스퀴지 기반의 조립 방법과 생체막 마이크로 어레이의 형성
Summary
지원되는 지질 이중층과 천연 막 입자는 세포막의 특성을 근사 할 수 있고 분석 다양한 전략에 통합 될 편리한 시스템이다. 여기에서 우리는 지원 지질 이중층 코팅 된 SiO2로 비즈, 인지질 막 소포 또는 천연 입자로 구성된 마이크로 어레이를 제조하는 방법을 보여준다.
Abstract
지질 이중층 막은 세포의 원형질막을 형성 및 세포 내 소기관의 경계를 정의한다. 자연 속에서, 이러한 세포막은 지질의 많은 종류의 이종 혼합물이다 막 결합 단백질을 포함하고 탄수화물로 장식되어 있습니다. 일부 실험에서, 천연 막과는 지질 이중층의 생물 리 학적 또는 생화학 적 성질을 분리하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에는 거 소포, 리포좀 또는지지 지질 이중층 (SLB 수)와 같은 모델 시스템의 사용을 요구한다. SLB 수의 배열은 응용 프로그램을 감지하고 세포 – 세포 상호 작용을 모방 특히 매력적이다. 여기에서 우리는 SLB 배열을 형성하는 새로운 방법을 설명합니다. 서브 마이크론 직경의 SiO2 구슬 먼저 구형 SLB 수 (SSLBs)를 형성하는 지질 이중 막으로 코팅되어 있습니다. 비즈는 다음의 마이크로 제조 서브 마이크론 직경의 마이크로 웰의 배열로 입금됩니다. 갈려하면서 제조 기술은, 기판 표면을 청소하기 위해 "스퀴즈"를 사용마이크로 웰에 정착 SSLBs 뒤에 g. 이 방법은 마이크로 웰 기판의 화학적 인 수정이나 SSLB에 특정 표적 리간드가 필요하지 않습니다. 잘 직경이 비드 직경보다 그냥 크게 조정되어 있기 때문에 마이크로 웰은 작은 구슬에 의해 점유되어 있습니다. 나머지는 비어있을 동안 일반적으로 우물의 더 많은 최대 75 %를 점유하고 있습니다. 버퍼 SSLB 어레이보다 일주의 장기 안정성을 표시. 우리는 강글 리오 시드 GM1와 콜레라 독소의 상호 작용을 특성화하여 보여 이는 SSLBs 여러 종류의 시리얼 증착에 의해 하나의 어레이에 배치 될 수 있으며, 어레이는 감지를 위해 사용될 수있다. 우리는 또한 셀룰러 소스로부터 비드 지지체 및 생체막없이 인지질 소체는 동일한 방법으로 배열 될 수 있고, 셀 고유 막 지질은 식별 될 수 있음을 보여준다.
Introduction
지질 이중층 막 자연에 필수적인 구조입니다. 셀룰러 원형질막 및 소기관 막은 생활에 필요한 분자의 수를 반영 지질 이중층으로 구성되어있다. 많은 생명 유지 과정은 세포의 표면에 발생하거나 지질 이중층의 세포막과 관련된 분자에 의해 매개된다. 사실, 많은 제약 대상 프로세스 또는 분자는 1,2 또는 세포막에서 발견된다. 그것은 해석 등의 막 표면에 발생하는 화학 반응 또는 비공유 결합 이벤트와 같은 프로세스를 조사 할 필요가있다. 천연 막은 센서 분리 및 / 또는 인터페이스하기 어려울 수 있기 때문에, 많은 연구자들은 분석적 연구를 수행하기 위해 단순화 된 모델 막을 이용한다. 모델 멤브레인 시스템의 수는 나노 크기 3,4와 리포좀 직경 미크론의 수백 수만 할 수 있습니다 거대한 소포에 이르기까지 문헌에 설명되어 있습니다. Alternatively, 고체 지지체 상에 증착 평면 지질 이중층, 즉, 지질 이중층 (SLB 수)이 다른면의 개수에 형성 될 수 있고, 광범위하게, 생물 리 학적 생화학 및 분석 애플리케이션 (5)에 사용 된 지원. 전기 또는 광학 재료와 SLB 수 커플 링은 서로 다른 분석 기술의 사용을 통해 막 생화학 및 생물 물리학의 조사를 가능하게한다. 형광 현미경 (6), 전기 화학 7, 광학 분광 8, 주사 탐침 현미경 9, 표면 플라즈몬 공명 (10)와 질량 분석기 (11)는 모든 SLB 수의 구조와 특성을 연구하기 위해 사용되어왔다.
