אפיון מולקולה חד-מולקולות באמצעות זרימת הטיה במיקרוסקופיה פלואורסצנטית
Summary
אנו מציגים פרוטוקול לשתק קרו יחיד במכשירים מיקרופלואידים וכביכמת שינויים בקונמציות שלהם תחת זרימת הטיה. פרוטוקול זה שימושי לאפיון המאפיינים הביומכאני והפונקציונלי של biomolecules כגון חלבונים ו-DNA בסביבת זרימה.
Abstract
התנהגות מולקולה בודדת תחת הפרטורציה מכנית התאפיין באופן נרחב בהבנת תהליכים ביולוגיים רבים. עם זאת, שיטות כגון מיקרוסקופ של כוח אטומי יש ברזולוציה מוגבלת בזמן, בעוד Förster העברת אנרגיה (לדאוג) רק לאפשר את התצורות להיות משתמעת. מיקרוסקופ קרינה פלואורסצנטית, מצד שני, מאפשר בזמן אמת הדמיה באתרו של מולקולות יחיד בתנאי זרימה שונים. הפרוטוקול שלנו מתאר את השלבים ללכידת שינויים בbiomolecules בודדים תחת סביבות זרימת הטיה שונות באמצעות מיקרוסקופ קרינה. זרימת ההטיה נוצרת בתוך ערוצי microflu, ונשלטת על ידי משאבת מזרק. כמו הפגנות של השיטה, וון וילבלאנד מקדם (vwf) ו-DNA למדא מתויגים עם ביוטין ו fluorophore ולאחר מכן לקיבוע על פני הערוץ. הקונמציות שלהם מנוטרים ברציפות באמצעות הטיה משתנה באמצעות השתקפות פנימית מוחלטת (TIRF) ומיקרוסקופ מיקרומוקד. הדינמיקה להתיר הפיך של VWF הם שימושיים להבנת כיצד תפקידה מוסדר בדם האדם, תוך היווצרות של DNA למדא מציע תובנות לביופיזיקה של קרו. הפרוטוקול יכול גם להיות מיושם באופן נרחב כדי ללמוד את ההתנהגות של פולימרים, במיוחד biopolymers, בתנאי זרימה שונים לחקור rheology של נוזלים מורכבים.
Introduction
מנגנונים של כמה biomolecules להגיב לגירויים סביבתיים נחקרו רבות. בסביבת זרימה בפרט, הטיה והכוחות הelongational מווסת את השינויים המומסבותית והעלולים לתפקד כbiomolecules. דוגמאות טיפוסיות כוללות להטות המושרה לאחר למבדה DNA ו פון Willebrand פקטור (VWF). DNA למדא שימש כלי כדי להבין את הדינמיקה של הפרט, שרשראות פולימר גמיש ו rheology של פתרונות פולימריים1,2,3,4. VWF הוא חיישן זרימה טבעי כי אגרגטים טסיות באתרי הפצע של כלי הדם עם שיעורי גזירה חריגים דפוסי זרימה. להתיר של VWF חיוני בהפעלת האיגוד של טסיות לתחום A1 וכריכת קולגן לתחום A3. בנוסף, גבוהה המושרה להטות את התחום A2 התגלגלות מאפשר את המחשוף של vwf, אשר מווסת את התפלגות המשקל המולקולרי שלה במחזור5,6. כך, הדמיה ישירה של איך אלה מולקולות להתנהג תחת זרימה יכול לשפר מאוד את ההבנה הבסיסית של הביומכניקה שלהם ותפקוד, אשר בתורו יכול לאפשר אבחון הרומן ויישומים טיפוליים.
מתודולוגיות טיפוסיות לאפיון הקונמציות חד-מולקולות כוללות פינצטה אופטית/מגנטית, מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ומולקולה חד-שגרתית של העברת אנרגיית תהודה (סריג)7. מולקולה בודדת ספקטרוסקופיית כוח הוא כלי רב עוצמה כדי לחקור את הכוח ואת התנועה הקשורים השינויים הקונפורבית של biomolecules. עם זאת, היא חסרה את היכולת למפות הקונמציות מולקולריות הכולל8. Afm מסוגל הדמיה עם רזולוציה מרחבית גבוהה אבל הוא מוגבל ברזולוציה הטמפורלית9,10. בנוסף, קשר בין העצה לבין המדגם עשוי לבלבל את התגובה הנגרמת על ידי זרימה. שיטות אחרות כמו nanopore וניתוחים לקבוע קיפול חלבון יחיד מולקולה ומדינות התפתחות מבוסס על זיהוי של מרחק מולקולרי מתוך וכולל כמויות. עם זאת, שיטות אלה עדיין בחיתוליו ומוגבלות בהתבוננות ישירה של קונמציות בודדות של מולקולה אחת11,12,13,14.
