في الموقع توصيف المطفأ البروتينات في المياه التي SALVI وTOF-سيمز
Summary
يعرض هذا العمل على بروتوكول للتعامل مع السائل وعينة مقدمة لمتناهية لفي الموقع أيون الثانوية تحليل الطيف الكتلي الوقت من الطيران من الجزيئات الحيوية البروتين في محلول مائي.
Abstract
يوضح هذا العمل في توصيف الموقع من الجزيئات الحيوية البروتين في محلول مائي باستخدام نظام تحليل في واجهة فراغ السائل (SALVI) والوقت من الطيران أيون الثانوية الطيف الكتلي (TOF-سيمز). وقد ثبتوا الفيلم البروتين فبرونيكتين على غشاء نيتريد السيليكون (الخطيئة) التي تشكل منطقة الكشف SALVI. خلال تحليل TOF-سيمز، وأجريت ثلاث طرق التحليل المكاني بما في ذلك ارتفاع مطياف الكتلة قرار، ثنائي الأبعاد (2D) التصوير، والتنميط العمق. تم الحصول على أطياف واسعة في كل من وسائط الإيجابية والسلبية. تم تحليل الماء منزوع الأيونات أيضا عينة مرجعية. نتائجنا تظهر أن الفيلم فبرونيكتين في الماء له قمم مجموعة المياه أكثر وضوحا وأقوى مقارنة الماء وحده. قمم مميزة من شظايا الحمض الأميني أيضا يمكن ملاحظتها في البروتين رطب TOF-سيمز الأطياف. وتوضح هذه النتائج أن جزيء البروتين الامتزاز على سطح يمكن دراسة dynamicaLLY باستخدام SALVI وTOF-سيمز في البيئة السائلة للمرة الأولى.
Introduction
الماء ضروري لبنية، 1 التشكل و 2 و 3 النشاط البيولوجي للبروتينات. أن البروتينات دون جزيئات الماء المحيطة بهم ليس لديها أنشطة بيولوجية قابلة للحياة. على وجه التحديد، جزيئات الماء تتفاعل مع السطح والهيكل الداخلي للبروتينات، والدول ترطيب مختلفة من البروتينات جعل هذه التفاعلات متميزة. 4 تفاعل البروتينات مع الأسطح الصلبة ظاهرة الأساسية مع الآثار المترتبة في تكنولوجيا النانو، والمواد الحيوية وعمليات هندسة الأنسجة. وقد أشارت دراسات طويلة قد تحدث تغييرات بتكوين كما واجه بروتين السطح. تم تصوره TOF-سيمز كتقنية أن لديه القدرة على دراسة واجهة البروتين الصلبة 5-7 ومن المهم أن نفهم الماء من البروتينات على الأسطح الصلبة، التي يحتمل أن تقدم فهما أساسيا لآلية هيكلها، التشكل، والبيولوجيةالنشاط الله.