SLB 배열은 다중 분석 (12, 13)에 대한 센서의 설계에 추가 기능성을 제공합니다. 다른 응용 프로그램은 면역 세포 (14) 사이에 형성하는 접합을 모방하는 SLB 배열을 사용합니다. SLB 배열을위한 준비 방법은 microflu에서 변화 한IDIC 인접 SLB 패치 사이의 물리적 장벽을 사용하는 사람들에게 (15)에 접근한다. 16 다른 그룹은 인쇄 방법 17을 사용하고, 광 화학적 패턴 (18) 및 다양한 나노 공학은 SLB의 배열을 만들 수 (19)에 접근한다.
이 논문 및 첨부 된 영상에서 우리는 마이크로 웰 (20)의 정렬 된 어레이로 SLB-SiO2로 코팅 된 비드를 증착함으로써 SLB 어레이를 형성하는 방법을 보여준다. 우리는 구형 지원 지질 이중층 (SSLBs)로 SLB-코팅 그런가 2 구슬을 참조하십시오. 이 기술은 우리는 또한 예를 들어 결과를 보여되는 천연 자원 21에서 파생 된 인지질 소포 및 생체막의 배열을 생성 이전 작업의 연장이다. 생체막 입자 또는 소포를으로 배열하는 다른 방법은 소포 표면에 포함 된 보완 리간드와 연관 표면에 특정 표적 리간드의 패턴에 의존하고있다. 예 비오틴을 포함아비딘 협회 22,23 및 DNA 혼성화 기법 24. 우리의 접근 방식은 필요없는 타겟팅 또는 인식 부분과 마이크로 웰 어레이를 필요로합니다. SSLBs의 크기는 낮은 폴리 분산도가 그런가 2 비드 지원의 직경에 의해 정의된다. SSLB 직경보다 더 큰 단지에 마이크로 웰 지름을 조정함으로써, 단일 SSLB 각 마이크로 웰 나오기. 폴리 (디메틸 실록산) (PDMS) 고무 롤러는 표면에서 마이크로 웰에 고정되지 않은 모든 SSLBs을 제거합니다. 마이크로 웰과 결과 SSLB 배열은 3 ㎛의 중심 간 간격과 육각형의주기와 높은 밀도 (~ 10 5 SSLBs / ㎟)가있다. 직렬 다른 지질 조성물로 SSLBs을 증착함으로써, 임의로 배치 SSLBs 가진 다 성분 배열을 생성 할 수있다. SSLB 배열의 감지 기능을 설명하기 위해, 우리는 SSLBs에 통합 강글리오사이드 (GM1)와 콜레라 독소 (CTx가)의 상호 작용을 사용했다. 와천연 막 입자, 우리는 두 가지 종류의 세포로부터 멤브레인 재료를 함유하는 다 성분 어레이 셀 고유 지질을 검출 할 수 있었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 연구에서 우리는지지 지질 이중층 코팅 단 분산의 SiO2 비즈 지질 이중층 또는 기판 표면 상에 리간드를 표적에 대한 필요없이 마이크로 웰 어레이로 배열 될 수 있으며, 배열이 독소 – 지질 상호 작용을 특성화에 사용될 수 있음을 보여준다. CTx/GM1 바인딩에 대해 계산 된 해리 상수 우리에 의하여 이전의보고와, 문헌 값의 폭 격차 관련, 바람직 비교 윈터 등. 지질 – 코팅 된 비드의…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 건강의 국립 연구소 (R01 GM092993)에서 SHO 보조금에 의해 지원되었다, 국립 과학 재단 (NSF 경력 수상 및 DBI 0,964,216), 해군 연구 국 (ONR) 젊은 탐정 프로그램 및 생명 공학에 대한 미네소타 파트너십 수상 의학 유전체학. 장치 제조는 국가 나노 기술 인프라 네트워크를 통해 NSF에서 지원을받는 미네소타 대학의 Nanofabrication이 센터 (NFC)에서 수행 하였다. 이 작품은 건강 (NS048357, R21 NS073684), 국립 다중 경화증 학회 (CA1060A11), 알파 밤, 힐튼, 피터슨과 샌포드 기초 및 McNeilus 가족의 국립 연구소에서 MR 보조금에 의해 지원되었다. 저자는 주사 전자 현미경에 대한 지원은 그림과 Shailabh 쿠마에 대한 지원은 Hyungsoon 임 감사드립니다.
