The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
Department of Biological Chemistry, Weizmann Institute of Science
Michaelevski, I., Kirshenbaum, N., Sharon, M. T-wave Ion Mobility-mass Spectrometry: Basic Experimental Procedures for Protein Complex Analysis. J. Vis. Exp. (41), e1985, doi:10.3791/1985 (2010).
Ion rörlighet (IM) är en metod som mäter den tid det tar för en jon att resa genom ett trycksatt cell under påverkan av en svag elektrisk fält. Den hastighet med vilken joner korsa driver regionen beror på deras storlek: stora joner kommer att uppleva ett större antal kollisioner med bakgrunden inert gas (vanligtvis N 2) och därmed resa mer långsamt genom IM-enheten än de joner som utgör en mindre tvärsnitt. I allmänhet, den tid det tar för jonerna att migrera trots den täta gasfas separerar dem, enligt deras kollision tvärsnitt (Ω).
Nyligen var IM spektrometri kombination med masspektrometri och en resande-våg (T-våg) Synapt jon rörlighet masspektrometer (IM-MS) släpptes. Integrera masspektrometri med jon rörlighet ger en extra dimension av prov separation och definition, vilket ger en tredimensionell spektrum (massa att ladda, intensitet och drift tid). Denna separationsteknik ger spektral överlappning att minska, och möjliggör upplösning av heterogena komplex med mycket liknande massa, eller massa och laddning nyckeltal, men olika tider drift. Dessutom driver tiden mätningarna ger ett viktigt lager av strukturell information, eftersom Ω är relaterad till den övergripande formen och topologi av jon. Korrelationen mellan de uppmätta värdena glida tid och Ω beräknas med hjälp av en kalibreringskurva som genereras från kalibreringsvätska proteiner med definierade tvärsnitt 1.
Kraften i IM-MS metoden ligger i dess förmåga att definiera den underavdelning packning och övergripande form av protein enheter vid mikromolära koncentrationer, och nära fysiologiska förhållanden 1. Flera nya IM studier av både enskilda proteiner 2,3 och icke-kovalenta komplex protein 4-9, framgångsrikt visat att protein kvartära struktur bibehålls i gasfas, och visat vilka möjligheter detta tillvägagångssätt i studien av protein sammansättningar av okänd geometri . Här ger vi en detaljerad beskrivning av IMS-MS-analys av protein komplex med Synapt (kvadrupol-Ion Mobility-Time-of-flight) HDMS instrument (Vatten AB, den enda kommersiella IM-MS-instrument som för närvarande finns tillgänglig) 10. Vi beskriver de grundläggande optimering steg, kalibrering av kollision tvärsnitt, och metoder för databearbetning och tolkning. Det sista steget i protokollet diskuterar metoder för att beräkna teoretiska Ω värden. Sammantaget gör försök protokollet inte täcker alla aspekter av IM-MS karakterisering av protein församlingar, utan är dess mål att introducera de praktiska aspekterna av metoden till nya forskare inom området.
Förfarandet beskriver vi fokuserar enbart på IM-MS-analys av protein komplex. Därför föreslår vi att forskarna obekant med området strukturella MS Se stegen provberedning, instrumentkalibrering och MS och tandem MS optimering som beskrivs i Kirshenbaum et al. 2009 http://www.jove.com/index/details. STP? ID = 1954. I allmänhet innebär detta protokoll låga mikromolära koncentrationer av komplexa (1-20 M) i en flyktig buffert som ammoniumacetat (0,005 - 1 m, pH 6-8). Med tanke på att 1-2 l förbrukas per nanoflow kapillär, föreslår vi 10-20 l som ett minimum volym, för att möjliggöra optimering av MS villkor.
Del 1: Förvärva ett jon rörlighet-masspektrometri spektrum
| m / z | bo (%) | ramp (%) |
| 960 | 10 | 20 |
| 3200 | 30 | 40 |
| 10.667 |
| Källa | Trap | IMS | Överföring | |
| RF Offset | 450 | 380 | 380 | 380 |
| RF Gain | 0 | 0 | 0 | 0 |
| RF-Limit | 450 | 380 | 380 | 380 |
Del 2: Screening experimentella förhållanden för att säkerställa rörlighet mätningar av infödda strukturer
För att uppnå mycket löst MS toppar, är proteinkomplex ofta aktiveras inom masspektrometer, för att främja strippning av kvarvarande vatten och komponenter buffert 11. Men om aktiveringsenergi höjs över ett tröskelvärde, kan delvis utspelas förmås att bilda flera mellanliggande stater 12, som förmodligen inte att motsvara de infödda, lösning state struktur (Fig. 3A-C). Som ett resultat kan glida tiden topp flyttas och breddas, vilket speglar den heterogena befolkningen i ovikt strukturer.
