また、不凍タンパク質として知られている氷結合タンパク質(IBPS)は、氷の成長を阻害し、組織の凍結保存に使用するための有望な添加剤です。 IBPSを調査するために使用する主なツールは、ナノリットル浸透圧計です。我々は、光学顕微鏡に取り付けられた家に設計された冷却ステージを開発し、特注のLabVIEWのルーチンを使用して制御する。ナノリットル浸透圧計は、超高感度の方法で試料温度を操作ここで説明する。
Ice-binding proteins (IBPs), including antifreeze proteins, ice structuring proteins, thermal hysteresis proteins, and ice recrystallization inhibition proteins, are found in cold-adapted organisms and protect them from freeze injuries by interacting with ice crystals. IBPs are found in a variety of organism, including fish1, plants2, 3, arthropods4, 5, fungi6, and bacteria7. IBPs adsorb to the surfaces of ice crystals and prevent water molecules from joining the ice lattice at the IBP adsorption location. Ice that grows on the crystal surface between the adsorbed IBPs develops a high curvature that lowers the temperature at which the ice crystals grow, a phenomenon referred to as the Gibbs-Thomson effect. This depression creates a gap (thermal hysteresis, TH) between the melting point and the nonequilibrium freezing point, within which ice growth is arrested8-10, see Figure 1. One of the main tools used in IBP research is the nanoliter osmometer, which facilitates measurements of the TH activities of IBP solutions. Nanoliter osmometers, such as the Clifton instrument (Clifton Technical Physics, Hartford, NY,) and Otago instrument (Otago Osmometers, Dunedin, New Zealand), were designed to measure the osmolarity of a solution by measuring the melting point depression of droplets with nanoliter volumes. These devices were used to measure the osmolarities of biological samples, such as tears11, and were found to be useful in IBP research. Manual control over these nanoliter osmometers limited the experimental possibilities. Temperature rate changes could not be controlled reliably, the temperature range of the Clifton instrument was limited to 4,000 mOsmol (about -7.5 °C), and temperature recordings as a function of time were not an available option for these instruments.
We designed a custom-made computer-controlled nanoliter osmometer system using a LabVIEW platform (National Instruments). The cold stage, described previously9, 10, contains a metal block through which water circulates, thereby functioning as a heat sink, see Figure 2. Attached to this block are thermoelectric coolers that may be driven using a commercial temperature controller that can be controlled via LabVIEW modules, see Figure 3. Further details are provided below. The major advantage of this system is its sensitive temperature control, see Figure 4. Automated temperature control permits the coordination of a fixed temperature ramp with a video microscopy output containing additional experimental details.
To study the time dependence of the TH activity, we tested a 58 kDa hyperactive IBP from the Antarctic bacterium Marinomonas primoryensis (MpIBP)12. This protein was tagged with enhanced green fluorescence proteins (eGFP) in a construct developed by Peter Davies’ group (Queens University)10. We showed that the temperature change profile affected the TH activity. Excellent control over the temperature profile in these experiments significantly improved the TH measurements. The nanoliter osmometer additionally allowed us to test the recrystallization inhibition of IBPs5, 13. In general, recrystallization is a phenomenon in which large crystals grow larger at the expense of small crystals. IBPs efficiently inhibit recrystallization, even at low concentrations14, 15. We used our LabVIEW-controlled osmometer to quantitatively follow the recrystallization of ice and to enforce a constant ice fraction using simultaneous real-time video analysis of the images and temperature feedback from the sample chamber13. The real-time calculations offer additional control options during an experimental procedure. A stage for an inverted microscope was developed to accommodate temperature-controlled microfluidic devices, which will be described elsewhere16.
The Cold Stage System
The cold stage assembly (Figure 2) consists of a set of thermoelectric coolers that cool a copper plate. Heat is removed from the stage by flowing cold water through a closed compartment under the thermoelectric coolers. A 4 mm diameter hole in the middle of the copper plate serves as a viewing window. A 1 mm diameter in-plane hole was drilled to fit the thermistor. A custom-made copper disc (7 mm in diameter) with several holes (500 μm in diameter) was placed on the copper plate and aligned with the viewing window. Air was pumped at a flow rate of 35 ml/sec and dried using Drierite (W.A. Hammond). The dry air was used to ensure a dry environment at the cooling stage. The stage was connected via a 9 pin connection outlet to a temperature controller (Model 3040 or 3150, Newport Corporation, Irvine, California, US). The temperature controller was connected via a cable to a computer GPIB-PCI card (National instruments, Austin, Texas, USA).
この作品は、特別な温度制御とTH活動の正確な測定を可能にするコンピュータ制御によるナノリットル浸透圧計の動作を示しています。任意の温度に敏感なシステムでは、不要な温度勾配は避けなければならない。ここで提示装置内の温度勾配を避けるために、試験液滴が銅ディスク冷却ステージ(ステップ2.7)の穴の中央に配置しなければならない。さらに、単結晶は、液滴の中心ではなく、エッジ付近である必要があります(ほとんどの場合、これは自発的に起こります)。説明時間依存性は、冷却速度がTHの測定値に影響を与える可能性があることを示しています。したがって、私たちは、結晶が冷却する前に溶液に暴露された時間のレポートと同様に、冷却速度を含め示唆している。我々は、典型的には0.01で温度をランプダウンする前に、10分を待っていた℃はそれぞれ4秒を繰り返します。
LabVIEWで制御された共olingステージは、マイクロ流体デバイスは熱的に操作することができた上で倒立顕微鏡で使用するために適応されました。このシステムは、eGFPの9、10、16のタグが付いた氷の結晶とIBPSを含む溶液交 換実験の性能を容易にします。 LabVIEWで制御されたシステムは、指定された適応電気回路を経由して3040温度コントローラを接続することにより、クリフトン·ステージに適合させることができる。このようなシステムは、デイビスラボ17に運営されています。 LabVIEWソフトウェアとクリフトン·ステージのための指定適応電気回路設計のリクエストも承ります。
結論として、我々は温度とリアルタイム解析用のLabVIEWルーチンを介してビデオ·インターフェースとの間で調整温度上昇と減少(0.002℃感度を持つ)、速度の敏感な制御および操作を容易にナノリットル浸透圧計を説明します。このシステムはimportanアール再現レート制御実験を行うことができます氷と一緒にIBPの相互作用の動態を調査するためのトン。このような実験はIBPSの作用機序を取り巻くいくつかの長い議論の問題に対処することができます。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、ISF、NSFとERCによってサポートされていました。我々はランディミルフォード、マイケル·コーレン、ダグ·シェーファー、ジェレミー·デニソンから温度段階で技術的なヘルプを承認したいと思います。ソフトウェア開発と援助はまた、陳ディ徐ラジェッシュSannareddy、とスミットBhattacharyによって提供されました。我々 は 、MPのIBPタンパク質と有用な議論を私たちの共同研究者教授ピーターL.デービス博士とローリーA.グラハムに感謝したいと思います。また、研究室のメンバードクターマヤバーDolev、Yangzhong秦博士Yelizチェリック博士ナタリアPertaya、Ortal Mizrahy、およびそれらのユーザーからのフィードバックのためのガイShlomitに感謝します。
Name | Company | Catalog Number/model | 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 |