Yeniden Yapılandırılmış Hücre İskeletinin Dev Unilameller Veziküller İçinde Hızlı Kapsüllenmesi
Summary
Bu makalede, kapsüllenmiş sitoiskelet proteinleri ile dev unilamellar veziküllerin hızlı üretimi için basit bir yöntem tanıtılmaktadır. Yöntemin, hapsetmede ve sitoiskelet-membran etkileşimlerinde sitoiskelet yapılarının aşağıdan yukarıya doğru resulaştırılmasında yararlı olduğu kanıtlanmıştır.
Abstract
Dev unilamellar veziküller (GUV’ler) sıklıkla biyolojik membran modelleri olarak kullanılır ve bu nedenle membranla ilişkili hücresel süreçleri in vitro olarak incelemek için harika bir araçtır. Son yıllarda, GUV’lar içindeki kapsüllemenin, hücre biyolojisi ve ilgili alanlarda sulandırma deneyleri için yararlı bir yaklaşım olduğu kanıtlanmıştır. Geleneksel biyokimyasal sulandırmanın aksine, canlı hücrelerin içindeki hapsedilme koşullarını daha iyi taklit eder. GUV’lar içinde kapsülleme yöntemlerinin uygulanması genellikle kolay değildir ve başarı oranları laboratuvardan laboratuvara önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Daha karmaşık protein sistemlerini kapsüllemek için başarılı olduğu kanıtlanmış bir teknik, sürekli damlacık arayüzü çapraz kapsüllemesi (cDICE) olarak adlandırılır. Burada, GUV’larda sitoiskelet proteinlerinin yüksek kapsülleme verimliliğine sahip hızlı bir şekilde kapsüllenmesi için cDICE tabanlı bir yöntem sunulmaktadır. Bu yöntemde, ilk olarak, bir lipit / yağ karışımında ilgilenilen bir protein çözeltisinin emülsifiye edilmesiyle lipit-tek katmanlı damlacıklar üretilir. Dönen bir 3D baskılı odaya eklendikten sonra, bu lipit tek katmanlı damlacıklar daha sonra protein sistemini içeren GUV’lar oluşturmak için odanın içindeki bir su / yağ arayüzünde ikinci bir lipit tek katmanından geçer. Bu yöntem, GUV’lar içindeki genel kapsülleme prosedürünü basitleştirir ve süreci hızlandırır ve böylece lipit çift katmanlı veziküller içindeki ağ montajının dinamik evrimini sınırlamamıza ve gözlemlememize olanak tanır. Bu platform, hapsedilmede sitoiskelet-membran etkileşimlerinin mekaniğini incelemek için kullanışlıdır.
Introduction
Lipid çift katmanlı bölmeler, kapalı organik reaksiyonları ve membran bazlı süreçleri incelemek için model sentetik hücreler olarak veya ilaç dağıtım uygulamalarında taşıyıcı modüller olarak kullanılır 1,2. Saflaştırılmış bileşenlere sahip aşağıdan yukarıya biyoloji, proteinler ve lipitler gibi biyomoleküller arasındaki özellikleri ve etkileşimleri araştırmak için minimum deneysel sistemler gerektirir 3,4. Bununla birlikte, alanın ilerlemesiyle birlikte, biyolojik hücrelerdeki koşulları daha iyi taklit eden daha karmaşık deneysel sistemlere olan ihtiyaç artmaktadır. GUV’larda kapsülleme, deforme edilebilir ve seçici olarak geçirgen bir lipit çift katmanı ve sınırlı bir reaksiyon alanı sağlayarak bu hücre benzeri özelliklerin bazılarını sunabilen pratik bir yaklaşımdır. Özellikle, sentetik hücrelerin modelleri olarak sitoiskelet sistemlerinin in vitro resusyonu, membran bölmelerinde kapsüllemeden yararlanabilir5. Birçok sitoiskelet proteini hücre zarına bağlanır ve etkileşime girer. Çoğu sitoiskelet düzeneği, hücrenin tamamını kapsayan yapılar oluşturduğundan, şekilleri doğal olarak hücre büyüklüğünde hapsetme6 ile belirlenir.
