Summary
חלבוני קרח מחייבים (IBPs), הידוע גם כחלבוני רדיאטור, לעכב צמיחה וקרח הם תוסף מבטיח לשימוש בהקפאה קריוגנית של רקמות. הכלי העיקרי המשמש לבדיקת IBPs הוא osmometer nanoliter. פתחנו שלב בית מעוצב קירור רכוב על מיקרוסקופ אופטי ונשלטתי באמצעות שגרת LabVIEW שהותקן. Osmometer nanoliter מתואר כאן מניפולצית טמפרטורת המדגם באופן אולטרה רגיש.
Protocol
0. הליכים המקדמיים
- זכוכית נימים להזרקת תמיסה. שימוש חולץ נימים (Narishige, טוקיו, יפן), להכין פיפטה חדה עם פתיחה מצוינת משפופרת מייקר נימי זכוכית (המותג GMBH, ורטהיים, גרמניה). גודל הפתח צריך להיות מאומת על ידי העברת אוויר דרך הנימים להשיג מבעבע עדינה במים נקיים. אם הנימים סגורות, ניתן לפתוח אותו על ידי שבירת הקצה שלה. ניתן לעשות זאת על ידי לחיצה או מגרדים אותו בעדינות על צינור המים המכילים קירות. הכן כגון נימים שהפתח חסום כמעט אך מספיק פתוח על מנת לאפשר ההיווצרות של בועות תת מילימטר.
- ניקוי דיסק נחושת. Sonicate את דיסקי הנחושת למשך 10 דקות במייקרו 0.1%-90 סבון (קול-לבן זוג, ורנון הילס, אילינוי, ארה"ב), ואז לשטוף עם מים מזוקקים כפולים. להציג את הדיסקים לפתרון isopropanol (טכני) וsonicate שוב למשך 10 דקות. סנפירברית, לייבש את הדיסקים באמצעות אוויר מסונן. שלב ניקוי זו הוא קריטי כדי למנוע זיהום IBP בין ניסויים.
- הרכבת coverglass כפולת שכבה. הרכבת coverglass הייתה מוכנה לאפשר לתצפית מדגם ללא עיבוי לחות על פני שטח כיסוי הזכוכית. זו הושגה על ידי צבת Drierite חלקיקים (WA המונד Drierite, קסניה, אוהיו, ארה"ב) (2 מ"מ קוטר) בין שתי coverslips, שלאחר מכן הדביק עם אקדח דבק חם. תצורה זו מונעת עיבוי שעלולה לחסום את הנוף כאשר הדגימה קוררה לטמפרטורות נמוכות ובטלה את הצורך לפוצץ באוויר יבש לחלון התצפית.
1. שלב הקירור Set-up
- חבור את כניסת מי זרימה והיציאה של שלב הקירור עד 4 מ"מ קוטר פנימיים Tygon צינורות (Saint-Gobain, פריז, צרפת), ולחבר את צינור יניקת זרימת מים למשאבת מים.
- חבר צינור 4 Tygon קוטר פנימי מ"מ ליניקה של t שלב הקירורo לספק אוויר יבש. האוויר היה יבש באמצעות עמודת Drierite באונליין.
- להפעיל את משאבות אוויר ומים. שים לב כי יסודות הקירור לא צריכים לרוץ בלי גוף קירור.
- הפעל את בקר הטמפרטורה, מצלמה, ושגרת LabVIEW.
2. לדוגמא הכנה
- הנח טיפת μl 3-4 טבילת השמן B (Cargille מעבדות, סדר גרוב, ניו ג'רזי, ארה"ב) בצד האחורי של דיסק נחושת קוטר 7 מ"מ היו 500 מיקרומטר חורים שנקדחו באמצעות הדיסק.
- מקם את דיסק הנחושת על הבמה עם קירור צד שמן הטבילה פונה כלפי מטה.