För att få fram uppgifter glida tid överensstämmer med lösning-fas strukturer är det viktigt att noggrant kontrollera de spänningar som används för att accelerera joner, innan IM separation. Dessutom för hög ms upplösning det är bättre att öka överföringen snarare än Trap spänning. Som IM-enheten är placerad, först, följt av överlåtelsen regionen och TOF analysator, därav följer aktivering IM mätning och jonerna förblir opåverkad, medan MS noggrannheten kan ökas.
För att kontrollera att datainsamling sker under förhållanden som behåller den ursprungliga strukturen av komplexa, rekommenderas att data registreras över en rad experimentella och lösning villkor, snarare än enligt en enda, optimerad uppsättning parametrar:
Del 3: Korrelera mellan värderingar glida tid och tvärsnittsareor
Till skillnad från konventionella IM mätningar, där den uppmätta drift tidsvärden är linjärt relaterade till Ω, i T-vågen IMS-system är tvärsnittsarea definieras av en kalibrering strategi. Således, snarare än ett absolut mått, är en relativ exponentiell korrelation uppstår mellan den uppmätta driver gånger och Ω 1,13: 
där t D är den uppmätta drift tid, och X är andelen konstant som kan utvinnas ur en kalibreringskurva. Kalibreringen är utföraED genom att mäta drift tider av joner med kända Ω (mätt från konventionellt IM experiment).
(Del 1). Alla spänningar och värden trycket bör vara identiska, för att bevara IM separation inställningar.
, Där m / z är massan och laddning förhållandet mellan observerade jon, och c är Enhanced Driftscykel (EDC) fördröjning koefficienten 1. Dess värde, vanligtvis mellan 1,4 och 1,6, är instrument-beroende. EDC-värdet visas i systemet | Förvärv Inställningar | Acquisition Setup fliken. 
Parametrarna X och A kan utvinnas genom att montera tomten till ett linjärt samband. Lutningen X motsvarar den exponentiella andelen faktor och en representerar den passar bestämda konstant.
. Godtagbara värden för r 2 är större än 0,95 (Fig. 4B). Ett lägre korrelationskoefficient värde kan bero på: 
och definiera korrelationskoefficienten. Högre värden än 0,95 är att vänta. 

. Del 4: Definiera värden glida tid
Obligatorisk programvara: MassLynx och Driftscope (vatten).
Del 5: representativa resultat

Figur 1. Schematisk representation av Synapt HDMS instrumentet som visar de stora avstämbara parametrar för IMS-MS förvärvet. Experimentella parametrar som används för IM-MS mätningar är märkta i enlighet med deras position i instrumentet. Den jonstrålar är färgad i rött, och trycket i varje region har utsetts med hjälp av en färgkod. Panelen på botten visar på den potential gradient längs instrumentet och eventuella skillnader som definierar Trap och överföring av energier kollision liksom Bias potential. Alla potentialer läsa-backs refereras till Static offsetspänning som vanligtvis är inställd på 120V.

Figur 2. Ion rörlighet ankomsttid distributioner för Gβυ protein.
A. En hög t-vågen hastighet leder till en smal fördelning av drift tiden profilen. Tomten illustrerar fördelningen ankomsttid för 16 + (röd), 15 + (grön), 14 + (blå), och 13 + (magenta) laddning stater, liksom den totala drift tid profil (i svart) i G βυ protein.
B. En optimerad drift tid spektrum med en mjuk Gaussisk topp form. Liknande färgetiketter som i en.
C. En "roll-over" effekt som uppstår när den tid det tar för joner att korsa rörlighet cellen är långsammare än intervallet mellan injektioner av nya jon-paket i enheten. Som ett resultat visas den förlängda glida tiden topp i början av spektrumet. Denna effekt kan elimineras genom att öka T-våghöjden, och minskar T-vågen hastighet och IMS tryck.
D. konstgjord "krusningar" uppstår när Transfer T-vågen hastighet och påskjutning av frekvens är delvis synkroniserade. Denna effekt kan övervinnas genom att justera antingen pusher frekvens eller Transfer T-våg hastighet.

