Morphology and dynamics of ice crystals and the effect of proteins

286 p.La tesis "Morfología y dinámica de los cristales de hielo y su efecto en las proteínas" se basa en una amplia gama de temas que abarcan el fundamento de la estructura del hielo (tanto su superficie como su morfología), la interacción de las proteínas con el hielo y las ciencias ambientales (formación de las nubes y la dinámica de los glaciares). El enfoque se centra en las interfaces hielo/vapor e hielo/agua.Mediante el microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) a temperaturas inusualmente bajas, se ha logrado acceder a estudiar la morfología del hielo in-situ en diversas áreas del diagrama de fases (presión-temperatura). Además de reproducir las morfologías ya conocidas de cristales individuales e hielo poli-cristalino, se han observado formas ya conocidas de hielo, así como hielo poli-cristalino. Nuevas geometrías llamadas ¿pools¿, formas circulares de ¿m de diámetro, fueron encontradas en los límites del grano de la superficie del hielo poli-cristalino durante procesos de sublimación lento.Además, se estudiaron ocho soluciones diferentes de proteínas en condiciones de súper-enfriamiento mediante las técnicas de congelación de gota (drop freezing technique) y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Únicamente, la (apo)ferritina y la ferritina han mostrado buenas características para la nucleación de hielo, es decir, la congelación bajo pequeño súper-enfriamiento (solo algunos grados debajo de 0 ºC), mientras que la mayoría de las soluciones de proteínas estudiadas se congelan por debajo de -15 ºC, como el agua pura.CIC NanoGUNE:nanoscience cooperative research center CFM: materials physics center ETH Zürich: Institute for Atmospheric and Climate Scienc

Morphology and dynamics of ice crystals and the effect of proteins

286 p.La tesis "Morfología y dinámica de los cristales de hielo y su efecto en las proteínas" se basa en una amplia gama de temas que abarcan el fundamento de la estructura del hielo (tanto su superficie como su morfología), la interacción de las proteínas con el hielo y las ciencias ambientales (formación de las nubes y la dinámica de los glaciares). El enfoque se centra en las interfaces hielo/vapor e hielo/agua.Mediante el microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) a temperaturas inusualmente bajas, se ha logrado acceder a estudiar la morfología del hielo in-situ en diversas áreas del diagrama de fases (presión-temperatura). Además de reproducir las morfologías ya conocidas de cristales individuales e hielo poli-cristalino, se han observado formas ya conocidas de hielo, así como hielo poli-cristalino. Nuevas geometrías llamadas ¿pools¿, formas circulares de ¿m de diámetro, fueron encontradas en los límites del grano de la superficie del hielo poli-cristalino durante procesos de sublimación lento.Además, se estudiaron ocho soluciones diferentes de proteínas en condiciones de súper-enfriamiento mediante las técnicas de congelación de gota (drop freezing technique) y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Únicamente, la (apo)ferritina y la ferritina han mostrado buenas características para la nucleación de hielo, es decir, la congelación bajo pequeño súper-enfriamiento (solo algunos grados debajo de 0 ºC), mientras que la mayoría de las soluciones de proteínas estudiadas se congelan por debajo de -15 ºC, como el agua pura.CIC NanoGUNE:nanoscience cooperative research center CFM: materials physics center ETH Zürich: Institute for Atmospheric and Climate Scienc

Protein aggregates nucleate ice: the example of apoferritin

Biological material has gained increasing attention recently as a source of ice-nucleating particles that may account for cloud glaciation at moderate supercooling. While the ice-nucleation (IN) ability of some bacteria can be related to membrane-bound proteins with epitaxial fit to ice, little is known about the IN-active entities present in biological material in general. To elucidate the potential of proteins and viruses to contribute to the IN activity of biological material, we performed bulk freezing experiments with the newly developed drop freezing assay DRoplet Ice Nuclei Counter Zurich (DRINCZ), which allows the simultaneous cooling of 96 sample aliquots in a chilled ethanol bath. We performed a screening of common proteins, namely the iron storage protein ferritin and its iron-free counterpart apoferritin, the milk protein casein, the egg protein ovalbumin, two hydrophobins, and a yeast ice-binding protein, all of which revealed IN activity with active site densities > 0.1 mg−1 at −10 ∘C. The tobacco mosaic virus, a plant virus based on helically assembled proteins, also proved to be IN active with active site densities increasing from 100 mg−1 at −14 ∘C to 10 000 mg−1 at −20 ∘C. Among the screened proteins, the IN activity of horse spleen ferritin and apoferritin, which form cages of 24 co-assembled protein subunits, proved to be outstanding with active site densities > 10 mg−1 at −5 ∘C. Investigation of the pH dependence and heat resistance of the apoferritin sample confirmed the proteinaceous nature of its IN-active entities but excluded the correctly folded cage monomer as the IN-active species. A dilution series of apoferritin in water revealed two distinct freezing ranges, an upper one from −4 to −11 ∘C and a lower one from −11 to −21 ∘C. Dynamic light scattering measurements related the upper freezing range to ice-nucleating sites residing on aggregates and the lower freezing range to sites located on misfolded cage monomers or oligomers. The sites proved to persist during several freeze–thaw cycles performed with the same sample aliquots. Based on these results, IN activity seems to be a common feature of diverse proteins, irrespective of their function, but arising only rarely, most probably through defective folding or aggregation to structures that are IN active.This research has been supported by the Swiss National Foundation (grant nos. IZSEZ0_179149/1 and 200021_156581), the Basque government (Elkartek programmes ng 15 and ng 17), and the Spanish MINECO (grant no. MAT2013- 46006-R, programme MDM-2016-0618)

Wound-Microenvironment Engineering through Advanced-Dressing Bioprinting

In patients with comorbidities, a large number of wounds become chronic, representing an overwhelming economic burden for healthcare systems. Engineering the microenvironment is a paramount trend to activate cells and burst-healing mechanisms. The extrusion bioprinting of advanced dressings was performed with novel composite bioinks made by blending adipose decellularized extracellular matrix with plasma and human dermal fibroblasts. Rheological and microstructural assessments of the composite hydrogels supported post-printing cell viability and proliferation over time. Embedded fibroblasts expressed steady concentrations of extracellular matrix proteins, including type 1, 3 and 4 collagens and fibronectin. ELISA assessments, multiplex protein arrays and ensuing bioinformatic analyses revealed paracrine activities corresponding to wound-healing activation through the modulation of inflammation and angiogenesis. The two modalities of advanced dressings, differing in platelet number, showed differences in the release of inflammatory and angiogenic cytokines, including interleukin 8 (IL-8), monocyte chemotactic protein 1 (MCP-1), vascular endothelial growth factor (VEGF) and hepatocyte growth factor (HGF). The conditioned media stimulated human-dermal-cell proliferation over time. Our findings open the door to engineering the microenvironment as a strategy to enhance healing