- לחבר את צינור הנימים (בקצה הקהה) לצינור בקוטר 0.7 מ"מ פנימי Tygon מחובר בקצה השני למזרק 2 מיליליטר זכוכית (Poulten-גרף, ורטהיים, גרמניה).
- לפני שימוש בצינור הנימים, בדוק את הפתח הקטן של הנימים כדי להבטיח שהפתיחה היא גודל מתאים (ראה הליכים המקדמיים).
- לאט לאט להכניס את GLAss נימים לתוך הצינור המוכן IBP חלבון המדגם (2.4 מיקרומטר Mp IBP-GFP ב20 מ"מ CaCl 2 ו 25 מ"מ טריס-HCl ב-pH 8, ראה התייחסות 10 לפרטי ההכנה) ומושך את מזרק הזכוכית עד נימי הזכוכית מכילה 0.1 μl של חלבון הפתרון.
- להתחיל בהקלטת וידאו באמצעות תוכנת LabVIEW.
- הכנס את הקצה החד של זכוכית הנימים (המכיל חלבון הפתרון) לאחד החורים בדיסק הנחושת בשלב הקירור.
- תוך כדי התבוננות מבעד למיקרוסקופ (אולימפוס, טוקיו, יפן, אובייקטיבי 10x), לחדור בזהירות את שכבת שמן הטבילה עם קצה נימי הזכוכית, ולחץ על מזרק הזכוכית (מאוד בעדינות) כדי לספק כמות קטנה (~ 10 NL) של החלבון פתרון כדי ליצור טיפת מיקרומטר 200.
- כסה את החור בשלב הקירור עם מכלול coverglass שכבה הכפולה (ראה הליכים המקדמיים).
3. מדידת פעילות TH
- קדםss כפתור הקירור ולקבוע את הטמפרטורה ל -40 ° C.
- בתחילה, אגל הפתרון יהיה ברור. בטמפרטורות נמוכות, בדרך כלל בטווח -30 ° C עד -35 ° C, צבע שינויי האגל, מצביע על כך שהפתרון הוקפא. מייד לאחר המדגם הקפיא, להגדיל את הטמפרטורה לאט לאט עד שהקרח בתפזורת מתחיל להתמוסס. עלייה הדרגתית של הטמפרטורה נחוצה כדי למנוע להחטיא מהטמפרטורה שעלולה לגרום להמסה המלאה של המדגם.
- מעבר למטרת 50x ומתחיל להמס את הקרח על ידי התאמת הטמפרטורה. התאמה זו היא אינטראקטיבית, והשלבים הסופיים בדרך כלל מבוצעים באמצעות צעדי טמפרטורה קטנות של 0.002 מעלות צלזיוס תמשיך לינמס עד גביש יחיד נשאר. הגודל הסופי של הגביש צריך להיות בסביבות 10 מיקרומטר. הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבי ההיתוך חדל תיקבע כנקודת התכה ונקבעה במדויק בשלב ניתוח וידאו מאוחר יותר. <li> הגדר את הטמפרטורה לכמה מאיות צלזיוס תואר מתחת לנקודת ההתכה של הגביש ולהתחיל רמפת טמפרטורה באיחור 10 דקות. להתאים את קצב ramping כרצונך. במהלך תקופה זו, הגביש יהיה חשוף לIBPs.
- עם סיום זמן החשיפה 10 דקות, הטמפרטורה פחתה באופן אוטומטי תחת השליטה של שגרת LabVIEW.
- שים לב לצורת גביש כירידות בטמפרטורה. בשלב מסוים, הפרץ הפתאומי של גביש הקרח יכול להיות שנצפה. הטמפרטורה שבה זה מתרחש תצוין כטמפרטורת פרץ הגביש.
