التحليل الطيفي لجزيئات البروتين وحيد باستخدام مجهر قوة ذرية قوة
Summary
نحن وصف إجراءات مفصلة واستراتيجيات لقياس الخواص الميكانيكية والميكانيكية مسارات تتكشف من الجزيئات البروتينية مفرد باستخدام مجهر قوة ذرية. ونحن أيضا إظهار نتائج الممثل كمرجع للتحديد وتبرير لتسجيلات جزيء بروتين واحد جيد.
Abstract
تصميم عملية قابلة للطي للبروتينات من تسلسل الأحماض الأمينية بها إلى بنيتها ثلاثية الأبعاد الأصلية تعتبر مشكلة هامة في مجال البيولوجيا. مجهر القوة الذرية (AFM) ويمكن معالجة هذه المشكلة عن طريق تمكين التمدد والاسترخاء من جزيئات البروتين وحيد، الذي يعطي الأدلة المباشرة تتكشف وريفولدينج خصائص محددة. المستندة إلى فؤاد جزيء واحد القوة-التحليل الطيفي (فؤاد-SMFS) يوفر وسيلة لقياس ثبات والتشكلات الجسيمات ذات الطاقة العالية في البروتينات التي غير ممكنة في القياسات التقليدية الأكبر (البيوكيميائية). رغم أنه تم نشر العديد من الأوراق لإظهار مبادئ فؤاد SMFS، فإنه ليس من السهل إجراء تجارب SMFS نظراً لعدم وجود بروتوكول استفاضة كاملة. في هذه الدراسة، ونحن بإيجاز توضيح مبادئ فؤاد وتفاصيل البروتوكولات والإجراءات، وتحليل البيانات على نطاق واسع كمبدأ توجيهي لتحقيق نتائج جيدة من تجارب SMFS. نظهر الممثل SMFS نتائج القياسات التي تتكشف الميكانيكية البروتين وحيد ونحن نقدم استكشاف استراتيجيات لبعض شيوعاً واجه مشاكل.
Introduction
وقد مكنت السلف في جزيء واحد قوة التحليل الطيفي (SMFS) بفؤاد التلاعب الميكانيكية وتوصيف دقيق لجزيئات البروتين وحيد. وهذا الوصف قد أنتجت رؤى رواية عن البروتين ميكانيكا1،2، البروتين قابلة للطي3، البروتين-يجند التفاعلات4، تفاعلات البروتين البروتين5، والقائم على البروتين المهندسة المواد6،،من78. SMFS مفيد بشكل خاص لدراسة البروتين تتكشف، كما تمتد من فؤاد يسمح السندات الكيميائية والفيزيائية في جزيء البروتين تدريجيا تمديد وفقا صلابة، مما يثير بطول كفاف متزايدة باستمرار. هذا إرهاق لجزيء البروتين يمكن أن تنتج انتقال مفاجئ في منحنى القوة-ملحق أسفر عن حدث تمزق (أو القوة الذروة). ذروة القوة يعطي معلومات مباشرة على تغيير الهيكلية والقوة التي تتكشف من البروتين أثناء عملية تتكشف الميكانيكية. واحدة من أولى الدراسات استخدام فؤاد قياس تيتين1 والاطلاع على جوانب الرواية من البروتين التي تتكشف وريفولدينج تحت الظروف الفسيولوجية دون استخدام ديناتورانتس غير طبيعية مثل تركيز المواد الكيميائية أو درجات الحرارة القصوى.
SMFS تجارب تجري على مجموعة متنوعة من الصكوك، على الرغم من هنا ننظر فقط فؤاد. فؤاد يتكون من أربعة عناصر رئيسية: التحقيق والكاشف وصاحب العينة والماسح الضوئي كهرضغطية. التحقيق تلميح حاد في نهاية فريسوينجينج ناتئ. بعد المعايرة، يقاس منحنية ناتئ خلال تمتد من جزيء المرفقة استخدام شعاع ليزر الذي ينعكس قبالة الجزء الخلفي ناتئ لتحديد دقة باستخدام قانون هوك للقوات. المشاريع شعاع الليزر المنعكس في جهاز كشف الضوئي رباعي، التي تنتج من جهد ما يتناسب مع تشريد شعاع الليزر من مركز صمام ثنائي. الركيزة مع العينة البروتين في سائل محمل على خشبة المسرح كهرضغطية ثلاثية الأبعاد التي يمكن التحكم بدقة نانومتر الفرعية. كمبيوتر يقرأ الجهد من أجهزة الكشف الضوئي وضوابط مرحلة ثلاثية الأبعاد من خلال إمداد بجهد تسيطر على جهاز الكمبيوتر. هذه المراحل صمام بيزو عادة ما تكون مجهزة بالسعة أو السلالة-قياس أجهزة استشعار الموقف بدقة قياس بيزو التشرد وإلى التباطؤ الصحيحة من خلال نظام مراقبة التغذية المرتدة. يتم تحويل الناتج الاستشعار الإشارات من وحدة تحكم بيزو إلى المسافة باستخدام الجهد المستمر من بيزو هو معايرة مصنع. ويرد في الشكل 2منحنى قوة-ملحق مثال من تجربة سحب.
