I detta manuskript demonstrerar vi de experimentella teknikerna för att kapsla in F-aktincytoskelettet i gigantiska unilamellära lipidblåsor (även kallade liposomer) och metoden för att bilda ett cortex-biohärmande F-aktinskikt vid liposommembranets inre broschyr.
Aktincytoskelettet, det huvudsakliga mekaniska maskineriet i cellen, förmedlar många väsentliga fysiska cellulära aktiviteter, inklusive celldeformation, delning, migration och vidhäftning. Att studera dynamiken och strukturen i aktinnätverket in vivo kompliceras dock av den biokemiska och genetiska regleringen i levande celler. För att bygga en minimal modell utan intracellulär biokemisk reglering är aktin inkapslat inuti gigantiska unilamellära vesiklar (GUVs, även kallade liposomer). De biomimetiska liposomerna är cellstora och underlättar en kvantitativ inblick i cytoskelettnätverkets mekaniska och dynamiska egenskaper, vilket öppnar en livskraftig väg för syntetisk biologi nedifrån och upp. För att generera liposomer för inkapsling används den inverterade emulsionsmetoden (även kallad emulsionsöverföringsmetoden), som är en av de mest framgångsrika teknikerna för att kapsla in komplexa lösningar i liposomer för att förbereda olika cellliknande system. Med denna metod tillsätts en blandning av proteiner av intresse till den inre bufferten, som senare emulgeras i en fosfolipidinnehållande mineraloljelösning för att bilda monolager lipiddroppar. De önskade liposomerna genereras från monolager lipiddroppar som passerar ett lipid / olje-vattengränssnitt. Denna metod möjliggör inkapsling av koncentrerade aktinpolymerer i liposomerna med önskade lipidkomponenter, vilket banar väg för in vitro-rekonstituering av ett biohärmande cytoskelettnätverk.
Aktincytoskelettet spelar en grundläggande roll för att konstruera cellens intracellulära arkitektur genom att samordna kontraktilitet på molekylär nivå och kraftgenerering 1,2,3. Som ett resultat förmedlar den många viktiga cellulära aktiviteter, inklusive celldeformation4,5, division6, migration 7,8 och vidhäftning9. In vitro-rekonstitueringen av aktinnätverk har fått enorm uppmärksamhet under de senaste åren 10,11,12,13,14,15,16,17. Målet med rekonstituering är att bygga en minimal modell av cellen utan den komplexa biokemiska reglering som finns i levande celler. Detta erbjuder en kontrollerbar miljö för att undersöka specifika intracellulära aktiviteter och underlättar identifiering och analys av olika komponenter i aktincytoskelettet18,19. Vidare ger inkapslingen av di vitro-aktinnätverk inuti fosfolipidjätte unilamellära vesiklar (GUVs, liposomer) ett begränsat men deformerbart utrymme med en halvgenomsläpplig gräns. Det efterliknar den fysiologiska och mekaniska mikromiljön hos aktinmaskineriet i cellen 9,20,21,22.
Bland olika metoder för att förbereda liposomer är lipidfilmhydratiseringsmetoden (även känd som svullnadsmetoden) en av de tidigaste teknikerna23. Den torra lipidfilmen hydratiseras med tillsats av buffertar och bildar membranösa bubblor som så småningom blir vesiklar24. För att producera större vesiklar med högre utbyte tillämpar en förbättrad metod som går vidare från filmhydratiseringsmetoden, känd som elektroformationsmetoden25, ett elektriskt växelströmsfält för att effektivt främja hydreringsprocessen26. De största begränsningarna med dessa hydratiseringsbaserade metoder för aktinkapsling är att den har låg inkapslingseffektivitet hos högkoncentrerade proteiner, och den är endast kompatibel med specifika lipidkompositioner24. Den inverterade emulsionstekniken har i jämförelse färre begränsningar för lipidkomponenter och proteinkoncentrationer20,27,28,29. I denna metod tillsätts en blandning av proteiner för inkapsling till den inre vattenhaltiga bufferten, som senare emulgeras i en lipidinnehållande mineraloljelösning och bildar lipid-monolagerdroppar. Monolayer lipiddropparna passerar sedan genom ett annat lipid / olje-vattengränssnitt genom centrifugering för att bilda dubbelskiktiga lipidblåsor (liposomer). Denna teknik har visat sig vara en av de mest framgångsrika strategierna för aktinkapsling24,30. Separat finns det några mikrofluidiska anordningsmetoder, inklusive pulserad jetting 31,32, övergående membranutkastning33 och cDICE-metoden34. Likheterna mellan den inverterade emulsionsmetoden och den mikrofluidiska metoden är lipidlösningsmedlet (olja) som används och införandet av lipid / olje-vattengränssnitt för bildandet av liposomernas yttre bipacksedel. Däremot kräver genereringen av liposomer med den mikrofluidiska metoden en uppsättning mikrofluidiska anordningar och åtföljs av olja som fångas mellan de två broschyrerna i dubbelskiktet, vilket kräver ett extra steg för oljeavlägsnande35.
