Liposoma singole misurazioni per lo studio degli enzimi di membrana Proton-pompaggio usando microscopia fluorescente ed elettrochimica
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per studiare il meccanismo molecolare della traslocazione di protoni attraverso le membrane del lipido di liposomi singoli, utilizzando citocromo bo3 come esempio. Combinando elettrochimica e microscopia a fluorescenza, le variazioni del pH in lumen del singole vescicole, contenenti singole o multiple enzima, possono essere rilevati e analizzati singolarmente.
Abstract
Protone-pompaggio enzimi dell’elettrone trasferimento reazioni di ossidoriduzione Coppia catene alla traslocazione di protoni attraverso la membrana, creando una Forza Protonomotrice utilizzata per la produzione di ATP. La natura anfifilica delle proteine di membrana richiede particolare attenzione al loro trattamento, e la ricostituzione nell’ambiente naturale del lipido è indispensabile quando si studia i processi di trasporto di membrana come protone traslocazione. Qui, abbiamo dettaglio un metodo che è stato utilizzato per l’indagine sul meccanismo di pompaggio di protoni di enzimi redox della membrana, prendendo citocromo bo3 da Escherichia coli come un esempio. Una combinazione di microscopia di fluorescenza ed elettrochimica viene utilizzata per controllare lo stato redox dei cambiamenti di pH piscina e monitor del chinone in lumen. A causa della risoluzione spaziale di microscopia fluorescente, centinaia di liposomi possa essere misurati simultaneamente mentre il contenuto degli enzimi può essere scalato verso il basso per un singolo enzima o trasportatore a liposoma. L’analisi di rispettivo singolo enzima può rivelare modelli nella dinamica funzionale degli enzimi che potrebbe altrimenti essere nascosti dal comportamento dell’intera popolazione. Includiamo una descrizione di uno script per l’analisi di immagine automatizzato.
Introduction
Informazioni sui meccanismi degli enzimi e cinetica sono ottenuti solitamente al livello ensemble o macroscala con popolazione di enzima in migliaia a milioni di molecole, dove misure rappresentano una media statistica. È noto, tuttavia, che le macromolecole complesse quali enzimi possono dimostrare eterogeneità nel loro comportamento e osservati a livello di insieme di meccanismi molecolari non sono necessariamente validi per ogni molecola. Tali deviazioni sulla scala singola molecola sono stati ampiamente confermati da studi di singoli enzimi con una varietà di metodi emergenti durante l’ultimo ventennio1. In particolare, rilevazione della fluorescenza di attività enzimatica individuale è stato utilizzato per indagare eterogeneità di enzimi attività2,3 o scoprire l’effetto della cosiddetta memoria (periodi di attività di enzimi elevati è riuscito da periodi di bassa attività e viceversa)4,5.
Molti studi di singolo enzima richiedono che gli enzimi sono immobilizzati sulla superficie o nello spazio fisso in un altro modo per rimanere sufficientemente lunga nel campo visivo per osservazione continua. Incapsulamento di enzima nei liposomi è stato indicato per attivare immobilizzazione degli enzimi, evitando qualsiasi impatto negativo dovuto la superficie-enzima o proteina-proteina, interazioni6,7. Inoltre, liposomi offrono una possibilità unica per lo studio di proteine di membrana singola nel loro naturale dei lipidi bilayer ambiente8,9,10.
Una classe di proteine di membrana, trasportatori, esercita uno spostamento direzionale di sostanze attraverso la membrana cellulare, un comportamento che può essere studiato solo quando proteine sono ricostituite in lipidi bilayer (ad es., liposomi)11, 12,13. Ad esempio, traslocazione protonica, esibito da parecchi enzimi delle catene di trasporto dell’elettrone procariote ed eucariote, svolge un ruolo importante nella respirazione cellulare, creando una Forza Protonomotrice utilizzata per la sintesi di ATP. In questo caso, il protone attività di pompaggio è accoppiato per il trasferimento di elettroni, anche se il meccanismo dettagliato di questo processo spesso resta sfuggente.
Recentemente, abbiamo dimostrato la possibilità di rilevazione fluorescente coppia con elettrochimica per studiare protone pompaggio attività di singoli enzimi dell’ossidasi terminale ubiquinol di Escherichia coli (citocromo bo3) ricostituiti nei liposomi14. Questo è stato ottenuto mediante incapsulamento di un colorante fluorescente membrana impermeabile pH sensibili nel lumen di liposomi preparato da E. coli lipidi polari (Figura 1A). La quantità di proteina è stata ottimizzata in modo che maggior parte dei liposomi o contenuto nessuna o solo una molecola di enzima ricostituito (secondo la distribuzione di Poisson). I due substrati del citocromo bo3 sono stati forniti da aggiungere alla miscela di lipidi che formavano i liposomi e ossigeno (ambientale) in soluzione ubichinone. I liposomi sono quindi scarsamente adsorbiti su elettrodo d’oro ultra-liscio semi-trasparente, coperto con un monostrato auto-assemblato di 6-mercaptohexanol. Infine, l’elettrodo è montato sulla parte inferiore di una cella di Spettroelettrochimica semplice (Figura 1B). Elettrochimico controllo dello stato redox chinone piscina permette uno per attivare in modo flessibile o per fermare la reazione enzimatica in qualsiasi momento, mentre la tintura di pH sensibili viene utilizzata per monitorare le variazioni del pH all’interno del lume dei liposomi come conseguenza di spostamento di protoni dalla enzimi. Utilizzando che l’intensità di fluorescenza di un colorante fluorescente in secondo luogo, associati a lipidi, la dimensione e il volume dei liposomi individuali può essere determinato e così la quantificazione del protone di enzima attività di pompaggio. Utilizzando questa tecnica, abbiamo trovato in particolare che il citocromo bo3 molecole sono in grado di entrare in uno stato di perdita spontanea che si dissolve rapidamente la forza motrice protonica. L’obiettivo di questo articolo è quello di introdurre la tecnica delle misurazioni singole liposoma in dettaglio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo descritto è adatto per studiare protone pompaggio di proteine di membrana respiratoria che possono essere ricostituite in liposomi e sono in grado di scambiare elettroni con lo stagno del chinone. Protone attività di pompaggio può essere monitorato a livello di singolo-enzima utilizzando coloranti sensibili al pH (raziometrici) incapsulati nel lume liposoma (Figura 1A).
