Schnelle Verkapselung des rekonstituierten Zytoskeletts in riesigen unilamellären Vesikeln

Summary

Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur schnellen Herstellung von riesigen unilamellären Vesikeln mit verkapselten zytoskelettalen Proteinen vor. Die Methode erweist sich als nützlich für die Bottom-up-Rekonstitution von Zytoskelettstrukturen in Enstrikt- und Zytoskelett-Membran-Interaktionen.

Abstract

Riesige unilamellare Vesikel (GUVs) werden häufig als Modelle biologischer Membranen verwendet und sind daher ein großartiges Werkzeug, um membranbezogene zelluläre Prozesse in vitro zu untersuchen. In den letzten Jahren hat sich die Verkapselung in GUVs als hilfreicher Ansatz für Rekonstitutionsexperimente in der Zellbiologie und verwandten Bereichen erwiesen. Es ahmt die Einschlussbedingungen in lebenden Zellen besser nach, im Gegensatz zur herkömmlichen biochemischen Rekonstitution. Methoden zur Verkapselung in GUVs sind oft nicht einfach zu implementieren, und die Erfolgsraten können sich von Labor zu Labor erheblich unterscheiden. Eine Technik, die sich bei der Verkapselung komplexerer Proteinsysteme als erfolgreich erwiesen hat, wird als kontinuierliche Tröpfchengrenzflächenkreuzung (cDICE) bezeichnet. Hier wird eine cDICE-basierte Methode zur schnellen Verkapselung von Zytoskelettproteinen in GUVs mit hoher Verkapselungseffizienz vorgestellt. Bei dieser Methode werden zunächst Lipid-Monolayer-Tröpfchen erzeugt, indem eine Proteinlösung von Interesse in einem Lipid/Öl-Gemisch emulgiert wird. Nach der Zugabe in eine rotierende 3D-gedruckte Kammer passieren diese lipidmonolagigen Tröpfchen dann eine zweite Lipid-Monoschicht an einer Wasser/Öl-Grenzfläche innerhalb der Kammer, um GUVs zu bilden, die das Proteinsystem enthalten. Diese Methode vereinfacht das Gesamtverfahren der Verkapselung in GUVs und beschleunigt den Prozess und ermöglicht es uns somit, die dynamische Entwicklung der Netzwerkmontage in Lipiddoppelschichtvesikeln einzugrenzen und zu beobachten. Diese Plattform ist praktisch, um die Mechanik von Zytoskelett-Membran-Interaktionen im Gefangenenverkehr zu untersuchen.

Introduction

Lipid-Doppelschichtkompartimente werden als synthetische Modellzellen zur Untersuchung geschlossener organischer Reaktionen und membranbasierter Prozesse oder als Trägermodule in Drug-Delivery-Anwendungen^{verwendet 1,2}. Die Bottom-up-Biologie mit gereinigten Komponenten erfordert minimale experimentelle Systeme, um Eigenschaften und Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen wie Proteinen und Lipiden zu untersuchen ^3,4. Mit dem Fortschritt des Feldes besteht jedoch ein erhöhter Bedarf an komplexeren experimentellen Systemen, die die Bedingungen in biologischen Zellen besser imitieren. Die Verkapselung in GUVs ist ein praktischer Ansatz, der einige dieser zellähnlichen Eigenschaften bieten kann, indem er eine verformbare und selektiv durchlässige Lipiddoppelschicht und einen begrenzten Reaktionsraum bereitstellt. Insbesondere die In-vitro-Rekonstitution von Zytoskelettsystemen als Modelle synthetischer Zellen kann von der Verkapselung in Membrankompartimenten^{profitieren 5}. Viele Zytoskelettproteine binden und interagieren mit der Zellmembran. Da die meisten Zytoskelettbaugruppen Strukturen bilden, die sich über die gesamte Zelle erstrecken, wird ihre Form natürlich durch zellgroße Einschließung^{bestimmt 6}.