I detta manuskript använde vi den inverterade emulsionstekniken för att förbereda liposomer som inkapslar ett polymeriserat F-aktinnätverk som tidigare använts22. Proteinblandningen för inkapsling placerades först i en buffert med icke-polymeriserande betingelser för att bibehålla aktin i sin globulära (G) form. Hela processen utfördes vid 4 °C för att förhindra tidig aktinpolymerisation, som senare utlöstes genom att låta provet värmas till rumstemperatur. En gång vid rumstemperatur polymeriseras aktinet till sin trådformiga (F). En mängd olika aktinbindande proteiner kan tillsättas till den inre vattenhaltiga buffertlösningen för att studera proteinfunktioner och egenskaper, vilket ytterligare ger insikter om dess interaktion med aktinnätverket och membranytan. Denna metod kan också tillämpas på inkapsling av olika proteiner av intresse36 och stora föremål (mikropartiklar, självgående mikroswimmers, etc.) nära storleken på de slutliga liposomerna 28,37.
Flera viktiga steg avgör framgången för ett högt utbyte av liposomer under beredningsprocessen. För att helt lösa upp lipidfilmen i oljan måste provet sonikeras tills lipidfilmen i botten av glasflaskan försvinner helt. Efter ultraljudsbehandling, lipid-olja blandningen måste lagras över natten vid rumstemperatur under mörka förhållanden för lipidmolekylerna att sprida ytterligare29. Blandningen kan förvaras vid 4 °C i upp till en vecka. Vid beredning av en FB/oljeemulsion med lipi…
The authors have nothing to disclose.
Vi erkänner finansiering av ARO MURI W911NF-14-1-0403 till M.P.M., National Institutes of Health (NIH) R01 1R01GM126256 till M.P.M., National Institutes of Health (NIH) U54 CA209992, NIH RO1 GM126256, NIH U54 CA209992, University of Michigan / Genentech, SUBK00016255 och Human Frontiers Science Program (HFSP) bidragsnummer RGY0073/2018 till M.P.M. Alla åsikter, resultat, slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är författarnas och återspeglar inte nödvändigtvis ARO: s, NIH: s eller HFSP: s åsikter. S.C. erkänner givande diskussioner med V. Yadav, C. Muresan och S. Amiri.
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-{[n(5-amino-1-carboxypentyl)iminodiacetic acid]succinyl} nickel salt (DOGS-NTA-Ni) | Avanti Polar Lipids Inc. | 231615773 | Nickel Lipid |
1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane | Sigma | D27802-25G | DABCO |
Actin protein (>99% pure): rabbit skeletal muscle | Cytoskeleton, Inc | AKL99-D | non-fluorescent G-actin |
Actin protein (rhodamine): rabbit skeletal muscle | Cytoskeleton, Inc | AR05 | fluorescently labeled actin |
Adenosine 5′-triphosphate disodium salt hydrate | Sigma | A2383-10G | ATP |
Alexa Fluor 647 dye | ThermoFisher | fluorescent dye | |
Andor iQ3 | Andor Technologies | control and acquisition software for confocal microscope | |
Arp2/3 Protein Complex: Porcine Brain | Cytoskeleton, Inc | RP01P-A | Arp 2/3 |
Calcium chloride dihydrate | Sigma | 10035048 | CaCl2 |
Chamlide Chambers (4-well for 12 mm round coverslip) | Quorum Technologies | incubation chamber | |
Cofilin protein: human recombinant | Cytoskeleton, Inc | CF01-C | cofilin |
Confocal Microscope (63× oil-immersion objective) | Andor Technologies | LEICA DMi8 | |
D-(+)-GLUCOSE BIOXTRA | Sigma | G7528 | glucose |
Dithiothreitol | DOT Scientific | DSD11000-10 | DTT |
Gelsolin Protein: Homo Sapiens Recombinant | Cytoskeleton, Inc | HPG6 | gelsolin |
Hamilton 1750 Gastight Syringe, 500 µL, cemented needle, 22 G, 2" conical tip | Cole-Parmer | UX-07940-53 | glass syringe |
HEPES | AmericanBio | 7365-45-9 | |
ImageJ/Fiji | https://imagej.net/tutorials/ | ||
L-alpha-Phosphatidylcholine | Avanti Polar Lipids Inc. | 97281442 | EPC |
Magnesium chloride | Sigma | 7786303 | MgCl2 |
Mineral oil, BioReagent, for molecular biology, light oil | Sigma | 8042475 | mineral oil |
N-WASP fragment WWA (aa400–501, VCA-His) | VCA-His is purified using lab protocol. The protocol can be provided upon reasonable requests | ||
Oregon Green 488 1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine (Oregon Green 488 DHPE) | Thermo Fisher | O12650 | DHPE |
Potassium chloride | Sigma | 7447407 | KCl |
Sucrose | Sigma | 57-50-1 | sucrose |
β-Casein from bovine milk | Sigma | C6905-250MG |