Figur 3. Effekten av jon aktivering och partiell denaturering villkor för IM-MS spektra av hemoglobin. Täppa för avdrift tid jämfört med m / z för tetrameriskt hemoglobin komplex, med en vattenlösning på 10 mm ammoniumacetat (pH = 7,6) (A, C) och tillägg av 0,1% ättiksyra (B). Data som förvärvats med hjälp Trap spänning kollisionsenergi på 13 V (A, B) och 35 V (C) Även i alla tre panelerna masspektrum (projiceras på den översta) ser ut, med en tetrameriskt avgift serie centrerad vid 4000 m / z, drivan tidsprofil (projiceras på sidorna) är annorlunda (total drift tid distributioni svart, och den 16 + profilen är i rött). Ju längre drift tid på delvis denaturerade provet, som erhållits i B, och gasfas aktiveras joner, som erhålls i C, tyder på en viss utbredning. Denna observation visar att även om den uppmätta massan motsvarar en intakt komplex, är dess lösning strukturen störs. Som en konsekvens är noggrann kontroll av experimentella villkor.

Figur 4. Genom att generera en kalibreringskurva, drift tid mätningar och kollision tvärsnitt kan korreleras.
A. Uppmätta värden glida tiden för flera avgiften delstaterna häst cytokrom C (cirklar), häst hjärtat myoglobin (trianglar) och bovin ubiquitin (torg) var plottas mot litteraturen Ω värden korrigerade för både jon laddningstillstånd och minskad massa. Passformen ger en linjär funktion motsvarande: ln (Ω C) = XLN (t D) + A. De fastställda exponentiell faktor (x), montera bestämd konstant (A) och korrelationskoefficient visas på tomten för data förvärvades till en T-våg hastighet av 350 m / s, och en statisk våghöjd på 11 V. B. Ett histogram av distributioner korrelationskoefficienten från 10 på varandra följande kalibrering experiment.
| Protein prov / tekniska parametrar | GluFibrino- peptid monomer 1,6 kDa | Myoglobin monomer 17 kDa | Hemoglobin tetramer 67 kDa | Transferrin monomer 80 kDa | GroEL 14-Mer 801 kDa |
| Säkerhetskopiera tryck, mBar | 4,4 | 5,0 | 5,1 | 5,1 | 6,5 |
| Trap tryck, mBar | 1.6x10 -2 | 2.4x10 -2 | 2.4x10 -2 | 2.6x10 -2 | 2.8x10 -2 |
| IMS Pressure, mbar | 4.4x10 -1 | 4.4x10 -1 | 4.4x10 -1 | 4.4x10 -1 | 4.2x10 -1 |
| Provtagning kon spänning, V | 46 | 80 | 80 | 80 | 118 |
| Extraktion kon spänning, V | 1,7 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| Bias spänning, V | 20 | 20 | 25 | 25 | 50 |
| Trap kollision energi, V | 20 | 15 | 15 | 15 | 80 |
| Överför kollision energi, V | 5 | 12 | 12 | 12 | 15 |
Tabell 1. Försöksbetingelser som används för analys av makromolekyler.
| Standard Protein | Molekylmassa (m) | Avgifter (z) | m / z | Kollision tvärsnitt (i 2) |
| Cytokrom C | 12.213 | 10 | 1222,3 | 2226 |
| 11 | 1111,3 | 2303 | ||
| 12 | 1018,8 | 2335 | ||
| 13 | 940,5 | 2391 | ||
| 14 | 873,4 | 2473 | ||
| 15 | 815,2 | 2579 | ||
| 16 | 764,3 | 2679 | ||
| 17 | 719,4 | 2723 | ||
| 18 | 679,5 | 2766 | ||
| Myoglobin | 16.952 | 11 | 1542,1 | 2942 |
| 12 | 1413,7 | 3044 | ||
| 13 | 1305,0 | 3136 | ||
| 14 | 1211,9 | 3143 | ||
| 15 | 1131,1 | 3230 | ||
| 16 | 1060,5 | 3313 | ||
| 17 | 998,2 | 3384 | ||
| 18 | 942,8 | 3489 | ||
| 19 | 893,2 | 3570 | ||
| 20 | 848,6 | 3682 | ||
| 21 | 808,2 | 3792 | ||
| 22 | 771,6 | 3815 | ||
| Ubiquitin | 8565 | 8 | 1071,6 | 1442 |
| 8 | 1071,6 | 1622 | ||
| 9 | 952,7 | 1649 | ||
| 10 | 857,5 | 1732 | ||
| 11 | 779,6 | 1802 | ||
Tabell 2. Kalibreringsvätska proteiner och deras kollision tvärsnitt värden som bestäms med konventionella IMS mätningarna 14.