- השתמש בניתוח וידאו על מנת לקבוע את נקודת ההתכה המדויקת וטמפרטורת הפרץ. ראשית, על ידי שימוש בניתוח וידאו, למצוא את נקודת ההתכה המדויקת. תזכיר כי הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבי ההיתוך חדל תיקבע כנקודת התכה. לתעד את נקודת התכה זה בתוכנת גיליונות אלקטרוניים. לאחר מכן, לקבוע את טמפרטורת פרץ הגביש המדויקת, ולתעד את הערך הזהגם כן. ההבדל בין נקודת ההיתוך ונקודת קיפאון, או בטמפרטורת פרץ גביש, הוא פעילות hysteresis התרמית של פתרון IBP.
4. מדידה של פעילות TH תלוית זמן
- עקוב הפרוטוקול המתואר בסעיפים 3.1-3.3 להכין גביש יחיד של קרח.
- לאחר ההיווצרות של הגביש, להגדיר את זמן ההשהיה של הרמפה כרצון, ולהפעיל את הרמפה.
- הטמפרטורה תקטן בשיעור קבוע (בהתאם לדרישות של המפעילים) באופן אוטומטי לאחר זמן השהית הרמפה עבר.
- לתעד את הטמפרטורה שבה פרץ הגביש מתרחש. לחשב את זמן החשיפה (הזמן בין היווצרות גבישים ופרץ הגביש).
- חזור על הניסוי לזמני השהיה שונים ולהתוות את פעילות TH כפונקציה של זמן החשיפה על מנת להעריך את זמן התלות של פעילות TH.
Representative Results
מדידה של תלות זמן TH
Osmometer nanoliter LabVIEW המופעל מאפשר ביצוע מדידות פעילות TH מדויקות. שיעור הפחתת הטמפרטורה הקבועה מותר המדידה של תלות זמן TH. בקרת הטמפרטורה המדויקת מופעלת על ידי osmometer nanoliter הייתה חיונית לניסויים אלה. זמן החשיפה של גביש קרח לIBPs בפתרון מוגדר כפרק זמן מהיווצרות הגבישים (סופו של תהליך ההיתוך) עד הצמיחה הפתאומית של קרח סביב הגביש (פרץ גביש). מצאנו כי זמן החשיפה של גבישי הקרח לIBPs מושפע פעילות TH מכריע. תקופות קצרות של חשיפת IBP (כמה שניות) המיוצרות על פעילות TH נמוכה בפתרון Mp IBP-GFP (2.4 מיקרומטר) (איור 5). פעילות TH גדלה עם זמן החשיפה IBP עד שהגיע לרמה של 4 חשיפת IBP דקות. בריכוזים גבוהים יותר IBP, הצלחתau, הושג בזמנים קצרים יותר.
האיור 1. IBPs ממחיש תרשים סכמטי adsorbed לקרח. אמץ באישור 10.
איור 2. שלב הקירור. ) מחובר לצינורות במיקרוסקופ. ב) בלי להוביל העליון. ג) תרשים סכמטי.
איור 3. תמונת מסך של ממשק LabVIEW. Clאיכס כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 4. גרף יציבות טמפרטורה. בקר הטמפרטורה נקבע שתוריד את טמפרטורת 0.01 ° C בכל 15 שניות.
איור 5. פעילות TH Mp IBP כפונקציה של זמן חשיפת גביש קרח לIBPs. כל נקודת זמן היא ממוצעת של 3-6 ניסויים.
Discussion
עבודה זו ממחישה את הפעולה של osmometer nanoliter מבוקר מחשב המאפשר מדידות מדויקות של פעילות TH עם בקרת טמפרטורה יוצאת דופן. בכל מערכת רגישה לטמפרטורה, גרדיאנטים בטמפרטורה רצוי יש להימנע. כדי להימנע משיפועי טמפרטורה במנגנון שהוצג כאן, אגל פתרון המבחן חייב להיות ממוקם במרכז חור בשלב קירור דיסק הנחושת (שלב 2.7). בנוסף, הגביש היחיד צריך להיות במרכז של רביב ולא ליד הקצוות (ברוב המקרים, זה לא יקרה באופן ספונטני). תלות הזמן המתואר מצביעה על כך שקצב הקירור עשוי להשפיע על קריאות ה. לפיכך, אנו ממליצים לרבות דוח של הזמן שבו הגביש נחשף לפתרון לפני הקירור, כמו גם את קצב הקירור. אנחנו בדרך כלל חיכינו 10 דקות לפני ramping את הטמפרטורה ב0.01 ° C שלבים כל 4 שניות.
