Le présent protocole décrit la cristallisation de cristaux de glace microscopiques et d’hydrates de clathrate dans des dispositifs microfluidiques, permettant l’échange de liquides autour des cristaux formés. Cela offre des possibilités inégalées pour examiner le processus de cristallisation et les mécanismes de liaison des inhibiteurs.
Une description mécaniste précise de la cristallisation de l’eau est difficile et nécessite quelques éléments clés : un superbe contrôle de la température pour permettre la formation de cristaux microscopiques uniques et un système de microscopie approprié couplé à l’étage froid. La méthode décrite ici ajoute une autre caractéristique importante qui comprend l’échange de solutions autour de cristaux d’hydrate de glace et de clathrate. Le système décrit comprend une combinaison d’instruments uniques et développés à la maison, y compris la microfluidique, les étages froids à haute résolution et la microscopie à fluorescence. L’étage froid a été conçu pour les dispositifs microfluidiques et permet la formation de cristaux de glace / hydrate de la taille d’un micron à l’intérieur des canaux microfluidiques et l’échange de solutions autour d’eux. La résolution de température et la stabilité de l’étage froid sont d’un millikelvin, ce qui est crucial pour contrôler la croissance de ces petits cristaux. Ce système diversifié est utilisé pour étudier les différents processus de cristallisation de la glace et des hydrates et le mécanisme par lequel la croissance de ces cristaux est inhibée. Le protocole décrit comment préparer des dispositifs microfluidiques, comment cultiver et contrôler des cristaux microscopiques dans les canaux microfluidiques, et comment l’utilisation du flux de liquides autour des cristaux de glace / hydrate offre de nouvelles perspectives sur la cristallisation de l’eau.
Les protéines antigel (AFP) et les glycoprotéines antigel (AFGP) protègent divers organismes adaptés au froid contre les dommages causés par le gel1. Les AFP et les AFGP (généralisés sous le nom d’AF(G)Ps) inhibent la croissance des cristaux de glace en se liant irréversiblement à leur surface et en inhibant la croissance ultérieure due à l’effet Gibbs-Thomson 2,3,4,5. L’écart qui se forme entre la température de fusion, qui est en grande partie inchangée, et la température de congélation nouvellement abaissée est appelé hystérésis thermique (TH) et représente un paramètre mesurable correspondant à l’activité AFP6. L’utilisation des PFA pour inhiber la croissance de la glace a des applications vastes et variées, offrant une amélioration potentielle dans divers domaines, y compris la cryoconservation, la qualité des aliments congelés et la protection des cultures exposées au froid.
La cristallisation de l’eau à basse température et haute pression en présence de petites molécules organiques entraîne la formation d’hydrates de clathrate (ou hydrates de gaz), où l’hydrate le plus abondant est l’hydrate de méthane7. La cristallisation des hydrates de méthane dans les conduites d’écoulement gaz/huile peut provoquer des bouchons, ce qui peut provoquer des explosions dues à l’inflammation du gaz 8,9,10. Les efforts actuels pour prévenir la cristallisation des hydrates dans les conduites d’écoulement comprennent l’utilisation d’inhibiteurs thermodynamiques (alcools et glycols) et cinétiques (principalement des polymères)11,12,13,14. On a également constaté que les AFP se lient aux cristaux d’hydrate clathrates et inhibent leur croissance, ce qui indique l’utilisation potentielle des AFP pour empêcher la formation de bouchons, fournissant ainsi une solution plus verte15.
La microfluidique est une méthode courante utilisée pour étudier les propriétés des fluides à des volumes d’échantillons minuscules (jusqu’à fL) qui circulent à travers un réseau de microcanaux16. Les microcanaux suivent un motif créé sur une plaquette de silicium (le moule) par lithographie17. Un matériau couramment utilisé pour fabriquer des dispositifs microfluidiques est le polydiméthylsiloxane (PDMS), qui est peu coûteux et relativement simple à utiliser dans les laboratoires de recherche. La conception des caractéristiques (canaux) est composée en fonction de l’objectif spécifique de l’appareil; ainsi, il peut être utilisé pour une variété d’applications, y compris la détection de l’ADN18, le diagnostic médical19 et les processus de cristallisation 3,20,21.
Le présent protocole décrit une méthode microfluidique unique de croissance de glace de taille micronique et de cristaux d’hydrate avec divers inhibiteurs, y compris les AFP et les AFGP. Pour ces expériences, des hydrates de tétrahydrofurane (THF) ont été utilisés pour imiter les propriétés des hydrates de méthane22, qui nécessitent un équipement spécialisé pour le contrôle de la pression et de la température23. Des AF(G)P marqués par fluorescence ont été utilisés pour visualiser et analyser l’adsorption des protéines à la surface du cristal et, couplée à l’imagerie fluorescente, l’approche microfluidique a permis d’obtenir des caractéristiques clés du processus de liaison de ces molécules aux surfaces cristallines.
