Summary

LED Thermo Flow - Forening optogenetics med flowcytometri

Published: December 30, 2016
doi:

Summary

Optically controlled substances are powerful tools to study signaling pathways. To expand the spectrum of possible experiments, we developed a device for studying optically controlled substances in real time using flow cytometry: the LED Thermo Flow.

Abstract

Optogenetic tools allow isolated, functional investigations of almost any signaling molecule within complex signaling pathways. A major obstacle is the controlled delivery of light to the cell sample and hence the most popular tools for optogenetic studies are microscopy-based cell analyses and in vitro experiments. The flow cytometer has major advantages over a microscope, including the ability to rapidly measure thousands of cells at single cell resolution. However, it is not yet widely used in optogenetics. Here, we present a device that combines the power of optogenetics and flow cytometry: the LED Thermo Flow. This device illuminates cells at specific wavelengths, light intensities and temperatures during flow cytometric measurements. It can be built at low cost and be used with most common flow cytometers. To demonstrate its utility, we characterized the photoswitching kinetics of Dronpa proteins in vivo and in real time. This protocol can be adapted to almost all optically controlled substances and substantially expands the set of possible experiments. More importantly, it will greatly simplify the discovery and development of new optogenetic tools.

Introduction

Optogenetic værktøjer har vundet popularitet, dels fordi de kan anvendes til at dechifrere ledningsføring signalveje 1-4. De er baseret på evnen hos fotoaktiverbare proteiner til at ændre deres konformation og bindingsaffinitet, når det belyses med lys. Fusing disse proteiner til signalering elementer giver mulighed for den specifikke regulering af en enkelt spiller i komplekse intracellulære signalveje 5-12. Følgelig kan en signaleringsvej undersøges med høj tidsmæssig og rumlig opløsning.

De fleste cellebaserede optogenetic undersøgelser udnytte mikroskopi-baserede metoder kombineret med dyrkning i nærvær af lys, efterfulgt af biokemisk analyse 11,12. Derimod kan et flowcytometer singularizes celler langs en kapillær og måler cellestørrelse, granularitet og fluorescensintensiteter. Denne metode har store fordele i forhold til mikroskopi eller biokemiske metoder, herunder evnen til at analysere tusinde guldds af levende celler ved enkeltcelle-opløsning i en meget kort tid. Derfor er det ønskeligt at kombinere optogenetics med flowcytometri.

Til vores viden, er der ingen etableret protokol for optogenetic flowcytometri. En bredt accepteret procedure er at manuelt belyse celler udefra reaktionsrøret med lommelygte enheder. Imidlertid manuel belysning i strømmen kræver, cytometer lyset passere gennem reaktionsrøret og for levende celler, en cylindrisk, opvarmet vand kammer. Dette forårsager betydelig lysspredning og lystab. Desuden lysintensiteten billede ved manuel belysningen ikke reproducerbar mellem eksperimenter (vinkel, afstand osv), og der er en praktisk grænse for antallet af bølgelængder i et eksperiment.

Ved at konstruere LED Thermo Flow enhed, var vi i stand til at overvinde disse begrænsninger. Med denne enhed, kan celler belyses med specifikke bølgelængder i en tempratur-styret måde under flowcytometriske målinger. Dette giver mulighed for præcise og reproducerbare mængder af lys i og mellem eksperimenter.

For at demonstrere anvendeligheden af vores enhed in vivo, indspillede vi fluorescens signal om Dronpa i Ramos B-celler under photoswitching. Ramos B-celler afledt af et humant Burkitts lymfom. Dronpa er et fluorescerende protein, der eksisterer som en monomer, dimer eller tetramer. I sin monomere form, det er ikke-fluorescerende. Belysning med 400 nm lys inducerer dimerisation og tetrameriseringsdomæne og gør Dronpa protein fluorescerende. Denne proces kan vendes ved belysning med 500 nm lys. Den Dronpa proteinet er blevet anvendt til at styre funktionen og placeringen af signalproteiner 4,13.

Her udtrykte vi en Dronpa-linker-Dronpa protein i Ramos B-celler til at studere photoswitching af Dronpa i et flowcytometer. Ved hjælp af vores enhed, var vi i stand til effektivt ogreproducerbart photoswitch Dronpa mens du optager sin fluorescensintensitet i realtid. Denne metode giver betydelige fordele i forhold til de nuværende belysning protokoller med manuel belysning og betydeligt udvider den eksperimentelle repertoire for optogenetic værktøjer og bur forbindelser. Ved hjælp af vores enhed i væsentlig grad vil forenkle og fremskynde opdagelse og udvikling af nye optogenetic værktøjer.

Protocol

1. Design og Opbygning af enheden pilotforsøg BEMÆRK: Den krævede lysintensitet for en specifik optogenetic værktøj og celletype kan variere betydeligt. Pilotforsøg med prototyper er nyttige til at vurdere den minimale lysintensitet nødvendig. Den optogenetic værktøj bruges til følgende eksperimenter er en Dronpa-linker-Dronpa fusion konstruktion. Den Dronpa sekvens blev kommercielt opnået (se liste over materialer). En lang linker blev klonet ind mellem to Dronpa sekvenser …

Representative Results

Brug af LED Thermo Flow med et flowcytometer Den funktionelle kerne af anordningen er et cylindrisk kammer, hvor LED-lys er anbragt i en cirkulær måde peger indad. Dette kammer kan være forbundet til en forsyning og pumpe vand, der giver mulighed for at styre temperaturen af ​​LED'erne, samt celleprøven. LED'erne er forbundet til en transformer og dermed lysintensiteten for hver bølgelængde kan styres individue…

Discussion

LED Thermo Flow er en innovativ enhed til at studere optogenetic værktøjer i et flowcytometer.