את שיתוף LabVIEW המבוקרשלב oling הותאם לשימוש עם מיקרוסקופ ההפוך שבו יכולים להיות שהופעלו התקני microfluidic תרמית. מערכת זו מאפשרת ביצוע הניסויים בexchange פתרון של גבישי קרח וIBPs מתויגים עם 9 eGFP, 10, 16. מערכת LabVIEW המבוקרת עשויה להיות מותאמת לשלב קליפטון על ידי חיבור בקר 3040 טמפרטורה באמצעות מעגל חשמלי ייעודי הסתגלות. מערכת כזו פעלה בדייויס 17 המעבדה. תוכנת LabVIEW והעיצוב הייעודי התאמת המעגל החשמלי לבמת קליפטון זמין לפי בקשה.
לסיכום, אנו מתארים osmometer nanoliter המאפשר שליטה הרגישה ומניפולציה של טמפרטורה וקצב עליית הטמפרטורה והירידה (עם רגישות 0.002 ° C), בתיאום עם ממשק וידאו דרך שגרת LabVIEW לניתוח בזמן אמת. מערכת זו יכולה לבצע ניסויים לשעתק שיעור בשליטה כי הם importanלא לחקירת קינטיקה של אינטראקציות IBP עם קרח. ניסויים כאלה יכולים לטפל בכמה בעיות ארוכות התווכחו מקיפות את מנגנון פעולה של IBPs.
Disclosures
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומי למדע, NSF, וERC. ברצוננו להודות לעזרה טכנית שלב הטמפרטורה מרנדי מילפורד, מייקל קורן, דאג שייפר, וג'רמי דניסון. סיוע בפיתוח תוכנה סופק על ידי אור חן, די שו, Rajesh Sannareddy, וSumit Bhattachary. ברצוננו להודות לעמיתי פרופ 'פיטר ל' דייויס וד"ר לורי א גרהם לחלבון Mp IBP ודיונים מועילים. אנו מודים גם לחברי מעבדת ד"ר מאיה הבר דולב, Yangzhong צ'ין, ד"ר Yeliz סליק, ד"ר נטליה Pertaya, אורטל Mizrahy, וגיא שלומית למשוב מהמשתמשים שלהם.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Immersion oil Type B | Cargille Laboratories | 16484 | |
| Drierite | W.A. Hammond Drierite | 043063 2270g | |
| Micro 90 cleaning solution |  Cole-Parmer |
EW-18100-11 | |
| Capillary puller | Narishige | PB-7 | |
| Glass capillary tubes | Brand GNBH | 7493 21 | 75 mm long, 1.15 diameter |
| Temperature controller | Newport, Irvine, California, United States | Model 3040 | Model 3040 |
| Light microscope | Olympus | Model BH2 | |
| 10x objective | Olympus | S Plan 10, 0.3, 160/0.17 | |
| 50x objective | Nikon | CF plan, 50X/0.55 EPI ELWD | |
| CCD Camera | Provideo | CVC-140 | |
| Tygon tubes | Saint-Gobain, Paris, France | Tygon Formulation S-50-HL Tubing | |
| Glass syringe (2 ml) | Poulten-Graf, Wertheim, Germany | 7 10227 | |
| GPIB-PCI card | National instruments, Austin, Texas, USA | 778032-01 | |
| Video frame grabber IMAQ-PCI-1407 | National instruments, Austin, Texas, USA | 322156B-01 | |
| LabVIEW System Design Software | National instruments, Austin, Texas, USA | Version 8 | |
| DiVx Author software | DiVx LLC, San Diego, CA, USA |
References
- DeVries, A. L. Glycoproteins as biological antifreeze agents in antarctic fishes. Science. 172, 1152-1155 (1971).