Şişlik7,8, küçük vezikül füzyonu9,10, emülsiyon transferi 11,12, darbeli püskürtme 13 ve diğer mikroakışkan yaklaşımlar 14,15 gibi GUV’ları üretmek için farklı yöntemler kullanılır. Bu yöntemler hala kullanılsa da, her birinin sınırlamaları vardır. Bu nedenle, yüksek GUV kapsülleme verimine sahip sağlam ve basit bir yaklaşım oldukça arzu edilir. GUV’ların oluşumu için spontan şişlik ve elektroşişme gibi teknikler yaygın olarak benimsenmesine rağmen, bu yöntemler öncelikle spesifik lipit bileşimleri16, düşük tuz konsantrasyonlu tamponlar 17, daha küçük kapsülleyici moleküler boyut18 ile uyumludur ve yüksek miktarda kapsülleyici gerektirir. Birden fazla küçük vezikülün bir GUV’ye kaynaştırılması doğal olarak enerjisel olarak elverişsizdir, bu nedenle yüklü lipit bileşimleri9 ve / veya peptidler19 veya diğer kimyasallar gibi harici füzyon indükleyici ajanlarda özgüllük gerektirir. Emülsiyon transferi ve mikroakışkan yöntemler ise çift katmanlı oluşumdan sonra yüzey aktif madde ve çözücü giderimi yoluyla damlacık stabilizasyonu gerektirebilir, sırasıyla18,20. Darbeli püskürtme gibi mikroakışkan tekniklerdeki deneysel düzeneğin ve cihazın karmaşıklığı ek bir zorluk getirmektedir21. cDICE, emülsiyon transferi22,23’ü yöneten benzer ilkelerden türetilen emülsiyon bazlı bir yöntemdir. Sulu bir çözelti (dış çözelti) ve bir lipit-yağ karışımı, lipit doymuş bir arayüz oluşturan dönen silindirik bir odada (cDICE odası) santrifüj kuvvetleri ile tabakalandırılır. Lipid tek katmanlı sulu damlacıkların dönen cDICE odasına sokulması, damlacıklar lipit doymuş arayüzü geçerek dış sulu çözelti 22,24’e geçerken bir çift katmanın sıkıştırılmasına neden olur. cDICE yaklaşımı, GUV kapsüllemesi için sağlam bir tekniktir. Sunulan modifiye yöntemle, sadece önemli ölçüde daha kısa bir kapsülleme süresine (birkaç saniye) sahip cDICE için tipik olan yüksek vezikül verimi elde edilmekle kalmaz, aynı zamanda zamana bağlı süreçlerin (örneğin, aktin sitoiskelet ağı oluşumu) gözlemlenmesine izin veren GUV üretim süresi de önemli ölçüde azalır. Protokol başlangıçtan GUV toplama ve görüntülemeye kadar yaklaşık 15-20 dakika sürer. Burada, GUV üretimi, aktin ve aktin bağlayıcı proteinleri (ABP’ler) kapsüllemek için modifiye cDICE yöntemi kullanılarak tanımlanmıştır. Bununla birlikte, sunulan teknik, biyopolimerlerin montajından hücresiz protein ekspresyonuna, membran füzyon bazlı kargo transferine kadar çok çeşitli biyolojik reaksiyonları ve membran etkileşimlerini kapsüllemek için uygulanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bununla birlikte, sentetik hücrelerin oluşturulması için GUV’ler üretmenin farklı yöntemleri araştırılmıştır Bununla birlikte, prosedürlerin karmaşıklığı, kapsüllemeye ulaşmak için uzatılmış süre, kapsüllemenin lipit tiplerinin ve kapsülleyicinin moleküler bileşiminin kısıtlanması, kapsüllemeyi kolaylaştırmak için fizyolojik olmayan kimyasallara duyulan ihtiyaç, düşük GUV verimi ve kapsülleme verimliliğindeki tutarsızlıklar bu alandaki araştırmacıları zorlamaya devam etmi?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
APL, Deneyimli Araştırmacılar için Humboldt Araştırma Bursu ve Ulusal Bilim Vakfı (1939310 ve 1817909) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01 EB030031) tarafından verilen desteği kabul etmektedir.