Le présent protocole a été conçu pour utiliser la combinaison du flux microfluidique avec des cristaux microscopiques afin de révéler de nouvelles connaissances sur la croissance des cristaux et son inhibition. Un étage froid à température contrôlée à résolutionmillikelvin 27 permet le contrôle de cristaux microscopiques simples situés à l’intérieur de canaux microfluidiques, permettant ainsi l’échange de solutions autour d’eux. Bien que la fabrication de dispositifs microfluidiques soit standard et similaire aux pratiques courantes17,18, le contrôle de la croissance et de la fusion des cristaux à l’intérieur du dispositif est unique et nouveau. Le composant le plus critique de ce système est le superbe contrôle de la température, qui est réalisé en utilisant des refroidisseurs thermoélectriques Peltier, la rétroaction d’une thermistance située à proximité de l’échantillon et un régulateur de température haute résolution qui régit la boucle de rétroaction.
Une autre étape critique est l’échange de solution lui-même, car les cristaux peuvent fondre ou croître au cours de ce processus; Ainsi, la température doit être ajustée pendant l’échange de solution pour empêcher la croissance/fusion. La formation de cristaux dans les canaux microfluidiques interfère avec l’écoulement du liquide et pose le principal défi de ce système; Ainsi, la croissance de ces cristaux doit être contrôlée. Ici, un laser IR (980 nm) a été monté sur le microscope inversé et a été utilisé pour faire fondre localement des cristaux de glace / hydrate indésirables28. Si un tel laser ne peut pas être utilisé, les connecteurs métalliques du dispositif microfluidique peuvent être chauffés par un refroidisseur thermoélectrique Peltier supplémentaire, qui fera fondre la glace dans l’entrée / sortie de l’appareil.
La méthode décrite ici comprend des instruments développés à la maison (étage froid) et nécessite une formation, car certaines des étapes mentionnées ci-dessus sont difficiles. Comme la concentration de la solution entourant les cristaux peut changer même lorsque l’écoulement n’est pas prévu, une simple étaped’étalonnage 5 peut fournir une estimation fiable de la concentration basée sur le signal de fluorescence. Une autre solution possible à l’écoulement indésirable (lors des mesures TH, par exemple) est les vannes microfluidiques, qui sont décrites dans la référence4.
Ce système a également été utilisé pour explorer le comportement de croissance de la glaceD2Odans le liquideH2O, une étude qui a révélé un nouveau phénomène de surfaces microscopiques de glace festonnée27. Ainsi, la microfluidique peut être utilisée dans l’étude de divers systèmes cristallins qui répondent bien aux changements de température.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions les donateurs du Petroleum Research Fund de l’American Chemical Society pour leur soutien à cette recherche (numéro de subvention 60191-UNI5). Les auteurs tiennent à remercier le professeur Ido Braslavsky pour avoir été le pionnier de l’utilisation de dispositifs microfluidiques pour étudier les protéines antigel et la glace. Les auteurs remercient le professeur Arthur DeVries, le professeur Konrad Meister et le professeur Peter Davies pour avoir fourni des échantillons de protéines antigel.
0.22-micron filters | Fisher Scientific | ||
90-degree bent blunt needles | 18 Gauge | ||
Antifreeze proteins and antifreeze glycoproteins | A gift | See references 5 and 28 | |
Blunt needles | 18 Gauge and 20 Gauge | ||
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | ||
Cold stage | Home made | ||
Cover slips | Globe Scientific | 18 X 18 mm, 0.14 mm thickness | |
Glass syringe | |||
Infrared laser 980 nm | Opto Engine LLC | ||
Inverted microscope, Eclipse Ti – S | Nikon | ||
Invisible tape | Staples | ||
lint-free wipe | Kimwipes | ||
Newport 3040 temperature controller | Newport 3040 | ||
NIS-Elements Imaging Software | Nikon | ||
Oil vacuum pump | Harrick Plasma | ||
Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
Polydimethylsiloxane (Dow Corning Sylgard 184 Silicone Elastomer kit) | Dow Corning Syglard | ||
Safranine O | Sigma-Aldrich | S2255-25G | |
Sapphire disc | Ted Pella Inc | 16005-1010 | 25.4 mm diameter, 0.3 mm thickness |
sCMOS Camera, Neo 5.5 | Andor | ||
Tetrahydrofuran (THF) | Sigma-Aldrich | 401757-100ML | |
Tygon Microbore tubing for microfluidic device | Cole-Parmer | 0.020" ID, 0.060"OD, 100 ft/roll. | |
Tygon tubing for water circulation and nitrogen gas | Cole-Parmer | 1/8” ID, 3/16” OD |