I dette manuskript demonstrerer vi de eksperimentelle teknikker til at indkapsle F-actincytoskelettet i gigantiske unilamellare lipidvesikler (også kaldet liposomer) og metoden til at danne et cortex-biomimicking F-actinlag ved den indre folder af liposommembranen.
Actincytoskelettet, det vigtigste mekaniske maskineri i cellen, formidler adskillige væsentlige fysiske cellulære aktiviteter, herunder celledeformation, opdeling, migration og vedhæftning. Imidlertid kompliceres studiet af dynamikken og strukturen i actinnetværket in vivo af den biokemiske og genetiske regulering i levende celler. For at opbygge en minimal model uden intracellulær biokemisk regulering er actin indkapslet inde i gigantiske unilamellare vesikler (GUV’er, også kaldet liposomer). De biomimetiske liposomer er cellestørrelse og letter en kvantitativ indsigt i cytoskeletnetværkets mekaniske og dynamiske egenskaber, hvilket åbner en levedygtig rute for bottom-up syntetisk biologi. For at generere liposomer til indkapsling anvendes den omvendte emulsionsmetode (også kaldet emulsionsoverførselsmetoden), hvilket er en af de mest succesrige teknikker til indkapsling af komplekse opløsninger i liposomer til fremstilling af forskellige celleefterlignende systemer. Med denne metode tilsættes en blanding af proteiner af interesse til den indre buffer, som senere emulgeres i en phospholipidholdig mineralolieopløsning til dannelse af monolags lipiddråber. De ønskede liposomer genereres fra monolags lipiddråber, der krydser en lipid / olie-vand-grænseflade. Denne metode muliggør indkapsling af koncentrerede actinpolymerer i liposomerne med ønskede lipidkomponenter, hvilket baner vejen for in vitro-rekonstitution af et biomimicking cytoskeletnetværk.
Actincytoskelettet spiller en grundlæggende rolle i konstruktionen af cellens intracellulære arkitektur ved at koordinere kontraktilitet på molekylært niveau og kraftgenerering 1,2,3. Som et resultat formidler det adskillige væsentlige cellulære aktiviteter, herunder celledeformation 4,5, division6, migration 7,8 og adhæsion9. In vitro-rekonstitutionen af actin-netværk har fået enorm opmærksomhed i de senere år 10,11,12,13,14,15,16,17. Målet med rekonstitution er at opbygge en minimal model af cellen blottet for den komplekse biokemiske regulering, der findes i levende celler. Dette giver et kontrollerbart miljø til at undersøge specifikke intracellulære aktiviteter og letter identifikation og analyse af forskellige komponenter i actincytoskelettet18,19. Endvidere giver indkapslingen af in vitro actinnetværk inde i phospholipid gigantiske unilamellare vesikler (GUV’er, liposomer) et begrænset, men deformerbart rum med en semipermeabel grænse. Det efterligner det fysiologiske og mekaniske mikromiljø af actinmaskineriet i cellen 9,20,21,22.
Blandt forskellige metoder til fremstilling af liposomer er lipidfilmhydreringsmetoden (også kendt som hævelsesmetoden) en af de tidligste teknikker23. Den tørre lipidfilm hydrerer med tilsætning af buffere og danner membranøse bobler, der til sidst bliver vesikler24. For at producere større vesikler med et højere udbytte anvender en forbedret metode, der går videre fra filmhydreringsmetoden, kendt som elektroformationsmetoden25, et AC-elektrisk felt til effektivt at fremme hydreringsprocessen26. De største begrænsninger ved disse hydreringsbaserede metoder til actinindkapsling er, at den har lav indkapslingseffektivitet af stærkt koncentrerede proteiner, og den er kun kompatibel med specifikke lipidsammensætninger24. Den omvendte emulsionsteknik har til sammenligning færre begrænsninger for lipidkomponenter og proteinkoncentrationer 20,27,28,29. I denne metode tilsættes en blanding af proteiner til indkapsling til den indre vandige buffer, som senere emulgeres i en lipidholdig mineralolieopløsning, der danner lipid-monolagsdråber. Monolags lipiddråber krydser derefter gennem en anden lipid / olie-vand-grænseflade gennem centrifugering for at danne dobbeltlags lipidvesikler (liposomer). Denne teknik har vist sig at være en af de mest succesrige strategier til actinindkapsling24,30. Separat er der nogle mikrofluidiske enhedsmetoder, herunder pulserende jetting31,32, forbigående membranudstødning33 og cDICE-metoden34. Lighederne mellem den omvendte emulsionsmetode og den mikrofluidiske metode er lipidopløsningsmiddelet (olie), der anvendes, og indførelsen af lipid / olie-vand-grænseflade til dannelse af den ydre folder af liposomer. I modsætning hertil kræver dannelsen af liposomer ved den mikrofluidiske metode en opsætning af mikrofluidiske anordninger og ledsages af olie fanget mellem dobbeltlagets to foldere, hvilket kræver et ekstra trin til fjernelse af olie35.