Materials
| 18:1 Liss Rhod PE lipid in chloroform | Avanti Polar Lipids | 810150C | |
| 96 Well Optical Btm Pit PolymerBase | ThermoFisher Scientific | 165305 | |
| Actin from rabbit skeletal muscle | Cytoskeleton | AKL99-A | |
| ATTO 488-actin from rabbit skeletal muscle | Hypermol | 8153-01 | |
| Axygen microtubes (200 µL) | Fisher Scientific | 14-222-262 | for handling ABPs |
| Black resin | Formlabs | RS-F2-GPBK-04 | |
| Cholesterol (powder) | Avanti Polar Lipids | 700100P | |
| Choloroform | Sigma Aldrich | 67-66-3 | |
| Clear resin | Formlabs | RS-F2-GPCL-04 | |
| CSU-X1 Confocal Scanner Unit | YOKOGAWA | CSU-X1 | |
| Density gradient medium (Optiprep) | Sigma-Aldrich | D1556 | |
| DOPC lipid in chloroform | Avanti Polar Lipids | 850375C | |
| Fascin | homemade | N/A | |
| F-buffer | homemade | N/A | |
| Fisherbrand microtubes (1.5 mL) | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| FS02 Sonicator | Fischer Scientific | FS20 | |
| G-buffer | homemade | N/A | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | 158968 | |
| iXon X3 camera | Andor | DU-897E-CS0 | |
| Mineral oil | Acros Organics | 8042-47-5 | |
| Olympus IX81 Inverted Microscope | Olympus | IX21 | |
| Olympus PlanApo N 60x Oil Microscope Objective | Olumpus | 1-U2B933 | |
| Silicone oil | Sigma-Aldrich | 317667 |
References
- Groaz, A., et al. Engineering spatiotemporal organization and dynamics in synthetic cells. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 13 (3), 1685 (2021).
- Diltemiz, S. E., et al. Use of artificial cells as drug carriers. Materials Chemistry Frontiers. 5, 6672-6692 (2021).
- Liu, A. P., Fletcher, D. A. Biology under construction: In vitro reconstitution of cellular function. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 10 (9), 644-650 (2009).
- Ganzinger, K. A., Schwille, P. More from less – bottom-up reconstitution of cell biology. Journal of Cell Science. 132 (4), 227488 (2019).
- Bashirzadeh, Y., Liu, A. P. Encapsulation of the cytoskeleton: Towards mimicking the mechanics of a cell. Soft Matter. 15 (42), 8425-8436 (2019).
- Blanchoin, L., Boujemaa-Paterski, R., Sykes, C., Plastino, J. Actin dynamics, architecture, and mechanics in cell motility. Physiol reviews. 94 (1), 235-263 (2014).
- Angelova, M. I., Dimitrov, D. S. Liposome electroformation. Faraday Discussions of the Chemical Society. 81, 303-311 (1986).
- Tsumoto, K., Matsuo, H., Tomita, M., Yoshimura, T. Efficient formation of giant liposomes through the gentle hydration of phosphatidylcholine films doped with sugar. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 68 (1), 98-105 (2009).
- Bailey, A. L., Cullis, P. R. Membrane fusion with cationic liposomes: Effects of target membrane lipid composition. Biochimie. 36 (7), 1628-1634 (1997).
- Haluska, C. K., Riske, K. A., Marchi-Artzner, V., Lehn, J. M., Lipowsky, R., Dimova, R. Time scales of membrane fusion revealed by direct imaging of vesicle fusion with high temporal resolution. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (43), 15841-15846 (2006).
- Nishimura, K., Suzuki, H., Toyota, T., Yomo, T. Size control of giant unilamellar vesicles prepared from inverted emulsion droplets. Journal of Colloid and Interface Science. 376 (1), 119-125 (2012).
- Pautot, S., Frisken, B. J., Weitz, D. A. Production of unilamellar vesicles using an inverted emulsion. Langmuir. 19 (7), 2870-2879 (2003).