מצד שני, התבוננות ישירה בקרו באמצעות הזמן הגבוה והרזולוציה המרחבית תחת מיקרוסקופ הקרינה הפלואורסצנטית השתפרה בהבנת הדינמיקה של מולקולה בודדת בתהליכים ביולוגיים רבים15,16. לדוגמה, פו et al. לאחרונה השיגה ויזואליזציה סימולטני של התארכות VWF ומחייב קולטן טסיות בפעם הראשונה. בעבודתם, מולקולות VWF היו מנוכי על פני השטח של ערוץ microflu, באמצעות האינטראקציות biotin-streptavidin והתמונה תחת סך השתקפות פנימית מיקרוסקופ (TIRF) בסביבות משתנות זרימת הטיה17. החלת שיטה דומה כמו פו של, אנחנו כאן להפגין כי קונמציות של VWF ו-DNA למדא ניתן לראות ישירות תחת השני TIRF ו-מיקרוסקופ הקונטמוקד. בדומה למוצג באיור 1, התקנים מיקרופלואידים משמשים ליצירה ולבקרה של זרימת הטיה, וbiomolecules מנודים על פני הערוץ. עם היישום של שיעורי גזירה שונים, תצורות של מולקולה זהה נרשמות למדוד את אורך ההארכה, המוצג גם באיור 1. השיטה יכולה להיות מיושמת באופן נרחב כדי לחקור התנהגויות פולימר אחרות מתחת לסביבות זרימה מורכבות עבור מחקרים מרטילוגיים וביולוגיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
כדי להשיג נתונים באיכות גבוהה של מולקולה בודדת שינויים באמצעות מיקרוסקופ הזריחה כפי שמתואר בשיטה זו, זה קריטי כדי לסקול את המולקולה למשך הזמן המתאים, למזער את האינטראקציות הלא ספציפיות שלה עם פני השטח ולבסס הגדרות מיקרוסקופ הפחתת הלבנת התמונות. היכולת של המולקולה לשנות באופן חופשי את הקש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו היתה נתמכת בחלקו על ידי הקרן הלאומית למדע מענק DMS-1463234, המכונים הלאומיים לבריאות מענקים HL082808 ו AI133634, ואת Lehigh באוניברסיטת מימון פנימי.
Materials
| Alexa Fluor 488 Labeling Kit | Invitrogen | A30006 | |
| Bio-Spin P-6 Gel Columns | Bio-Rad | 7326221 | |
| Biotin | Sigma-Aldrich | B4501 | Use as free biotin in Step 5.6 |
| Biotin-14-dCTP | AAT Bioquest | 17019 | |
| BSA-Biotin | Sigma-Aldrich | A8549 | |
| Coverslips | VWR | 48393-195 | No. 1 ½, 22 x 50 mm |
| dNTP Set | Invitrogen | 10297018 | |
| Float Buoys for Mini Dialysis Device | Thermo Scientific | 69588 | |
| Klenow Fragment (3'→5' exo-) | New England BioLabs | M0212S | Use for 10X reaction buffer in Step 2.1.1 and 1X reaction buffer in Step 2.2.2 |
| Lambda DNA | New England BioLabs | N3011S | |
| Mini Dialysis Device | Thermo Scientific | 69570 | 10K MWCO, 0.1 mL volume |
| NEBuffer 4 | New England BioLabs | B7004S | |
| NHS-PEG4-Biotin | Thermo Scientific | 21330 | |
| Protocatechuate 3,4-Dioxygenase | Sigma-Aldrich | P8279 | |
| Protocatechuic acid | Santa Cruz Biotechnology | sc-205818 | |
| Silicone Elastomer Kit for PDMS Fabrication | The Dow Chemical Company | 4019862 | |
| Streptavidin | Sigma-Aldrich | 85878 | |
| The Blocking Solution | CANDOR Bioscience | 110 050 | Use as casein blocking solution throughout protocol |
| Vinyl Cleanroom Tape | Fisher Scientific | 19-120-3217 | |
| von Willebrand Factor, Human Plasma | Millipore Sigma | 681300 | |
| YOYO-1 Dye | AAT Bioquest | 17580 | |
| 0.25 mm Inner Diameter Tubing | Cole-Parmer | EW-06419-00 | |
| 25 Gauge Needle | Thomas Scientific | JG2505X |
References
- Shaqfeh, E. S. The dynamics of single-molecule DNA in flow. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 130 (1), 1-28 (2005).
