Lipidmonoskikt har använts som grund för att bilda tvådimensionella (2D) proteinkristaller för strukturella studier i årtionden. De är stabila vid luft-vatten-gränssnittet och kan fungera som ett tunt stödmaterial för elektronavbildning. Här presenterar vi de beprövade stegen för att förbereda lipidmonoskikt för biologiska studier.
Elektronkristallografi är ett kraftfullt verktyg för högupplösningsstrukturbestämning. Makromolekyler som lösliga eller membranproteiner kan odlas till högbeställda tvådimensionella (2D) kristaller under gynnsamma förhållanden. Kvaliteten på de odlade 2D-kristallerna är avgörande för upplösningen av den slutliga återuppbyggnaden via 2D-bildbehandling. Under årens lopp har lipidmonoskikt använts som ett stödjande skikt för att främja 2D-kristallisering av perifera membranproteiner samt lösliga proteiner. Denna metod kan också tillämpas på 2D-kristallisering av integrerade membranproteiner men kräver mer omfattande empirisk undersökning för att bestämma tvättmedel och dialys villkor för att främja partitionering till monolayer. En lipidmonalayer bildas vid luft-vattengränssnittet så att polarläpphuvudgrupperna förblir hydratiserade i vattenfasen och de icke-polära, aylkedjorna, svansarna delar sig i luften, bryter ytspänningen och plattar ut vattenytan. Huvudgruppernas laddade natur eller distinkta kemiska moieties ger affinitet för proteiner i lösning, vilket främjar bindning för 2D-matrisbildning. Ett nybildat monoskikt med 2D-matrisen kan lätt överföras till ett elektronmikroskop (EM) på ett kolbelagt kopparnät som används för att lyfta och stödja den kristallina matrisen. I detta arbete beskriver vi en lipid monolayer metodik för kryogena elektron mikroskopisk (cryo-EM) imaging.
Elektrondiffraktion genom 2D-kristaller eller spiralformade matriser av proteiner kan uppnå sub nanometerupplösning igynnsamma fall 1,2,3. Av särskilt intresse är rekonstituerade 2D-membranproteinmatriser eller kristaller i deras nära infödda miljöer1. Eftersom en kristall fungerar som en signalförstärkare som förbättrar intensiteten hos de strukturella faktorerna vid specifika rumsliga frekvenser, gör elektronkristallografi det möjligt att sondera ett mål med en mindre storlek vid höga upplösningar, såsom små molekyler, än de för enpartikel cryo-EM. Elektronstrålen kan diffracted av en ordnad 2D-samling proteiner, vilket genererar ett diffraktionsmönster eller en gitterbild beroende på var bildplanet registreras pådetektorn 4. De diffracted intensiteterna kan sedan extraheras och bearbetas för att rekonstruera en 2D-projektionsstruktur av kristallen. Elektroner har ett större spridningssnitt än röntgenstrålar och dess spridning följer mestadels Rutherford-modellen baserat på Coulomb-interaktionen mellan elektronerna och de laddade atomerna imolekylen 5. Tjocklekarna på 2D-membrankristaller är vanligtvis mindre än 100 nm, lämpliga för elektronöverföring utan dynamisk spridning som förekommer inom prov6. Elektronkristallografiska studier har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att undersöka högupplöst strukturell information om membranproteiner och lipidproteininteraktioner7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17.
En lipidmonalayer är ett enda lipidskikt bestående av fosfolipider tätt packade vid ett luftvattengränssnitt6, vilket kan hjälpa 2D-matrisbildningen för lösliga proteiner eller perifera membranproteiner18. Beroende på lipidens densitet och deras laterala tryck kan lipidmolekylerna bilda en ordnad 2D-matris på luft-vattengränssnittet med sina asylkedjor som är utsträckta till luft- och hydrofila huvudgrupper som exponeras ivattenlösningen 1,6,19. Lipidhuvudgruppen kan interagera med proteiner via elektrostatisk interaktion eller kan modifieras för att ge en affinitetstagg för att binda en specifik proteindomän. Till exempel används DOGS-NTA-Ni (1,2-dioleoyl-sn -glycero-3-[(N-(5-amino-1-carboxypentyl)iminodiacetic acid)succinyl]2- Ni2+) ofta för att bilda en lipidmonalayer för att binda proteinerna med en poly-histidin tagg20,21,22. Koleratoxin B kan också binda en viss pentasackarid av ganglioside GM1 i en lipidmonalayer för strukturella studier23,24. Genom att förankra proteinerna på lipidhuvudgrupperna kan lipidmonoskiktet hjälpa bildandet av de 2D-matriser som är tunna för högupplösta elektronkristallografiska studier. Lipidmonoskiktstekniken har använts i elektronkristallografi för strukturella studier av proteiner, såsom streptavidin2,25, annexin V26, koleratoxin27, E. coli gyrase B underavdelning28, E. coli RNA polymeras25,29,30, karbinom skalproteiner31 och kapsidproteinerna i HIV-132 och Moloney murin leukemi virus 33.På grund av lipidmonaggarens stabilitet och kemiska egenskaper har olika tillämpningar för provberedning undersökts för cryo-EM imaging34. Optimering kommer dock att behövas för proteinmatrisbildning.
Här ger vi omfattande detaljer om den allmänna förberedelsen av lipidmonoskikt för cryo-EM-avbildning och några överväganden som kan påverka kvaliteten på de bildade monoskikten.
En lipidmonalayer är ett kraftfullt verktyg som underlättar tillväxten av stora 2D-kristaller för strukturella studier av biologiska makromolekyler. För att framgångsrikt förbereda en intakt lipidmonalayer vid luft-vattengränssnittet rekommenderas starkt att lipiderna framställs ny på experimentets dag, eftersom oxidering av lipidasylkedjan kan leda till förpackningsstörningar i monoskiktet och påverka den resulterande kristallbildningen negativt. Inköpta lipider i pulverform bör lösas upp med en blandnin…
The authors have nothing to disclose.
Förberedelsen av detta manuskript stöddes delvis av US Army Research Office (W911NF2010321) och Arizona State University startfonder till P.-L.C.
14:0 PC (DMPC) | Avanti Lipids | 850345 | 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine, 1 x 25 mg, 10 mg/mL, 2.5 mL |
Bulb for small pipets | Fisher Scientific | 03-448-21 | |
Chloroform | Sigma-Aldrich | C2432 | |
Desiccator vacuum | Southern Labware | 55207 | |
EM grids | Electron Microscopy Sciences | CF413-50 | CF-1.2/1.3-4C 1.2 µm hole, 1.3 µm space |
Filter paper | GE Healthcare Life Sciences | 1001-090 | Diameter 90 mm |
Glass Pasteur pipets | Fisher Scientific | 13-678-20A | |
Hamilton syringe (25 µL) | Hamilton Company | 80465 | |
Hamilton syringe (250 µL) | Hamilton Company | 81165 | |
Hamilton syringe (5 µL) | Hamilton Company | 87930 | |
Hamilton syringe (500 µL) | Hamilton Company | 203080 | |
Methanol | Sigma-Aldrich | M1775-1GA | |
Petri dish | VWR | 25384-342 | 100 mm × 15 mm |
Teflon block | Grainger | 55UK05 | 60 µL wells with side injection ports, manually made |
Tweezers | Electron Microscopy Sciences | 78325 | Various styles |
Ultra-pure water | |||
Ultrasonic cleaner | VWR | 97043-996 |