هناك نوعان من التجارب SMFS فؤاد: سرعة ثابتة ومستمرة قوة سحب القياسات. ويرد وصف القياسات SMFS قوة ثابتة في أوبيرهاوسير et al. 9، بينما نركز هنا على قياسات السرعة ثابتة. نموذجي فؤاد ثابت-سرعة سحب تجربة يتم عن طريق توفير الجهد إلى بيزو المضي بلطف ركيزة بالنسبة إلى طرف ناتئ. تجربة نموذجية بنصيحة في البداية الضغط على السطح. هو بدأ قياس سحب عن طريق تحريك الركيزة بعيداً عن التلميح ﻹخراج من جهة الاتصال. إذا كان بروتين يأتي في اتصال مع التلميح في البداية، فإنه سوف يتم سحب وسيقاس التتبع التي تتكشف للقوة ضد التشرد. الركيزة هو إعادته ثم اتصال مع التلميح ويتم قياس أثر استرخاء حيث يمكن تحديد طي البروتين من تشريد القوة.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوة حاسمة في البروتوكول هو استخدام بوليبروتين، الموضحة في الخطوة 1-1-2، الذي يعمل كعنصر تحكم إيجابية “البصمات” الأحداث جزيء واحد. عموما، هناك يجب أن تكون تتكشف أحداث البروتينات بوليبروتين (ل I91، وهذا يعني قوة تتكشف لزيادة طول السند الإذني وكفاف حوالي 200 من حوالي 28 nm) تختتم دون لبس أن بروتين ا?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
كان يدعمها هذا العمل على منح “المؤسسة الوطنية للعلوم” 1244297 المجلس والمجلس-1517245 ليم.
Materials
| AFM Specimen Discs, 15mm diameter | Ted Pella, Inc. | 16218 | Serve as base for glass substrate |
| Round Glass Coverslips, 15mm diamiter No.1 Thick | Ted Pella, Inc. | 26024 | serve as glass substrate and base for gold coating |
| Adhesive Tabs | Ted Pella, Inc. | 16079 | Paste on AFM Specimen Discs to provide a sticky face for attaching glass coverslips |
| STD Multimode head assembly | Bruker Nano Inc. | 1B75C | AFM head |
| Glass probe holder | Bruker Nano Inc. | MTFML-V2 | Glass probe holder for scanning in fluid with the MultiMode AFM. |
| Microlever AFM probes | Bruker Nano Inc. | MLCT | Silicon Nitride cantilevers with Silicon Nitride tips, ideal for contact imaging modes |
| AFM probes with Au coated tips | Bruker Nano Inc. | OBL-10 | Cantilevers for pulling on proteins with low unfolding force |
| Multifunction Data Acquisition (DAQ) Card,16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 Analog Inputs | National Instruments | PCI-6259 | Data Acquisition for signals from AFM head and Piezo Actuators |
| LISA Linear Piezo Stage Actuators | Physik Instrumente LP | P-753.11C | Piezo Actuator to control the position of substrate and perform pulling measurements |
| XY Piezo Stage | Physik Instrumente LP | P-541.2CD | Piezo Actuator to control the position of substrate and scan on substrate surface |
Riferimenti
- Rief, M., Gautel, M., Oesterhelt, F., Fernandez, J. M., Gaub, H. E. Reversible Unfolding of Individual Titin Immunoglobulin Domains by AFM. Science. 276 (5315), 1109-1112 (1997).
- Fisher, T. E., Oberhauser, A. F., Carrion-Vazquez, M., Marszalek, P. E., Fernandez, J. M. The study of protein mechanics with the atomic force microscope. Trends in Biochemical Sciences. 24 (10), 379-384 (1999).
- Ng, S., Rounsevell, R., Steward, A., Randles, L., Clarke, J. Single molecule studies of protein folding by atomic force microscopy(AFM). Abstracts of Papers of the American Chemical Society. 227, U545-U545 (2004).
- Rico, F., Chu, C., Moy, V. T., Braga, P. C., Ricci, D. . Methods in Molecular Biology. 736, 331-353 (2011).
- Muller, D. J., Dufrene, Y. F. Atomic force microscopy as a multifunctional molecular toolbox in nanobiotechnology. Nature Nanotechnology. 3 (5), 261-269 (2008).
- Lv, S., et al. Designed biomaterials to mimic the mechanical properties of muscles. Nature. 465 (7294), 69-73 (2010).
