Antifriz proteinleri, buz yapılandırma proteinleri, termal histerez proteinleri ve buz rekristalizasyon inhibisyon proteinleri dahil olmak üzere buz bağlayan proteinler (IBP'ler), soğuğa adapte olmuş organizmalarda bulunur ve buz kristalleriyle etkileşime girerek onları donma hasarlarından korurlar. IBP'ler; balıklar1, bitkiler2, 3, eklem bacaklılar4, 5, mantarlar6 ve bakteriler7 dahil olmak üzere çeşitli organizmalarda bulunur. IBP'ler buz kristallerinin yüzeylerine adsorbe olur ve su moleküllerinin IBP adsorpsiyon noktasında buz örgüsüne katılmasını engeller. Adsorbe edilen IBP'ler arasında kristal yüzeyinde büyüyen buz, buz kristallerinin büyüdüğü sıcaklığı düşüren yüksek bir eğrilik oluşturur; bu fenomene Gibbs-Thomson etkisi denir. Bu düşüş, erime noktası ile dengedışı donma noktası arasında, buz büyümesinin durdurulduğu bir boşluk (termal histerez, TH) oluşturur8-10, bkz. Şekil 1. IBP araştırmalarında kullanılan ana araçlardan biri, IBP çözeltilerinin TH aktivitelerinin ölçümünü kolaylaştıran nanolitre osmotredir. Clifton cihazı (Clifton Technical Physics, Hartford, NY,) ve Otago cihazı (Otago Osmometers, Dunedin, Yeni Zelanda) gibi nanolitre osmotreler, nanolitre hacmindeki damlacıkların erime noktası düşüşünü ölçerek bir çözeltinin osmolaritesini ölçmek için tasarlanmıştır. Bu cihazlar, gözyaşı11 gibi biyolojik örneklerin osmolaritelerini ölçmek için kullanılmış ve IBP araştırmalarında faydalı oldukları görülmüştür. Bu nanolitre osmotreler üzerindeki manuel kontrol, deneysel olanakları sınırlamıştır. Sıcaklık değişim oranları güvenilir şekilde kontrol edilememiş, Clifton cihazının sıcaklık aralığı 4.000 mOsmol (yaklaşık -7.5 °C) ile sınırlı kalmış ve zamanın bir fonksiyonu olarak sıcaklık kayıtları bu cihazlar için mevcut bir seçenek olmamıştır.
Bir LabVIEW platformu (National Instruments) kullanarak özel yapım, bilgisayar kontrollü bir nanolitre osmometre sistemi tasarladık. Daha önce açıklanan9, 10 soğutma tablası, içinden suyun dolaştığı ve böylece bir ısı emici görevi gören metal bir blok içerir, bkz. Şekil 2. Bu bloğa, LabVIEW modülleri aracılığıyla kontrol edilebilen ticari bir sıcaklık kontrol cihazı kullanılarak sürülebilen termoelektrik soğutucular eklenmiştir, bkz. Şekil 3. Daha fazla ayrıntı aşağıda verilmiştir. Bu sistemin temel avantajı, hassas sıcaklık kontrolüdür, bkz. Şekil 4. Otomatik sıcaklık kontrolü, sabit bir sıcaklık rampasının ek deneysel detaylar içeren bir video mikroskopi çıktısıyla koordinasyonuna olanak tanır.
TH aktivitesinin zamana bağımlılığını incelemek için, Antarktika bakterisi Marinomonas primoryensis'ten (MpIBP) 58 kDa'lık hiperaktif bir IBP'yi test ettik12. Bu protein, Peter Davies grubu (Queens University) tarafından geliştirilen bir konstrüksiyonda gelişmiş yeşil floresan proteinleri (eGFP) ile işaretlendi10. Sıcaklık değişim profilinin TH aktivitesini etkilediğini gösterdik. Bu deneylerde sıcaklık profili üzerindeki mükemmel kontrol, TH ölçümlerini önemli ölçüde iyileştirdi. Nanolitre osmotre, ek olarak IBPs'lerin yeniden kristalleşme inhibisyonunu test etmemize olanak sağladı5, 13. Genel olarak yeniden kristalleşme, büyük kristallerin küçük kristaller pahasına daha da büyüdüğü bir fenomendir. IBPs'ler, düşük konsantrasyonlarda bile yeniden kristalleşmeyi etkin bir şekilde inhibe eder14, 15. Buzun yeniden kristalleşmesini kantitatif olarak takip etmek ve görüntülerin eş zamanlı gerçek zamanlı video analizi ile numune odasından gelen sıcaklık geri bildirimi kullanarak sabit bir buz fraksiyonunu zorlamak için LabVIEW kontrollü osmotremizi kullandık13. Gerçek zamanlı hesaplamalar, bir deneysel prosedür sırasında ek kontrol seçenekleri sunar. Başka bir yerde açıklanacak olan, sıcaklık kontrollü mikroakışkan cihazlara uygun bir ters mikroskop tablası geliştirilmiştir16.
Soğuk Sahne Sistemi
Soğuk sahne düzeneği (Şekil 2), bir bakır plakayı soğutan bir dizi termoelektrik soğutucudan oluşur. Isı, termoelektrik soğutucuların altındaki kapalı bir bölmeden soğuk su akıtılarak sahneden uzaklaştırılır. Bakır plakanın ortasındaki 4 mm çapındaki bir delik, görüntüleme penceresi görevi görür. Termistörün yerleştirilmesi için düzlem içi 1 mm çapında bir delik açılmıştır. Birkaç deliğe (500 μm çapında) sahip özel yapım bir bakır disk (7 mm çapında) bakır plaka üzerine yerleştirilmiş ve görüntüleme penceresiyle hizalanmıştır. Hava, 35 ml/sec akış hızında pompalanmış ve Drierite (W.A. Hammond) kullanılarak kurutulmuştur. Kuru hava, soğutma aşamasında kuru bir ortam sağlamak için kullanılmıştır. Sahne, 9 pinli bir bağlantı çıkışı aracılığıyla bir sıcaklık kontrolörüne (Model 3040 veya 3150, Newport Corporation, Irvine, California, ABD) bağlanmıştır. Sıcaklık kontrolörü, bir kablo aracılığıyla bilgisayar GPIB-PCI kartına (National instruments, Austin, Texas, ABD) bağlanmıştır.