I dette manuskript brugte vi den omvendte emulsionsteknik til at fremstille liposomer, der indkapslede et polymeriseret F-actin-netværk som tidligere anvendt22. Proteinblandingen til indkapsling blev først anbragt i en buffer med ikke-polymeriserende betingelser for at opretholde actin i sin kugleformede (G) form. Hele processen blev udført ved 4 °C for at forhindre tidlig actinpolymerisation, som senere blev udløst ved at lade prøven varme op til stuetemperatur. En gang ved stuetemperatur polymeriserer actinet i sin filamentøse (F) form. En række actinbindende proteiner kan tilsættes til den indre vandige bufferopløsning for at studere proteinfunktionaliteter og egenskaber og dermed yderligere give indsigt i dets interaktion med actinnetværket og membranoverfladen. Denne metode kan også anvendes til indkapsling af forskellige proteiner af interesse36 og store genstande (mikropartikler, selvkørende mikrosvømmere osv.) tæt på størrelsen af de endelige liposomer28,37.
Flere nøgletrin bestemmer succesen med et højt udbytte af liposomer under forberedelsesprocessen. For helt at opløse lipidfilmen i olien skal prøven sonikeres, indtil lipidfilmen i bunden af hætteglasset forsvinder helt. Efter sonikeringen skal lipid-olieblandingen opbevares natten over ved stuetemperatur under mørke forhold for at lipidmolekylerne kan sprede sig yderligere29. Blandingen kan opbevares ved 4 °C i op til en uge. Ved fremstilling af en FB/olieemulsion med monolags lipiddråber…
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkender finansiering af ARO MURI W911NF-14-1-0403 til MPM, National Institutes of Health (NIH) R01 1R01GM126256 til MPM, National Institutes of Health (NIH) U54 CA209992, NIH RO1 GM126256, NIH U54 CA209992, University of Michigan / Genentech, SUBK00016255 og Human Frontiers Science Program (HFSP) tilskudsnummer RGY0073/2018 til M.P.M. Enhver mening, resultater, konklusioner eller anbefalinger, der udtrykkes i dette materiale, er forfatternes og afspejler ikke nødvendigvis synspunkterne fra ARO, NIH eller HFSP. S.C. anerkender frugtbare diskussioner med V. Yadav, C. Muresan og S. Amiri.
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-{[n(5-amino-1-carboxypentyl)iminodiacetic acid]succinyl} nickel salt (DOGS-NTA-Ni) | Avanti Polar Lipids Inc. | 231615773 | Nickel Lipid |
1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane | Sigma | D27802-25G | DABCO |
Actin protein (>99% pure): rabbit skeletal muscle | Cytoskeleton, Inc | AKL99-D | non-fluorescent G-actin |
Actin protein (rhodamine): rabbit skeletal muscle | Cytoskeleton, Inc | AR05 | fluorescently labeled actin |
Adenosine 5′-triphosphate disodium salt hydrate | Sigma | A2383-10G | ATP |
Alexa Fluor 647 dye | ThermoFisher | fluorescent dye | |
Andor iQ3 | Andor Technologies | control and acquisition software for confocal microscope | |
Arp2/3 Protein Complex: Porcine Brain | Cytoskeleton, Inc | RP01P-A | Arp 2/3 |
Calcium chloride dihydrate | Sigma | 10035048 | CaCl2 |
Chamlide Chambers (4-well for 12 mm round coverslip) | Quorum Technologies | incubation chamber | |
Cofilin protein: human recombinant | Cytoskeleton, Inc | CF01-C | cofilin |
Confocal Microscope (63× oil-immersion objective) | Andor Technologies | LEICA DMi8 | |
D-(+)-GLUCOSE BIOXTRA | Sigma | G7528 | glucose |
Dithiothreitol | DOT Scientific | DSD11000-10 | DTT |
Gelsolin Protein: Homo Sapiens Recombinant | Cytoskeleton, Inc | HPG6 | gelsolin |
Hamilton 1750 Gastight Syringe, 500 µL, cemented needle, 22 G, 2" conical tip | Cole-Parmer | UX-07940-53 | glass syringe |
HEPES | AmericanBio | 7365-45-9 | |
ImageJ/Fiji | https://imagej.net/tutorials/ | ||
L-alpha-Phosphatidylcholine | Avanti Polar Lipids Inc. | 97281442 | EPC |
Magnesium chloride | Sigma | 7786303 | MgCl2 |
Mineral oil, BioReagent, for molecular biology, light oil | Sigma | 8042475 | mineral oil |
N-WASP fragment WWA (aa400–501, VCA-His) | VCA-His is purified using lab protocol. The protocol can be provided upon reasonable requests | ||
Oregon Green 488 1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine (Oregon Green 488 DHPE) | Thermo Fisher | O12650 | DHPE |
Potassium chloride | Sigma | 7447407 | KCl |
Sucrose | Sigma | 57-50-1 | sucrose |
β-Casein from bovine milk | Sigma | C6905-250MG |