- Smith, D. E., Babcock, H. P., Chu, S. Single-polymer dynamics in steady shear flow. Science. 283 (5408), 1724-1727 (1999).
- LeDuc, P., Haber, C., Bao, G., Writz, D. Dynamics of individual flexible polymers in a shear flow. Nature. 399 (6736), 564-566 (1999).
- Huber, B., Harasim, M., Wunderlich, B., Kröger, M., Bausch, A. R. Microscopic Origin of the Non-Newtonian Viscosity of Semiflexible Polymer Solutions in the Semidilute Regime. ACS Macro Letters. 3 (2), 136-140 (2014).
- Springer, T. A. Biology and physics of von Willebrand factor concatamers. Journal of Thrombosis and Haemostasis. 9, 130-143 (2011).
- Springer, T. A. von Willebrand factor, Jedi knight of the bloodstream. Blood. 124 (9), 1412-1425 (2014).
- Merchant, K. A., Best, R. B., Louis, J. M., Gopich, I. V., Eaton, W. A. Characterizing the unfolded states of proteins using single-molecule FRET spectroscopy and molecular simulations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (5), 1528-1533 (2007).
- Neuman, K. C., Nagy, A. Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy. Nature Methods. 5 (6), 491-505 (2008).
- Siedlecki, C. A., et al. Shear-dependent changes in the three-dimensional structure of human von Willebrand factor. Blood. 88 (8), 2939-2950 (1996).
- Roiter, Y., Minko, S. AFM single molecule experiments at the solid-liquid interface: In situ conformation of adsorbed flexible polyelectrolyte chains. Journal of the American Chemical Society. 127 (45), 15688-15689 (2005).
- Aznauryan, M., et al. Comprehensive structural and dynamical view of an unfolded protein from the combination of single-molecule FRET, NMR, and SAXS. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (37), 5389-5398 (2016).
- Schuler, B., Eaton, W. A. Protein folding studied by single-molecule FRET. Current Opinion in Structural Biology. 18 (1), 16-26 (2008).
- Howorka, S., Siwy, Z. Nanopore analytics: sensing of single molecules. Chemical Society Reviews. 38 (8), 2360-2384 (2008).
- Talaga, D. S., Li, J. Single-molecule protein unfolding in solid state nanopores. Journal of the American Chemical Society. 131 (26), 9287-9297 (2009).
- Moerner, W. E., Fromm, D. P. Methods of single-molecule fluorescence spectroscopy and microscopy. Review of Scientific Instruments. 74 (8), 3597-3619 (2003).
- Xia, T., Li, N., Fang, X. H. Single-Molecule Fluorescence Imaging in Living Cells. Annual Review of Physical Chemistry. 64, 459-480 (2013).
- Fu, H., et al. Flow-induced elongation of von Willebrand factor precedes tension-dependent activation. Nature Communications. 8 (324), 1-12 (2017).
- Smith, S. B., Cui, Y., Bustamante, C. Overstretching B-DNA: The Elastic Response of Individual Double-Stranded and Single-Stranded DNA Molecules. Science. 271 (5250), 795-799 (1996).
- Wang, Y., et al. Shear-Induced Extensional Response Behaviors of Tethered von Willebrand Factor. Biophysical Journal. 116 (11), 29092 (2019).
- Carlsson, C., Johnsson, M., Åkerman, B. Double bands in DNA gel electrophoresis caused by bis-intercalating dyes. Nucleic Acids Research. 23 (13), 2413-2420 (1995).
- Collins, B. E., Ye, L. F., Duzdevich, D., Greene, E. C. DNA curtains: Novel tools for imaging protein–nucleic acid interactions at the single-molecule level. Methods in Cell Biology. 123, 217-234 (2014).
- Green, E. C., Wind, S., Fazio, T., Gorman, J., Visnapuu, L. DNA Curtains for High-Throughput Single-Molecule Optical Imaging. Methods in Enzymology. 472, 293-315 (2010).