- Kim, M., et al. Nanomechanics of Streptavidin Hubs for Molecular Materials. Advanced Materials. 23 (47), 5684-5688 (2011).
- Gonzalez, M. A., et al. Self-Adhesive Hydrogels from Intrinsically Unstructured Proteins. Advanced Materials. , (2017).
- Oberhauser, A. F., Hansma, P. K., Carrion-Vazquez, M., Fernandez, J. M. Stepwise unfolding of titin under force-clamp atomic force microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (2), 468-472 (2001).
- Li, Q., Scholl, Z. N., Marszalek, P. E. Capturing the Mechanical Unfolding Pathway of a Large Protein with Coiled-Coil Probes. Angewandte Chemie International Edition. 53 (49), 13429-13433 (2014).
- Davis, L. . Basic methods in molecular biology. , (2012).
- Scholl, Z. N., Josephs, E. A., Marszalek, P. E. A Modular, Non-Degenerate Polyprotein Scaffold for Atomic Force Spectroscopy. Biomacromolecules. , (2016).
- Scholl, Z. N. . The (Un) Folding of Multidomain Proteins Through the Lens of Single-molecule Force-spectroscopy and Computer Simulation. , (2016).
- Pawlak, K., Strzelecki, J. Nanopuller-open data acquisition platform for AFM force spectroscopy experiments. Ultramicroscopy. 164, 17-23 (2016).
- . Nanopuller Available from: https://sourceforge.net/projects/nanopuller/ (2018)
- Scholl, Z. N., Marszalek, P. E. Improving single molecule force spectroscopy through automated real-time data collection and quantification of experimental conditions. Ultramicroscopy. 136, 7-14 (2014).
- Bouchiat, C., et al. Estimating the persistence length of a worm-like chain molecule from force-extension measurements. Biophysical journal. 76 (1), 409-413 (1999).
- Su, T., Purohit, P. K. Mechanics of forced unfolding of proteins. Acta. 5 (6), 1855-1863 (2009).
- Steward, A., Toca-Herrera, J. L., Clarke, J. Versatile cloning system for construction of multimeric proteins for use in atomic force microscopy. Protein science. 11 (9), 2179-2183 (2002).
- Scholl, Z. N., Josephs, E. A., Marszalek, P. E. Modular, Nondegenerate Polyprotein Scaffolds for Atomic Force Spectroscopy. Biomacromolecules. 17 (7), 2502-2505 (2016).
- Hoffmann, T., et al. Rapid and Robust Polyprotein Production Facilitates Single-Molecule Mechanical Characterization of β-Barrel Assembly Machinery Polypeptide Transport Associated Domains. ACS. 9 (9), 8811-8821 (2015).
- Dudko, O. K., Hummer, G., Szabo, A. Theory, analysis, and interpretation of single-molecule force spectroscopy experiments. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (41), 15755-15760 (2008).
- Popa, I., Berkovich, R., Alegre-Cebollada, J., Rivas-Pardo, J. A., Fernandez, J. M. Halotag Tethers to Study Titin Folding at the Single Molecule Level. Biophysical journal. 106 (2), 391a (2014).
- Yu, H., Siewny, M. G., Edwards, D. T., Sanders, A. W., Perkins, T. T. Hidden dynamics in the unfolding of individual bacteriorhodopsin proteins. Science. 355 (6328), 945-950 (2017).
- Rico, F., Gonzalez, L., Casuso, I., Puig-Vidal, M., Scheuring, S. High-speed force spectroscopy unfolds titin at the velocity of molecular dynamics simulations. Science. 342 (6159), 741-743 (2013).
- He, Y., Lu, M., Cao, J., Lu, H. P. Manipulating protein conformations by single-molecule AFM-FRET nanoscopy. ACS nano. 6 (2), 1221-1229 (2012).
- Fotiadis, D., Scheuring, S., Müller, S. A., Engel, A., Müller, D. J. Imaging and manipulation of biological structures with the AFM. Micron. 33 (4), 385-397 (2002).
- Edwards, D. T., Faulk, J. K., LeBlanc, M. A., Perkins, T. T. Force Spectroscopy with 9-μs Resolution and Sub-pN Stability by Tailoring AFM Cantilever Geometry. Biophysical journal. 113 (12), 2595-2600 (2017).
- Dudko, O. K., Mathe, J., Szabo, A., Meller, A., Hummer, G. Extracting kinetics from single-molecule force spectroscopy: Nanopore unzipping of DNA hairpins. Biophysical. 92 (12), 4188-4195 (2007).
- Scholl, Z. N., Li, Q., Yang, W., Marszalek, P. E. Single-molecule Force Spectroscopy Reveals the Calcium Dependence of the Alternative Conformations in the Native State of a βγ-Crystallin Protein. Journal of Biological Chemistry. 291 (35), 18263-18275 (2016).