Il metodo si basa sulla capacità di ubiquinone (o altri chinoni), incorporato nel…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono la BBSRC (BB/P005454/1) per il sostegno finanziario. NH è stato finanziato dal programma VILLUM Foundation Young Investigator.
Materials
| 6-Mercapto-1-hexanol (6MH) | Sigma | 451088 | 97% |
| 8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulphonic acid (HPTS) | BioChemika | 56360 | |
| Aluminium holder (Electrochemical cell) | Custom-made | 30x30x7 mm; inner diameter: 26 mm; hole diameter: 15 mm | |
| Auxiliary electrode | platinum wire | ||
| Chloroform | VWR Chemicals | 83627 | |
| E.coli polar lipids | Avanti | 100600C | 25 mg/mL in chloroform |
| Epoxy | EPO-TEK | 301-2FL | low fluorescence epoxy |
| Fiji (ImageJ 1.52d) | Required plugins: StackReg and TurboReg (http://bigwww.epfl.ch/thevenaz/stackreg/) | ||
| Filter cube ("ATTO633") | Chroma Technology Corporation | Ex: 620/60 nm; DM: 660 nm; Em: 700/75 nm | |
| Filter cube ("HPTS1") | Chroma Technology Corporation | Ex: 470/20 nm; DM: 500 nm; Em: 535/48 nm | |
| Filter cube ("HPTS2") | Chroma Technology Corporation | Ex: 410/300 nm; DM: 500 nm; Em: 535/48 nm | |
| Filter cube ("Texas Red") | Chroma Technology Corporation | Ex: 560/55 nm; DM: 595 nm; Em: 645/75 nm | |
| Fluorescent dye-labelled lipids (FDLL) | ThermoFisher Scientific | T1395MP | TexasRed-DHPC was used in this work (λexc 595 nm; λem 615 nm) |
| Fluorescent dye-labelled lipids (FDLL) (alternative) | ATTO-TEC | AD 633-161 | ATTO633-DOPE can be used as alternative (λexc 630 nm; λem 651 nm) |
| Gel filtration column | GE Healthcare | 28-9893-33 | HiLoad 16/600 Superdex 75 pg, for additional protein purification |
| Glass coverslips | VWR International | 631-0172 | No 1.5 |
| Glass syringe | Hamilton | 1725 RNR | 250 µL |
| Glass vials | Scientific Glass Laboratories Ltd | T101/V1 | 1.75 mL capacity |
| Gold | GoodFellow | 99.99% | |
| Gramacidin | Sigma | G5002 | |
| Mercury sulfate reference electrode | Radiometer (Hash) | E21M012 | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | Minispin NL040 | |
| Microscope | Nikon | Eclipse Ti | |
| Microscope Camera | Andor | Zyla 5.5 sCMOS | |
| Microscope Lamp | Nikon | Intensilight C-HGFI | |
| NIS-Elements AR 5.0.2 | Nikon | Microscope acquisition software | |
| n-Octyl β-D-glucopyranoside | Melford Laboratories | B2007 | |
| Nova 1.10 | Metrohm | Potentiostat control software | |
| Objective | Nikon | Plan Apo λ 60x/1.4 oil | |
| OriginPro 2017 | OriginLab | Plotting software | |
| O-ring (Electrochemical cell) | Orinoko | Inner diameter: 16 mm; cross section: 1.5 mm | |
| Plastic tubes | Eppendorf | 3810X | 1.5 mL |
| Polystyrene microbeads | Bio-RAD | 152-3920 | Biobeads, 20-50 mesh |
| Potentiostat | Metrohm Autolab | PGSTAT 128N | |
| Potentiostat | CH Instruments | CHI604C | |
| Scripting software | Matlab | R2017a | Required toolboxes: 'Image Processing Toolbox', 'Parallel Computing Toolbox', 'Curve Fitting Toolbox', 'System Identification Toolbox', 'Optimization Toolbox' |
| Silicon wafers | IDB Technologies LTD | Si-C2 (N<100>P) | Ø 25 mm, 525 um thick |
| Teflon cell (Electrochemical cell) | Custom-made | Outer diameter: 26 mm; inner diameter: 13.5 mm | |
| Temple-Stripped Ultra-Flat Gold Surfaces | Platypus Technologies | AU.1000.SWTSG | Alternative ready-to-use ultra-flat gold surfaces (Thickness below 100 nm on demand) |
| Thin micropipette tips | Sarstedt | 70.1190.100 | or similar gelloader tips 200 µL |
| Ubiquinone-10 | Sigma | C-9538 | |
| Ultracentrifuge | Beckman-Coulter | L-80XP | with Ti 45 rotor |
| Ultrasonic bath | Fisher Scientific | FB15063 |
Referências
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