Materials
| 4-inch silicon wafers | University Wafer | 425 | |
| Shipley MEGAPOSIT SPR955-CM 0.7 photoresist | MicroChem | SPR955-CM | |
| Shipley MICROPOSIT CD-26 developer | MicroChem | CD-26 | |
| i-line stepper | Canon | 2500 i3 stepper | |
| Vision 320 reactive ion etcher | Advanced Vacuum | Vision 320 RIE | |
| Deep trench reactive ion etcher | Plasma Therm | SLR-770 | |
| Atomic layer depostion system | Cambridge NanoTech | Savannah | |
| Dow Corning Sylgard 184 poly(dimethylsiloxane) kit | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | |
| egg phosphatidylcholine | Avanti Polar Lipids | 840051C | |
| 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(lissamine rhodamine B sulfonyl) ammonium salt | Avanti Polar Lipids | 810158C | |
| monosialoganglioside GM1 | Avanti Polar Lipids | 860065P | |
| Silica beads | Bangs Laboratories | SS03N/4666 | Packaging on the bead container states the beads are 900 nm in diameter. However, after light-scattering and electron microscopy we determined the beads are roughly 700 nm in diameter. |
| Cholera toxin B-subunit, Alexa 488 conjugate | Molecular Probes | C-34775 | |
| Anti-oligodentrocyte antibody IgM O4, NorthernLights 557 conjugate | R&D Systems | NL1326R | |
| FM1-43 | Molecular Probes | T-3136 | |
| Eppendorf MiniSpin centrifuge | Fisher Scientific | 05-401-09 |
References
- Drews, J. Drug discovery: A Historical Perspective. Science. 287 (5460), 1960-1964 (1126).
- Cooper, M. A. Advances in Membrane Receptor Screening and Analysis. J. Mol. Recognit. 17 (4), 286-315 (2004).
- Voskuhl, J., Ravoo, B. J. Molecular Recognition of Bilayer Besicles. Chem. Soc. Rev. 38 (2), 495-505 (2009).
- Walde, P., Cosentino, K., Engel, H., Stano, P. Giant Vesicles: Preparations and Applications. Chembiochem. 11 (7), 848-865 (1002).
- Castellana, E. T., Cremer, P. S. Solid Supported Lipid Bilayers: From Biophysical Studies to Sensor Design. Surf. Sci. Rep. 61 (10), 429-444 (2006).
- Johnson, J. M., Ha, T., Chu, S., Boxer, S. G. Early Steps of Supported Bilayer Formation Probed by Single Vesicle Fluorescence Assays. Biophys. J. 83 (6), 3371-3379 (2002).
- Krysinski, P., Zebrowska, A., Michota, A., Bukowska, J., Becucci, L., Moncelli, M. R. Tethered Mono- and Bilayer Lipid Membranes on Au and Hg. Langmuir. 17 (13), 3852-3857 (2001).
- Li, L., Wang, H. F., Cheng, J. X. Quantitative Coherent anti-Stokes Raman Scattering Imaging of Lipid Distribution in Coexisting Domains. Biophys. J. 89 (5), 3480-3490 (2005).
- Richter, R. P., Brisson, A. R. Following the Formation of Supported Lipid Bilayers on Mica: A Study Combining AFM, QCM-D, and Ellipsometry. Biophys. J. 88 (5), 3422-3433 (2005).
- Dahlin, A., Zäch, M., Rindzevicius, T., Käll, M., Sutherland, D. S., Höök, F. Localized Surface Plasmon Resonance Sensing of Lipid-Membrane-Mediated Biorecognition Events. J. Am. Chem. Soc. 127 (14), 5043-5048 (2005).
- Kraft, M. L., Weber, P. K., Longo, M. L., Hutcheon, I. D., Boxer, S. G. Phase Separation of Lipid Membranes Analyzed with High-Resolution Secondary Ion Mass Spectrometry. Science. 313 (5795), 1948-1951 (2006).
- Groves, J. T., Boxer, S. G. Micropattern Formation in Supported Lipid Membranes. Acc. Chem. Res. 35 (3), 149-157 (2002).
- Bally, M., Bailey, K., Sugihara, K., Grieshaber, D., Vörös, J., Stadler, B. Liposome and Lipid Bilayer Arrays Towards Biosensing Applications. Small. 6 (22), 2481-2497 (2010).
- Groves, J. T., Dustin, M. L. Supported Planar Bilayers in Studies on Immune Cell Adhesion and Communication. J. Immunol. Methods. 278 (1-2), 19-32 .
- Yang, T. L., Jung, S. Y., Mao, H. B., Cremer, P. S. Fabrication of Phospholipid Bilayer-Coated Microchannels for On-Chip Immunoassays. Anal. Chem. 73 (2), 165-169 (2001).
- Groves, J. T., Ulman, N., Boxer, S. G. Micropatterning Fluid Lipid Bilayers on Solid Supports. Science. 275 (5300), 651-653 (1997).
- Hovis, J. S., Boxer, S. G. Patterning and Composition Arrays of Supported Lipid Bilayers by Microcontact Printing. Langmuir. 17 (11), 3400-3405 (2001).
