Водные капельки, используется как ферментативные микрореакторы и их электромагнитного привода

Общая цель этого устройства заключается в создании новой микрофлюидной платформы, которая реализует автоматизированные каскадные реакции в небольших водных каплях. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области синтетической биологии путем воспроизведения последовательностей реакций микроорганизмов, выполнения сложных последовательностей реакций с ферментами и скрининга новых катализаторов. Основное преимущество нашего подхода «лаборатория в капле» заключается в том, что он очень легко адаптируется.

В отличие от микрофлюидных чипов на основе каналов, единственным необходимым условием является среда с гидрофильной реакцией. Хотя этот метод может дать представление о ферментативных реакциях, он также может быть применен к другим системам, таким как неорганические катализаторы или нанизывание лигандов. Впервые идея этого метода пришла мне в голову, когда я пытался разработать микрофлюидное устройство со встроенным разделением продукта, но без сложной системы клапанов и сепараторов.

Перемещая реакционный раствор в виде капли, управление реакцией становится очень простым. Во-первых, спроектируйте на 3D-принтере корпуса катушек. Затем с помощью намоточного станка обмотайте корпуса 08-миллиметровой медной проволокой 45 сотен раз каждый.

Поместите элемент Пельтье на электрическую доску. Накрутите первый слой спиралей на элемент Пельтье, чтобы получился квадрат. Затем закрепите второй слой спиралей сверху с помощью напечатанной на 3D-принтере пластиковой рамки или другого непроводящего материала.

Подключите электрическую плату к магнитному блоку управления с помощью ленточного кабеля. Вставьте в катушки неодимовые магниты. Поместите кварцевую стеклянную или пластиковую пластину толщиной в один миллиметр поверх матрицы катушки.

Закрепите крышку на месте винтами, чтобы завершить сборку приводной платформы. Чтобы начать синтез наночастиц в инертной атмосфере, сначала суспензируйте 85 граммов гексагидрата хлорида железа и 3 грамма тетрагидрата хлорида железа в 200 миллилитрах раствора воды и этанола в соотношении четыре к одному. Затем добавьте 0,2 миллилитра PFOTES и перемешайте смесь со скоростью 500 об/мин с помощью магнитной мешалки.

Добавьте в смесь 1,5 молярного гидроксида аммония для достижения pH 8,0. А затем продолжайте перемешивать раствор в течение 24 часов до получения гидрофобных магнитных наночастиц. Прикрепите стержневой магнит с силой сцепления 25 килограммов к дну реакционной колбы.

Слейте раствор и трижды промойте частицы раствором воды и этанола в соотношении четыре к одному. Снимите магнит и высушите частицы при температуре 60 градусов Цельсия в течение 24 часов. Охарактеризовать частицы с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Приготовьте раствор 0,1 мкг на миллилитр пероксидазы хрена в 0,1 молярного рН 6,5 калийфосфатного буфера с 10 ммиллярной перекисью водорода. Затем приготовьте 20-микролярный раствор флуоресцентного зонда 10-Ацетил-3, 7-дигидроксифеноксазина в буфере фосфата калия. Затем аккуратно измельчите сухие наночастицы с помощью стеклянной ступки и пестика.

Переложите частицы в полистирольную меростойку и добавьте 10 микролитров раствора пероксидазы. Осторожно поворачивайте сковороду в течение примерно 10 секунд, чтобы достичь самосборки наночастиц вокруг раствора пероксидазы. Перенесите этот микрореактор на исполнительную платформу.

Повторите этот процесс с 10 микролитрами раствора флуоресцентного зонда и поместите второй микрореактор на платформу. Храните оставшиеся частицы при комнатной температуре. Используйте элемент Пельтье для поддержания температуры реакционных растворов в микрореакторах при температуре 25 градусов Цельсия.

Установите флуоресцентный микроскоп примерно в 10 миллиметрах над микрореакторами и подключите микроскоп к компьютеру. С помощью магнита управляйте магнитами и поворачивайте микрореактор раствора флуоресцентного зонда под микроскопом. Включите индикатор возбуждения.

Поднимите магнит катушки, чтобы открыть микрореактор и начать запись изображения флуоресцентной микроскопии. Через две-пять секунд опустите магнит, чтобы закрыть микрореактор. Затем с помощью магнитного регулятора переместите микрореактор пероксидазы рядом с флуоресцентным микрореактором.

Откройте флуоресцентный зонд микрореактора. Пероксидазный микрореактор втягивается в зондовый микрореактор и открывается, инициируя реакцию. Контролируйте реакцию с помощью флуоресцентной микроскопии, открывая и закрывая объединенный микрореактор по мере необходимости.

Микрореакторы были созданы путем кодирования капель раствора гидрофобными наночастицами железа. Эти микрореакторы можно перемещать, открывать, закрывать и объединять путем манипуляций с неодимовыми магнитами под приводной платформой. Приводная платформа также может быть изготовлена с железными сердечниками в корпусах змеевиков.

Это обеспечивает достаточную магнитную силу для перемещения микрореактора более чем на 10 миллиметров, но недостаточна для открытия микрореактора. Таким образом, неодимовый магнит необходимо использовать для проведения реакций в небольших объемах раствора. Была проведена репрезентативная ферментативная реакция между пероксидазой и флуоресцентной меткой, которая контролировалась с помощью флуоресцентной микроскопии.

Кинетика, наблюдаемая в ходе реакции, хорошо согласуется с литературными значениями, что указывает на то, что установка микрореактора не влияет на ход реакции. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как синтезировать гидрофобные микрочастицы и генерировать с их помощью водные микрокапли. Технология платформы может быть использована для автоматизированного управления реакцией путем слияния капель.

Кроме того, одиночные микрореакторы, заполненные субстратом, могут перемещаться по небольшим поверхностным зонам с помощью мобилизованных ферментов. Использование нескольких зон иммобилизации с различными ферментами позволяет осуществлять последовательный каскад реакций с транспортируемыми и немедленными продуктами. Разработка этого прототипа — только начало.

В настоящее время мы внедряем автоматизированную систему дозирования над реакционной платформой для размещения иммобилизованных ферментов в любом положении. Матрица катушки будет увеличена до 10 раз по 10 позиций. Этот метод может проложить путь к компьютерному планированию и выполнению последовательностей биохимических реакций.