- Worrall, D., Elias, L., Ashford, D., Smallwood, M., Sidebottom, C., Lillford, P., Telford, J., Holt, C., Bowles, D. A carrot leucine-rich-repeat protein that inhibits ice recrystallization. Science. 282, 115-117 (1998).
- Raymond, J. A., Knight, C. A. Ice binding, recrystallization inhibition, and cryoprotective properties of ice-active substances associated with Antarctic sea ice diatoms. Cryobiology. 46, 174-181 (2003).
- Tomchaney, A. P., Morris, J. P., Kang, S. H., Duman, J. G. Purification, composition, and physical properties of a thermal hysteresis "antifreeze" protein from larvae of the beetle, Tenebrio molitor. Biochemistry. 21, 716-721 (1982).
- Kiko, R. Acquisition of freeze protection in a sea-ice crustacean through horizontal gene transfer. Polar Biology. 33, 543-556 (2010).
- Robinson, C. H. Cold adaptation in Arctic and Antarctic fungi. New Phytol. 151, 341-353 (2001).
- Gilbert, J. A., Hill, P. J., Dodd, C. E., Laybourn-Parry, J. Demonstration of antifreeze protein activity in Antarctic lake bacteria. Microbiology. 150, 171-180 (2004).
- Raymond, J. A., DeVries, A. L. Adsorption inhibition as a mechanism of freezing resistance in polar fishes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 74, 2589-2593 (1977).
- Pertaya, N., Marshall, C. B., DiPrinzio, C. L., Wilen, L., Thomson, E. S., Wettlaufer, J. S., Davies, P. L., Braslavsky, I. Fluorescence microscopy evidence for quasi-permanent attachment of antifreeze proteins to ice surfaces. Biophys. J. 92, 3663-3673 (2007).
- Celik, Y., Graham, L. A., Mok, Y. F., Bar, M., Davies, P. L., Braslavsky, I. Superheating of ice crystals in antifreeze protein solutions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 5423-5428 (2010).
- Gilbard, J. P., Farris, R. L., Santamaria, J. Osmolarity of tear microvolumes in keratoconjunctivitis sicca. Arch. Ophthalmol. 96, 677-681 (1978).
- Gilbert, J. A., Davies, P. L., Laybourn-Parry, J. A hyperactive, Ca2+-dependent antifreeze protein in an Antarctic bacterium. FEMS Microbiol. Lett. 245, 67-72 (2005).
- Soriano, J., Braslavsky, I., Xu, D., Krichevsky, O., Stavans, J. Universality of persistence exponents in two-dimensional ostwald ripening. Phys. Rev. Lett. 103, (2009).
- Tomczak, M. M., Marshall, C. B., Gilbert, J. A., Davies, P. L. A facile method for determining ice recrystallization inhibition by antifreeze proteins. Biochem. Bioph. Res. Co. 311, 1041-1046 (2003).
- Knight, C. A., Hallett, J., Devries, A. L. Solute Effects on Ice Recrystallization - an Assessment Technique. Cryobiology. 25, 55-60 (1988).
- Celik, Y., Drori, R., Pertaya-Braun, N., Altan, A., Barton, T., Bar-Dolev, M., Groisman, A., Davies, P. L., Braslavsky, I. Microfluidic experiments reveal that antifreeze proteins bound to ice crystals suffice to prevent their growth. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 1309-1314 (2013).
- Middleton, A. J., Marshall, C. B., Faucher, F., Bar-Dolev, M., Braslavsky, I., Campbell, R. L., Walker, V. K., Davies, P. L. Antifreeze protein from freeze-tolerant grass has a beta-roll fold with an irregularly structured ice-binding site. J. Mol. Biol. 416, 713-724 (2012).
