół opisuje produkcję i działanie urządzeń mikrofluidalnych do zbierania danych dyfrakcji rentgenowskiej w temperaturze pokojowej. Zawiera również szczegóły dotyczące monitorowania krystalizacji białek za pomocą dynamicznego rozpraszania światła oraz późniejszej obróbki i analizy danych dyfrakcyjnych.
This microfluidic approach enables room-temperature serial crystallography with minimal mechanical disturbance to fragile protein crystals, supporting early-stage target validation by preserving native conformational states. By integrating in situ dynamic light scattering for nucleation monitoring and goniometer-based fixed-target data collection, the method improves predictive confidence in structural assays and reduces attrition due to crystal damage. The low-X-ray-background design and compatibility with standard synchrotron beamlines enhance throughput and reproducibility in fragment screening and lead optimization campaigns.
The method integrates into the discovery workflow from hit confirmation through lead identification, where structural data from room-temperature crystallography informs SAR and binding mode analysis.