使用滴定儀和FRAP成象儀研究濕度對蛋白液滴蒸發的影響

介紹

蒸汽擴散現仍是用于生長蛋白質晶體以進行X射線衍射的最常用技術。在這種方法中，將蛋白質溶液與儲液混合，將這種混合物的小體積液滴與體積較大的儲液平衡。液滴溶液具有較低的溶質濃度，與儲液溶液相比具有較高的蒸汽壓，這導致水隨著時間的推移從液滴擴散到儲液溶液，直到兩者達到平衡。液滴的水分蒸發導致蛋白質和沉淀劑濃度的增加，使蛋白質通過亞穩相進入晶體成核相。

平衡速率取決于幾個因素：所使用的沉淀劑的類型和濃度、溫度、濕度、液滴和儲液器之間的距離、以及液滴：儲層體積比2。在結晶板的設置過程中，液滴的蒸發會導致液滴與儲層體積比的不良變化。對于給定的儲層體積，較小的液滴平衡更快，在有利于晶體形成的條件下，可能會引發過度成核，從而導致更小的晶體尺寸。由于局部蛋白質或沉淀劑濃度高，大量的水蒸發可能導致蛋白質變性，形成鹽晶體（例如硫酸銨晶體），液滴表面形成皮膚，或液滴干燥。

直接影響水滴蒸發速率的因素是相對濕度（RH）。高RH在設置結晶板，可以減緩蒸發過程。結晶板放置的房間里的RH通常沒有嚴格的規定，而且會隨著季節的變化而變化。這可能會導致結晶試驗結果的差異，從而對實驗的可重復性產生負面影響，這是目前科學界面臨的一個主要問題。

在蛋白質晶體學中使用機器人來處理液體，提高了液滴分配的準確性，并加快了結晶板的制備速度，以避免大量的水滴蒸發。然而，即使提高了液滴分配的速度和準確性，平均仍需要2-10分鐘才能完成每液滴1-3 滴的96-孔板的制備。一些結晶機器人，包括富默樂的NT8移液工作站，可以在制版過程中精確控制濕度，顯著減少液滴蒸發。濕度通過限制需要優化的變量控制，提高了可重復性，因此實驗結果不再依賴于結晶板上的分液位置、時間準備，或者制備時所處的季節，而主要受成分濃度和體積的影響。

在本應用手冊中，我們評估了濕度對結晶板制備過程中液滴大小和組成的影響。

實驗設置

為了測試不同沉淀劑對液滴蒸發速率的影響，我們選擇了三種溶液:

1. 0.5 mM熒光素，10% DMSO, 100 mM Hepes pH 7.5

2. 0.5 mM熒光素，10% DMSO, 100 mM Hepes pH 7.5, 20% PEG 10K

3. 0.5 mM熒光素，10% DMSO, 100 mM Hepes pH 7.5, 1.6 M硫酸銨

它們在這里分別稱為緩沖液、聚乙二醇和硫酸銨。

使用富默樂的NT8滴定儀在結晶板上分液。在LCP夾層板(Hampton HR3-1510)上分配200 nL和1μL體積的液滴。目的是研究在10分鐘內液滴蒸發的情況，這是滴落器準備96-孔板（每孔3滴）所需的平均時間。為了達到這個時間范圍，在每列分液之后，機器人需要等待40秒鐘才能繼續分配。之所以選擇LCP板，是因為夾層的組裝可以防止快速滴蒸發，從而在液滴體積明顯損失之前有時間對板進行成像。此外，液滴被壓下，液滴的厚度是均勻的。因此，液滴面積可以用來估計從不同的孔板和有不同的成分液滴之間的體積變化。否 則，就必須考慮液滴的形狀，包括水滴的不同厚度。

用來自富默樂的FRAP成象儀在熒光素激發和發射波長分別為485nm和524 nm的熒光模式下對孔板進行成 像。不同孔板的曝光時間不同。根據孔容量的不同，液滴成像時間為400-2000 ms，以獲得液滴與孔底之間的高對比度。將增值設置為1。每個液滴在15個聚焦層上成像，并將所有圖像合并為一個擴展聚焦圖像，用于計算液滴的表面積。來自熒光素的強烈熒光信號可以方便和精確地定位液滴位置。

使用ImageJ軟件測量液滴大小。對于每一滴水（每孔板96滴），液滴圖像被轉換為8位灰度。想測量的對象的強度閾值設置為40-255范圍。計算大于1000px的顆粒的粒徑，每個孔僅需進行一次測量即可反映出液滴的大小。對于每個時間點，設置8個獨立的液滴，測量每個液滴的表面積，并基于這些測量結果計算平均液滴大小。實驗誤差計算為獲得值的標準偏差。液滴大小與液滴平均大小相差50%以上的液滴被排除在最終計算之外（1728次測量中有25次）。液滴的體積損失表示為平均液滴面積除以最后分配在孔板上的液滴面積（參考液滴）的百分比。