| Enheter | Företag | Katalognummer |
| Synapt HDMS-32K RF generator | Vatten AB | |
| P-97 Flaming-Brown mikropipetten avdragare | Sutter Instrument | P-97 |
| Spotta bestrykningsenhet | Elektronmikroskopi Sciences | EMS550 |
| Binokulärt mikroskop | Nikon | |
| Reagenser | Företag | Katalognummer |
| Ammoniumacetat | Sigma-Aldrich | Sigma, A2706 |
| CsI 99,999% | Sigma-Aldrich | Aldrich, 203.033 |
| Metanol | Sigma-Aldrich | Fluka, 34.966 |
| Ättiksyra | Fisher Scientific | AC12404 |
| Equine myoglobin (från häst hjärtat) | Sigma-Aldrich | M1882 |
| Equine cytokrom c (från häst hjärtat) | Sigma-Aldrich | C-2506 |
| Bovin ubiquitin (från röda blodkroppar) | Sigma-Aldrich | U6253 |
| Hemoglobin | Sigma-Aldrich | H2625 |
| Gas | Kommentarer | |
| Kväve, 99,999% ren | 8 kubikmeter cylinder | |
| Argon, 99,999% ren | 8,8 kubikmeter meterscylinder | |
Tabell 3. Reagenser och utrustning.
Protokollet som beskrivs här gör det möjligt att definiera den del kollision kors proteiner eller proteinkomplex med en okänd tredimensionell struktur, med syfte att ge information om deras övergripande formen, subenhet packning och topologi. För detta ändamål när avsnittet kollisionen över värden är avbildade är det nödvändigt att omvandla dessa värden till strukturella detaljer. Denna process kräver ytterligare experimentella insatser samt beräkningar analys, som kort diskuteras nedan.
Till att börja med, rekommenderas att analysera proteiner eller proteinkomplex med kända strukturer. Dessa mätningar kan ge en nyttig kvalitetskontroll av metoden och kommer att möjliggöra korrekta bedömningen av förvärvet parametrar genom att jämföra teoretiska och uppmätta Ω värden. Den teoretiska tvärsnittsareor kan beräknas från kristallstrukturen koordinater med MOBCAL 15,16 programvaran, som är en öppen källkod FORTRAN baserad programvara som möjliggör kodredigering enligt operatören behöver. För att köra sådana beräkningar är det som krävs för att ändra programmet så att antalet iterativa beräkningar utförs per insatsstruktur ökar och att samordna filer som innehåller ett stort antal atomer accepteras 1.
En IM-MS strategi för att definiera topologiska arrangemang av subenheter inom flerkomponenttextilfibrer församlingar har nyligen föreslagit 4,6. Metoden innebär att övervakningen av dissociation vägar av protein församlingar till mindre komponenter. Denna dissociation sker genom kontrollerad justering av villkor lösning fas, vilket ger upphov till en fördelning av subcomplexes reflekterande av de "byggstenar" i församlingarna. Samtidig mätning av Ω värden av både intakta komplexa och demontering produkter skapar strukturella begränsningar som sedan används för att beräkna topologiska modeller av proteinkomplex. Det grundläggande antagande som ligger bakom denna metod är att den genererade subcomplexes behålla sin infödda-liknande bekräftelser, och faktiskt nyare studier har visat att lösningen struktur demontering produkter upprätthålls och inga större ombildning i någon lösning eller faser gas har inträffat 4,6.
Det sista steget i tilldelningen av kvartära struktur till gasfas proteinkomplex joner är passande kollisionen värden tvärsnittet till datorgenererade modeller. Modellering används för att undersöka de olika möjliga topologiska arrangemang av subenheter och deras in silico Ω värden beräknas och jämförs med experimentella sådana. För närvarande endast ett fåtal beräkningar metoder används, som spheretype grovkorniga metod som efterliknar diameter subenheter 1,8. På det hela taget är detta område fortfarande är i sin tidiga år och ytterligare utveckling krävs för att göra detta tillvägagångssätt generisk, och som gäller för ett brett spektrum av komplex.
Inga intressekonflikter deklareras.
Författarna tackar Sharon gruppmedlemmarna för deras kritiska granskning och för deras bidrag till manuskriptet. Vi är tacksamma för stödet från Morasha och Bikura program, Israel Science Foundation (Grant Nos 1823-1807 och 378/08), den Josef Cohn Minerva Centrum för Biomembrane forskning, Chais Familj Fellows program för nya forskare, Abraham och Sonia Rochlin Foundation, den Wolfson Family Charitable Trust, Helen och Milton A. Kimmelman Center för biomolekylär struktur och församlingen, dödsboet efter Shlomo och Sabine Beirzwinsky; Meil de Botton Aynsley, och Karen Siem, Storbritannien.