ومع ذلك، سطح كبير التقنيات التحليلية هي في معظمها قائم على فراغ والتطبيقات المباشرة للدراسات السائلة المتطايرة من الصعب بسبب التبخر السريع للسيولة متقلبة في ظل بيئة فراغ. قمنا بتطوير فراغ المتوافقة مع واجهة الموائع الدقيقة، نظام تحليل في واجهة السائل فراغ (SALVI)، لتمكين الملاحظة المباشرة للأسطح السائلة والتفاعلات السائل الصلبة استخدام الوقت من الطيران أيون الثانوية الطيف الكتلي (TOF-سيمز). 8- وتشمل 11 والجوانب الفريدة ما يلي: 1) نافذة الكشف فتحة من 2-3 ميكرون في القطر مما يسمح التصوير المباشر من سطح السائل، 2) يستخدم التوتر السطحي لعقد السائل داخل الفتحة، و3) SALVI هو المحمولة بين منصات تحليلية متعددة. 11،12
يتكون SALVI من غشاء نيتريد السيليكون (الخطيئة) كما في منطقة الكشف ومتناهية مصنوعة من (PDMS) ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان. ومن FABRوقد وردت تفاصيل icated في غرفة نظيفة، وتصنيع وتصميم مفتاح العوامل في الأوراق وبراءات الاختراع السابقة. 8-12 وقد أظهر تطبيقات TOF-سيمز كأداة تحليلية باستخدام مجموعة متنوعة من المحاليل المائية ومخاليط سائلة معقدة، بعض الذي تضمن النانوية. 13-17 على وجه التحديد، SALVI السائل TOF-سيمز يسمح ديناميكية تحقق من واجهة السائل الصلبة من الأنظمة الحية البيولوجية (أي الأغشية الحيوية)، والخلايا واحدة، واجهة الصلبة المنحل بالكهرباء، وفتح فرص جديدة للفي مرحلة الوضع الطبيعي المكثف الدراسات بما في ذلك السوائل باستخدام TOF-سيمز. ومع ذلك، فإن التصميم الحالي لا يسمح تفاعلات الغاز السائل حتى الان. هذا هو اتجاه التنمية المستقبلية. وقد استخدم SALVI لدراسة السينما البروتين رطب في هذا العمل للمرة الأولى.
الفيبرونكتين هو ديمر بروتين يستخدم عادة، تتكون من اثنين من أحادية متطابقة تقريبا مرتبطة بواسطة زوج من السندات ثاني كبريتيد، 18 التي طق معروفة لقدرته على ربط الخلايا. 19،20 وتم اختيارها من كنظام نموذج لتوضيح أن الفيلم البروتين رطب يمكن حيوي سبر باستخدام السائل SALVI TOF-سيمز النهج. وقدم الحل البروتين في متناهية. بعد تفرخ لمدة 12 ساعة، وهو فيلم البروتين رطب تشكلت على الجانب الخلفي من غشاء الخطيئة. وقد استخدم منزوع الأيونات الماء (DI) لشطف القناة بعد البروتين المقدمة. تم جمع المعلومات من جزيئات البروتين فبرونيكتين المائية في متناهية SALVI باستخدام ديناميكية TOF-سيمز. ودرس DI المياه أيضا كعنصر تحكم للمقارنة مع النتائج التي تم الحصول عليها من رطب رقيقة فبرونيكتين. وقد لوحظت اختلافات واضحة بين الفيلم البروتين المائية والمياه DI. يوضح هذا العمل الذي امتصاص البروتين على سطح في البيئة السائلة يمكن دراستها باستخدام SALVI الرواية والنهج TOF-سيمز السائل. ويهدف البروتوكول الفيديو لتوفير التوجيه الفني بالنسبة للأشخاص الذين يهتمونفي الاستفادة من هذه الأداة التحليلية جديدة لتطبيقات متنوعة من SALVI مع TOF-سيمز والحد من الأخطاء غير الضرورية في التعامل مع السائل وكذلك الحصول على البيانات TOF-سيمز والتحليل.
Protocol
Representative Results
Discussion
SALVI هو واجهة ميكروفلويديك الذي يسمح سطح السائل الحيوي وتحليل واجهة السائل الصلبة الصكوك الفراغ القائم، مثل TOF-سيمز والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). ويرجع ذلك إلى استخدام فتحات صغيرة لفضح السائل مباشرة في فراغ، SALVI مناسبة للكثير من التحليل الطيفي والتصوير تقنيات جيدة ا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We are grateful to the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Chemical Imaging Initiative-Laboratory Directed Research and Development (CII-LDRD) and Materials Synthesis and Simulation across Scales (MS3) Initiative LDRD fund for support. Instrumental access was provided through a W. R. Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) Science Themed Proposal. EMSL is a national scientific user facility sponsored by the Office of Biological and Environmental Research (BER) at PNNL. The authors thank Mr. Xiao Sui, Mr. Yuanzhao Ding, and Ms. Juan Yao for proof reading the manuscript and providing useful feedback. PNNL is operated by Battelle for the DOE under Contract DE-AC05-76RL01830.