Verschiedene Methoden werden verwendet, um GUVs zu erzeugen, wie z.B. die Quellung ^7,8, die kleine Vesikelfusion^9,10, der Emulsionstransfer 11,12, das gepulste Jetting 13 und andere mikrofluidische Ansätze^14,15. Obwohl diese Methoden immer noch verwendet werden, hat jede ihre Grenzen. Daher ist ein robuster und unkomplizierter Ansatz mit einer hohen Ausbeute an GUV-Verkapselung sehr wünschenswert. Obwohl Techniken wie spontane Quellung und Elektroschwellung für die Bildung von GUVs weit verbreitet sind, sind diese Methoden in erster Linie mit spezifischen Lipidzusammensetzungen 16, niedrigen Salzkonzentrationspuffern¹⁷, kleineren Verkapselungsmolekülgrößen¹⁸ kompatibel und erfordern ein hohes Volumen des Verkapselungsmittels. Die Verschmelzung mehrerer kleiner Vesikel zu einem GUV ist von Natur aus energetisch ungünstig und erfordert daher Spezifität in geladenen Lipidzusammensetzungen⁹ und / oder externen fusionsinduzierenden Mitteln wie Peptiden¹⁹ oder anderen Chemikalien. Emulsionstransfer- und mikrofluidische Verfahren hingegen können eine Tröpfchenstabilisierung durch Tensid- und Lösungsmittelentfernung nach Doppelschichtbildung^{bzw. 18,20} erfordern. Die Komplexität des Versuchsaufbaus und der Vorrichtung in mikrofluidischen Techniken wie dem gepulsten Jetting stellt eine zusätzliche Herausforderung^{dar 21}. cDICE ist eine emulsionsbasierte Methode, die von ähnlichen Prinzipien für den Emulsionstransfer abgeleitet ist^22,23. Eine wässrige Lösung (äußere Lösung) und ein Lipid-Öl-Gemisch werden durch Zentrifugalkräfte in einer rotierenden zylindrischen Kammer (cDICE-Kammer) geschichtet, die eine lipidgesättigte Grenzfläche bildet. Das Einschichten von einschichtigen wässrigen Lipidtröpfchen in die rotierende cDICE-Kammer führt zu einem Reißverschluss einer Doppelschicht, wenn Tröpfchen die lipidgesättigte Grenzfläche in die äußere wässrige Lösung^22,24 überqueren. Der cDICE-Ansatz ist eine robuste Technik zur GUV-Verkapselung. Mit der vorgestellten modifizierten Methode wird nicht nur die für cDICE typische hohe Vesikelausbeute mit einer deutlich kürzeren Verkapselungszeit (wenige Sekunden) erreicht, sondern auch die GUV-Erzeugungszeit, die die Beobachtung zeitabhängiger Prozesse (z.B. Aktin-Zytoskelett-Netzwerkbildung) ermöglicht, signifikant reduziert. Das Protokoll dauert ca. 15-20 Minuten vom Start bis zur GUV-Sammlung und Bildgebung. Hier wird die GUV-Erzeugung mit der modifizierten cDICE-Methode zur Verkapselung von Aktin- und Aktin-bindenden Proteinen (ABPs) beschrieben. Die vorgestellte Technik ist jedoch anwendbar für die Verkapselung einer Vielzahl von biologischen Reaktionen und Membranwechselwirkungen, von der Montage von Biopolymeren über die zellfreie Proteinexpression bis hin zum auf Membranfusion basierenden Frachttransfer.

Protocol

1. Herstellung eines Öl-Lipid-Gemisches HINWEIS: Der Schritt muss in einem Abzug unter Einhaltung aller Sicherheitsrichtlinien für den Umgang mit Chloroform durchgeführt werden. Nehmen Sie 0,5 ml Chloroform in eine 15 ml Durchstechflasche aus Glas. 88 μL 25 mg/ml Dioleoyl-Phosphocholin (DOPC), 9,3 μL 50 mg/ml Cholesterin und 5 μL 1 mg/ml Dioleoyl-phosphoethanolamin-Lissamin-Rhodamin B (Rhodamin PE) (siehe Materialtabelle) in die 15-ml-Durchstec…

Representative Results

Um die erfolgreiche Erzeugung von zytoskelettalen GUVs unter Verwendung des aktuellen Protokolls zu demonstrieren, wurden Fascin-Aktin-Bündelstrukturen in GUVs rekonstituiert. Fascin ist ein kurzer Vernetzer von Aktinfilamenten, der steife parallel ausgerichtete Aktinbündel bildet und als Glutathion-S-Transferase (GST) Fusionsprotein26 aus E. coli gereinigt wird. Zunächst wurden 5 μM Aktin rekonstituiert, darunter 0,53 μM ATTO488-Aktin im Aktinpolymerisationspuffer und 7,5 % des Dich…

Discussion

Verschiedene Methoden zur Erzeugung von GUVs wurden für die Erzeugung synthetischer Zellen erforscht Die Komplexität der Verfahren, die verlängerte Zeit bis zur Verkapselung, die Einschränkung der Lipidtypen und die molekulare Zusammensetzung des Verkapselungsmittels, der Bedarf an nichtphysiologischen Chemikalien zur Erleichterung der Verkapselung, die geringe GUV-Ausbeute und die Inkonsistenzen bei der Verkapselungseffizienz haben die Forscher auf diesem Gebiet weiterhin herausgefordert. In Anbetracht der breiten P…

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