- Stachowiak, J. C., Richmond, D. L., Li, T. H., Liu, A. P., Parekh, S. H., Fletcher, D. A. Unilamellar vesicle formation and encapsulation by microfluidic jetting. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (12), 4697-4702 (2008).
- Noireaux, V., Liu, A. P. The new age of cell-free biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 22, 51-77 (2020).
- Ho, K. K. Y., Murray, V. L., Liu, A. P. Engineering artificial cells by combining HeLa-based cell-free expression and ultrathin double emulsion template. Methods in Cell Biology. , 303-318 (2015).
- Akashi, K., Miyata, H., Itoh, H., Kinosita, K. Preparation of giant liposomes in physiological conditions and their characterization under an optical microscope. Biophysical Journal. 71 (6), 3242-3250 (1996).
- Méléard, P., Bagatolli, L. A., Pott, T. Giant unilamellar vesicle electroformation: From lipid mixtures to native membranes under physiological conditions. Methods in Enzymology. 465, 161-176 (2009).
- Walde, P., Cosentino, K., Engel, H., Stano, P. Giant vesicles: Preparations and applications. ChemBioChem. 11 (7), 848-865 (2010).
- Pécheur, E. I., Martin, I., Ruysschaert, J. M., Bienvenüe, A., Hoekstra, D. Membrane fusion induced by 11-mer anionic and cationic peptides: A structure− function study. Biochimie. 37 (8), 2361-2371 (1998).
- Morigaki, K., Walde, P. Giant vesicle formation from oleic acid/sodium oleate on glass surfaces induced by adsorbed hydrocarbon molecules. Langmuir. 18 (26), 10509-10511 (2002).
- Majumder, S., Wubshet, N., Liu, A. P. Encapsulation of complex solutions using droplet microfluidics towards the synthesis of artificial cells. Journal of Micromechanics and Microengineering. 29 (8), 83001 (2019).
- Abkarian, M., Loiseau, E., Massiera, G. Continuous droplet interface crossing encapsulation (cDICE) for high throughput monodisperse vesicle design. Soft Matter. 7 (10), 4610-4614 (2011).
- Van de Cauter, L., et al. Optimized cDICE for efficient reconstitution of biological systems in giant unilamellar vesicles. ACS Synthetic Biology. 10 (7), 1690-1702 (2021).
- Claudet, C., In, M., Massiera, G. Method to disperse lipids as aggregates in oil for bilayers production. The European Physical Journal E. 39 (1), 1-6 (2016).
- Bashirzadeh, Y., Wubshet, N. H., Liu, A. P. Confinement Geometry tunes fascin-actin bundle structures and consequently the shape of a lipid bilayer vesicle. Frontiers in Molecular Biosciences. 7, 610277 (2020).
- Bashirzadeh, Y., et al. Actin crosslinker competition and sorting drive emergent GUV size-dependent actin network architecture. Communications Biology. 4, 1136 (2021).
- Bashirzadeh, Y., Moghimianavval, H., Liu, A. P. Encapsulated actomyosin patterns drive cell-like membrane shape changes. bioRxiv. , (2021).
- Litschel, T., et al. Reconstitution of contractile actomyosin rings in vesicles. Nature Communications. 12 (1), 1-10 (2021).
- Vitale, S. A., Katz, J. L. Liquid droplet dispersions formed by homogeneous liquid− liquid nucleation:"The Ouzo effect.". Langmuir. 19 (10), 4105-4110 (2003).
- Pautot, S., Frisken, B. J., Weitz, D. A. Engineering asymmetric vesicles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (19), 10718-10721 (2003).
- Deshpande, S., Dekker, C. On-chip microfluidic production of cell-sized liposomes. Nature Protocols. 13 (5), 856-874 (2018).
- Deshpande, S., Caspi, Y., Meijering, A. E. C., Dekker, C. Octanol-assisted liposome assembly on chip. Nature Communications. 7, 10447 (2016).
- Wubshet, N. H., Bashirzadeh, Y., Liu, A. P. Fascin-induced actin protrusions are suppressed by dendritic networks in GUVs. Molecular Biology of the Cell. 32 (18), 1634-1640 (2021).