Materials
| ToF-SIMS | IONTOF | TOF.SIMS 5 | Resolution: > 10,000 m/Δm for mass resolution; > 4,000 m/Δm for high spatial resolution |
| System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) | Pacific Northwest National Laboratory | N/A | SALVI is a unique, self-contained, portable analytical tool that, for the first time, enables vacuum-based scientific instruments such as time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) to analyze liquid surfaces in their natural state at the molecular level. |
| PEEK Union | Valco | ZU1TPK | for connecting the inlet and outlet of SALVI |
| 5 Axes Sample Stage | IONTOF | N/A | Stage is self-made for mounting SALVI in ToF-SIMS |
| Barnstead Nanopure Water Purification System | Thermo Fisher Scientific | D11921 | ROpure LP Reverse Osmosis filtration module (D2716) |
| Syringe | BD | 309659 | 1 mL |
| Pipette | Thermo Fisher Scientific | 21-377-821 | Range: 100 to 1000 mL |
| Pipette Tip | Neptune | 2112.96.BS | 1000 µL |
| Centrifuge Tube | Corning | 430791 | 15 mL |
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141 | 1 mg/mL |
| Ethanol | Thermo Fisher Scientific | S25310A | 95% Denatured |
| Gibco PBS | Thermo Fisher Scientific | 10010-023 | pH 7.4 |
References
- Tompa, K., Bokor, M., Verebelyi, T., Tompa, P. Water rotation barriers on protein molecular surfaces. Chem. Phys. 448, 15-25 (2015).
- Maruyama, Y., Harano, Y. Does water drive protein folding?. Chem. Phys. Lett. 581, 85-90 (2013).
- Chaplin, M. Opinion – Do we underestimate the importance of water in cell biology. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7 (11), 861-866 (2006).
- Zhang, L., et al. Mapping hydration dynamics around a protein surface. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104 (47), 18461-18466 (2007).
- Xia, N., May, C. J., McArthur, S. L., Castner, D. G. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry analysis of conformational changes in adsorbed protein films. Langmuir. 18 (10), 4090-4097 (2002).
- Gray, J. J. The interaction of proteins with solid surfaces. Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (1), 110-115 (2004).
- Wagner, M. S., Horbett, T. A., Castner, D. G. Characterization of the structure of binary and ternary adsorbed protein films using electron spectroscopy for chemical analysis, time-of-flight secondary ion mass spectrometry, and radiolabeling. Langmuir. 19 (5), 1708-1715 (2003).
- Yang, L., Yu, X. -. Y., Zhu, Z., Iedema, M. J., Cowin, J. P. Probing liquid surfaces under vacuum using SEM and and ToF-SIMS. Lab Chip. 11 (15), 2481-2484 (2011).
- Yang, L., Yu, X. -. Y., Zhu, Z. H., Thevuthasan, T., Cowin, J. P. Making a hybrid microfluidic platform compatible for in situ imaging by vacuum-based techniques. J. Vac. Sci. Technol. A. 29 (6), 061101 (2011).
- Yu, X. -. Y., Yang, L., Zhu, Z. H., Cowin, J. P., Iedema, M. J. Probing aqueous surfaces by ToF-SIMS. LC GC N. Am. (Oct), 34-38 (2011).
- Yu, X. -. Y., Yang, L., Cowin, J., Iedema, M., Zhu, Z. Systems and methods for analyzing liquids under vacuum. US patent. , (2013).
- Yu, X. -. Y., Liu, B., Yang, L., Zhu, Z., Marshall, M. J. Microfluidic electrochemical device and process for chemical imaging and electrochemical analysis at the electrode-liquid interface in situ. US patent. , (2014).