Hidtil har optogenetic prøver blevet belyst kun med mikroskopi lasere eller lommelygte enheder 11,12. Afhængig af vinklen og afstanden af ​​lommelygten til prøven forventes betydelig variation i mængden af ​​belysning mellem eksperimenter. Desuden er der en grænse for antallet af lommelygter en enkelt person kan operere i et eksperiment. Dette begrænser den eksperimentell…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank J. Schmidt from the University of Freiburg for constructing the device. We thank P. Nielsen and D. Medgyesi for their support and critical reading of this manuscript. This study was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft through SFB746 and by the Excellence Initiative of the German Research Foundation (GSC-4, Spemann Graduate School).

Materials

Glass FACS tube  Thermo Fisher Scientific; Waltham, USA 14-961-26 Borosilicate glass tubes 12×75 mm
Flow Cytometer BD Bioscienceg; Heidelberg, Germany Fortessa II Special Order
Dronpa: pcDNA3-mNeptune2-N Addgene; Cambridge, USA 41645
PolyJet SignaGen, Rockville, USA SL100688
LED 505 nm Avago Technologies; Boeblingen, Germany HLMP-CE34-Y1CDD
LED 400 nm Avago Technologies; Boeblingen, Germany UV5TZ-400-15
Plexiglas tube 15 mm Maertin; Freiburg, Germany 76999
Plexiglas 3 mm Maertin; Freiburg, Germany 692230
Plexiglas 2,5 mm Maertin; Freiburg, Germany 692225
Plexiglas 1,5 mm Maertin; Freiburg, Germany 692215
PVC tile 5 mm Maertin; Freiburg, Germany 690020.005
PVC tile 6 mm Maertin; Freiburg, Germany 690020.006
PVC block 50 mm Maertin; Freiburg, Germany 690020.050
RPMI Invitrogen, Life Technologies; Darmstadt, Germany 61870-010
2-Mercaptoethanol EMD; Germany 805740
FCS PAN Biotech; Aidenbach, Germany P30-3302
Penicillin/Strptomycin (10000 U/ml) Invitrogen, Life Technologies; Darmstadt, Germany 15140-122
Acrifix plexiglas glue Evonic industries, Essen, Germany 1R0192
Tangit PVC-U glue Henkel, Düsseldorf, Germany

References

  1. Dugue, G. P., Akemann, W., Knopfel, T. A comprehensive concept of optogenetics. Prog Brain Res. 196, 1-28 (2012).
  2. Tischer, D., Weiner, O. D. Illuminating cell signalling with optogenetic tools. Nat Rev Mol Cell Biol. 15 (8), 551-558 (2014).
  3. Toettcher, J. E., Voigt, C. A., Weiner, O. D., Lim, W. A. The promise of optogenetics in cell biology: interrogating molecular circuits in space and time. Nat Methods. 8 (1), 35-38 (2011).
  4. Zhang, K., Cui, B. Optogenetic control of intracellular signaling pathways. Trends Biotechnol. 33 (2), 92-100 (2015).
  5. Bugaj, L. J., Choksi, A. T., Mesuda, C. K., Kane, R. S., Schaffer, D. V. Optogenetic protein clustering and signaling activation in mammalian cells. Nat Methods. 10 (3), 249-252 (2013).
  6. Bugaj, L. J., et al. Regulation of endogenous transmembrane receptors through optogenetic Cry2 clustering. Nat Commun. 6, 6898 (2015).
  7. Strickland, D., et al. TULIPs: tunable, light-controlled interacting protein tags for cell biology. Nat Methods. 9 (4), 379-384 (2012).
  8. Taslimi, A., et al. An optimized optogenetic clustering tool for probing protein interaction and function. Nat Commun. 5, 4925 (2014).
  9. Toettcher, J. E., Gong, D., Lim, W. A., Weiner, O. D. Light-based feedback for controlling intracellular signaling dynamics. Nat Methods. 8 (10), 837-839 (2011).
  10. Toettcher, J. E., Weiner, O. D., Lim, W. A. Using optogenetics to interrogate the dynamic control of signal transmission by the Ras/Erk module. Cell. 155 (6), 1422-1434 (2013).
  11. Wang, J., et al. Utilization of a photoactivatable antigen system to examine B-cell probing termination and the B-cell receptor sorting mechanisms during B-cell activation. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (5), E558-E567 (2016).
  12. Wend, S., et al. Optogenetic control of protein kinase activity in mammalian cells. ACS Synth Biol. 3 (5), 280-285 (2014).
  13. Zhou, X. X., Chung, H. K., Lam, A. J., Lin, M. Z. Optical control of protein activity by fluorescent protein domains. Science. 338 (6108), 810-814 (2012).
  14. Baumgarth, N., Roederer, M. A practical approach to multicolor flow cytometry for immunophenotyping. J Immunol Methods. 243 (1-2), 77-97 (2000).
  15. Givan, A. L. Flow cytometry: an introduction. Methods Mol Biol. 699, 1-29 (2011).
  16. Brakemann, T., et al. A reversibly photoswitchable GFP-like protein with fluorescence excitation decoupled from switching. Nat Biotechnol. 29 (10), 942-947 (2011).
check_url/54707?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Brenker, K., Osthof, K., Yang, J., Reth, M. LED Thermo Flow — Combining Optogenetics with Flow Cytometry. J. Vis. Exp. (118), e54707, doi:10.3791/54707 (2016).

View Video