結論

1. 在有和沒有濕度控制的情況下設置的液滴蒸發速率。

在設置為環境RH或85％RH（由NT8濕度控制室確保）的控制上，隨時間監測結晶液滴的大小。在環境相對濕度下，開始制備孔板后的1.8分鐘內，對于所有測試條件，200 nL的25％的滴液和1μL的15％滴液已蒸發（圖1）。2.7分鐘后，大概是分配一個每孔1滴的96-孔板所需的時間，對于200 nL液滴，蒸發了29％ 的PEG，32％的硫酸銨和39％的緩沖液條件（表1）。

1μL時的液滴損失略低，在18％至25％之間變化。6.3分鐘后，在200 nL /1μL液滴中，PEG的液滴損失增加至42/41％，硫酸銨的液滴損失增加至52/43％，緩沖液的液滴損失增加至55/48％。

將相對濕度從環境RH（50％）增加到85％RH會顯著降低液滴的蒸發速率（圖1）。在85％的相對濕度下 2.7分鐘后，在任何條件下（0-3％，這均在實驗誤差范圍內），液滴尺寸均無明顯下降。6.3分鐘后，對于200 nL液滴，液滴大小減小0-10％，對于1μL液滴，液滴大小減小2-7％，與環境RH中的液滴損失相比，下降了約5倍。在此實驗裝置中，溶液類型與蒸發速率之間沒有顯著相關性。

圖1. 對于3種不同的溶液，在2個RH設置（環境RH為50%和RH設置為85%）中，在10分鐘過程中剩余的200 nL(上)和1μL(下)滴度的百分比。誤差條表示實驗重復8次后液滴面積的標準差。

表1. 在2.7分鐘和6.3分鐘時，液滴蒸發與參考液滴相比的百分比。

2. RH為95％的液滴大小

我們還評估了在95％的濕度下隨時間流逝的液滴損失。在這種濕度設置下，孔板上會覆蓋薄霧，這可能會造成液滴吸收水分而導致液滴尺寸增加。但是，在95％的濕度下，1μL液滴的液滴大小沒有明顯增加。相反，在200 nL液滴中，有40％的液滴大小與參考液滴相比增加了5％以上。對于在95％RH條件下 在板上停留超過9.0分鐘的液滴，觀察到PEG和緩沖液200 nL液滴的大小增加，而對于硫酸銨，是在3.6分鐘后觀察到液滴大小增加。

3. 在夾層組裝之前，為PEG和硫酸銨干燥的液滴百分比

在室溫下的某些條件下，在制備孔板的過程中，選定的液滴會變干。在200 nL PEG條件下，一些液滴在 2.7分鐘后變干（表1）。6分鐘后，最初的1μL液滴變干 4.5分鐘后，硫酸銨滴200 nL和1μL開始干燥。緩沖液滴的大小有所減小，但在10分鐘的實驗過程中并未完全變干。總之，在孔板制備的10分鐘后，平均38％的PEG液滴和58％的硫酸銨液滴被完全干燥（圖2）。此外，在制板5分鐘后，硫酸銨晶體開始在200 nL 液滴中出現（圖3）。相反，在將RH設置為85％的受控RH環境中設置的任何條件下，滴液都不會變干，也不會形成鹽晶。

圖2. A)環境RH為50%，B)孔板制備10分鐘后，相對濕度為85%。從左到右依次為200nl，1μL硫酸銨條件，200nl, 1μL PEG條件。

圖 3. 結晶板制備 5分鐘后硫酸銨晶體的形成。

結論

本文中，我們研究了RH對制版過程中結晶液滴蒸發的影響。在2.7分鐘后，在環境RH中設置的200 nL和1μL 液滴平均損失了32％和22％的體積，而在85％RH條件下，沒有觀察到液滴體積的損失。值得注意的是，市售移液器制備96-孔板每孔1滴所需的平均時間為2-3 分鐘。當在室溫RH條件下蒸發49％的200 nL液滴和44％的1μL液滴后，這種液滴大小差異在6.3分鐘后變得更加明顯。然而在85% RH下，200 nl的液滴只有7%蒸發，1μL的液滴只有5.3%蒸發。液滴損失的這種顯著減少大大影響了液滴中溶質的濃度，這影響了液滴蒸發的速度，在極端情況下可能導致蛋白質變性。在這種情況下，無法獲得結晶并不是原始條件不適合結晶形成的結果，也不能準確地代表篩選出的結晶空間來選擇好的結晶條件。但是，可以通過使用高于環境濕度的RH來避免此問題，正如我們已展示的那樣，RH可以減少液滴的蒸發。濕度控制室是富默樂 NT8移液器的一部分，使用戶可以在制版過程中精確控制濕度水平。