- Yee, C. K., Amweg, M. L., Parikh, A. N. Direct Photochemical Patterning and Refunctionalization of Supported Phospholipid Bilayers. J. Am. Chem. Soc. 126 (43), 13962-13972 (2004).
- Kelly, C. V., Craighead, H. G. Nanofabrication for the Analysis and Manipulation of Membranes. Ann. Biomed. Eng. 40 (6), 1356-1366 (2012).
- Wittenberg, N. J., Johnson, T. W., Oh, S. H. High-Density Arrays of Submicron Spherical Supported Lipid Bilayers. Anal. Chem. 84 (19), 8207-8213 (2012).
- Wittenberg, N. J., et al. Facile Assembly of Micro- and Nanoarrays for Sensing with Natural Cell Membranes. ACS Nano. 5 (9), 7555-7564 (2011).
- Stamou, D., Duschl, C., Delamarche, E., Vogel, H. Self-Assembled Microarrays of Attoliter Molecular Vessels. Angew. Chem. Int. Ed. 42 (45), 5580-5583 (2003).
- Kalyankar, N. D., et al. Arraying of Intact Liposomes into Chemically Functionalized Microwells. Langmuir. 22 (12), 5403-5411 (2006).
- Dahlin, A. B., Jonsson, M. P., Höök, F. Specific Self-Assembly of Single Lipid Vesicles in Nanoplasmonic Apertures in Gold. Adv. Mater. 20 (8), 1436-1442 (2008).
- Nair, P. M., Salaita, K., Petit, R. S., Groves, J. T. Using Patterned Supported Lipid Membranes to Investigate the Role of Receptor Organization in Intercellular Signaling. Nat. Protoc. 6 (4), 523-539 (2011).
- Kuziemko, G. M., Stroh, M., Stevens, R. C. Cholera Toxin Binding Affinity and Specificity for Gangliosides Determined by Surface Plasmon Resonance. 생화학. 35 (20), 6375-6384 (1996).
- Moran-Mirabal, J. M., Edel, J. B., Meyer, G. D., Throckmorton, D., Singh, A. K., Craighead, H. G. Micrometer-Sized Supported Lipid Bilayer Arrays for Bacterial Toxin Binding Studies Through Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy. Biophys. J. 89 (1), 296-305 (2005).
- Shi, J. J., Yang, T. L., Kataoka, S., Zhang, Y. J., Diaz, A. J., Cremer, P. S. GM1 Clustering Inhibits Cholera Toxin Binding in Supported Phospholipid Membranes. J. Am. Chem. Soc. 129 (18), 5954-5961 (2007).
- Gill, D. M. The Arrangement of Subunits in Cholera Toxin. 생화학. 15 (6), 1242-1248 (1021).
- Weng, K. C., Kanter, J. L., Robinson, W. H., Frank, C. W. Fluid Supported Lipid Bilayers Containing Monosialoganglioside GM1: A QCM-D and FRAP study. Colloid Surface B. 50 (1), 76-84 (1016).
- Walt, D. R. Fibre Optic Microarrays. Chem. Soc. Rev. 39 (1), 38-50 (2010).
- Bake, K. D., Walt, D. R. Multiplexed Spectroscopic Detections. Annu. Rev. Anal. Chem. 1 (1), 515-547 (2008).
- Kundu, J., Levin, C. S., Halas, N. J. Real-Time Monitoring of Lipid Transfer Between Vesicles and Hybrid Bilayers on Au Nanoshells Using Surface Enhanced Raman Scattering (SERS). Nanoscale. 1 (1), 114-117 (2009).
- Junesch, J., Sannomiya, T., Dahlin, A. B. Optical Properties of Nanohole Arrays in Metal-Dielectric Double Films Prepared by Mask-on-Metal Colloidal Lithography. ACS Nano. 6 (11), 10405-10415 (2012).
- Wu, M., Holowka, D., Craighead, H. G., Baird, B. Visualization of Plasma Membrane Compartmentalization with Patterned Lipid Bilayers. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101 (38), 13798-13803 (2004).
- Hatzakis, N. S., Bhatia, V. K., Larsen, J., Madsen, K. L., Bolinger, P. Y., Kunding, A. H., Castillo, J., Gether, U., Hedegard, P., Stamou, D. How Curved Membranes Recruit Amphipathic Helices and Protein Anchoring Motifs. Nat. Chem. Biol. 5 (11), 835-841 (2009).
- Roizard, S., Danelon, C., Hassaine, G., Piguett, J., Schulze, K., Hovius, R., Tampe, R., Vogel, H. Activation of G-Protein-Coupled Receptors in Cell-Derived Plasma Membranes Supported on Porous Beads. J. Am. Chem. Soc. 133 (42), 16868-16874 (2011).