- Yang, L., Zhu, Z., Yu, X. -. Y., Thevuthasan, S., Cowin, J. P. Performance of a microfluidic device for in situ ToF-SIMS analysis of selected organic molecules at aqueous surfaces. Anal. Methods. 5 (10), 2515-2522 (2013).
- Yang, L., et al. In situ SEM and ToF-SIMS analysis of IgG conjugated gold nanoparticles at aqueous surfaces. Surf. Interface Anal. 46 (4), 224-228 (2014).
- Hua, X., et al. In situ molecular imaging of hydrated biofilm in a microfluidic reactor by ToF-SIMS. Analyst. 139 (7), 1609-1613 (2014).
- Hua, X., et al. Two-dimensional and three-dimensional dynamic imaging of live biofilms in a microchannel by time-of-flight secondary ion mass spectrometry. Biomicrofluidics. 9 (3), 031101 (2015).
- Liu, B., et al. In situ chemical probing of the electrode-electrolyte interface by ToF-SIMS. Lab Chip. 14 (5), 855-859 (2014).
- Pankov, R., Yamada, K. M. Fibronectin at a glance. J. Cell Sci. 115 (20), 3861-3863 (2002).
- Pierschbacher, M. D., Hayman, E. G., Ruoslahti, E. Location of the cell-attachment site in fibronectin with monoclonal antibodies and proteolytic fragments of the molecule. Cell. 26 (2), 259-267 (1981).
- Engvall, E., Ruoslahti, E. Binding of soluble form of fibroblast surface protein, fibronectin, to collagen. Int. J. Cancer. 20 (1), 1-5 (1977).
- Green, F. M., Gilmore, I. S., Seah, M. P. TOF-SIMS: Accurate mass scale calibration. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 17 (4), 514-523 (2006).
- Yu, X. -. Y., Liu, B., Yang, L. Imaging liquids using microfluidic cells. Microfluid. Nanofluid. 15 (6), 725-744 (2013).
- Shi, H., Lercher, J. A., Yu, X. -. Y. Sailing into uncharted waters: recent advances in the in situ monitoring of catalytic processes in aqueous environments. Catal. Sci. Technol. 5 (6), 3035-3060 (2015).
- Deleu, M., Crowet, J. M., Nasir, M. N., Lins, L. Complementary biophysical tools to investigate lipid specificity in the interaction between bioactive molecules and the plasma membrane: A review. Biochim. Biophys. Acta-Biomembr. 1838 (12), 3171-3190 (2014).
- Kraft, M. L., Klitzing, H. A. Imaging lipids with secondary ion mass spectrometry. Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell Biol. Lipids. 1841 (8), 1108-1119 (2014).
- Gilmore, I. S. SIMS of organics-Advances in 2D and 3D imaging and future outlook. J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (5), 050819 (2013).
- Muramoto, S., et al. ToF-SIMS Analysis of Adsorbed Proteins: Principal Component Analysis of the Primary Ion Species Effect on the Protein Fragmentation Patterns. J. Phys. Chem. C. 115 (49), 24247-24255 (2011).
- Brüning, C., Hellweg, S., Dambach, S., Lipinsky, D., Arlinghaus, H. F. Improving the interpretation of ToF-SIMS measurements on adsorbed proteins using PCA. Surf. Interface Anal. 38 (4), 191-193 (2006).
- Gustavsson, J., et al. Surface modifications of silicon nitride for cellular biosensor applications. J. Mater. Sci.-Mater. Med. 19 (4), 1839-1850 (2008).
- Deng, J., Ren, T. C., Zhu, J. Y., Mao, Z. W., Gao, C. Y. Adsorption of plasma proteins and fibronectin on poly(hydroxylethyl methacrylate) brushes of different thickness and their relationship with adhesion and migration of vascular smooth muscle cells. Regen Biomater. , 17-25 (2014).
