我们提出一种构建分子穿梭装置的方案,其中表面附着的驱动蛋白马达推动带有染料标记的微管。驱动蛋白与表面之间的弱相互作用使其能够可逆地附着于表面,从而形成一种纳米尺度系统,该系统在保持功能完整性的同时,展现出组分的动态组装与解聚行为。
方法文章
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我们提出一种构建分子穿梭装置的方案,其中表面附着的驱动蛋白马达推动带有染料标记的微管。驱动蛋白与表面之间的弱相互作用使其能够可逆地附着于表面,从而形成一种纳米尺度系统,该系统在保持功能完整性的同时,展现出组分的动态组装与解聚行为。
本方案描述了如何构建由驱动蛋白驱动的分子穿梭系统,其中驱动蛋白与表面之间为弱结合且可逆的连接。与以往的方案不同,在该系统中,微管从溶液中招募驱动蛋白马达分子,并将其放置在表面上。这些驱动蛋白随后促进微管在表面滑动,之后再解吸回到主体溶液中,从而能够被再次招募。这种持续的组装与解离过程导致系统表现出显著的动态行为,例如滑动的微管形成短暂存在的驱动蛋白轨迹。
本实验将描述多种实验方法:采用紫外-可见光分光光度法(UV-Vis spectrophotometry)测定试剂储备溶液的浓度;盖玻片将首先经过臭氧和紫外(UV)处理,随后进行硅烷化,再安装至流动池中;利用全内反射荧光(TIRF)显微镜同时对驱动蛋白马达和微管纤维进行成像。
调控活性纳米系统行为的相互作用通常以长寿命、近乎不可逆的键合为特征1,2,3,4,5,6,7,8。一个被广泛研究的例子是微管-驱动蛋白系统,其中微管在表面固定且不可逆结合的驱动蛋白马达作用下发生滑动运动1,2,3,4,5。虽然组件之间可逆连接的系统已在理论上得到研究9,10,并在宏观尺度上实现11,12,但将其缩小至纳米尺度仍具挑战性。其主要难点之一在于,组件间键的断裂与重新形成通常需要环境条件发生较大变化。尽管此前已有研究实现了此类条件调控13,14,15,但这些方法依赖于对系统本身的修改,而非使其适应所处环境。设计能够在不干扰实验整体环境的前提下,持续自组装并重新组织形成结构的分子尺度系统,将为探索多种动态行为开辟新的途径16,17。
在此,我们介绍并演示构建一种在纳米尺度上动态组装与解离系统的详细方案。该系统及其基本行为此前已有介绍18:微管纤维由轨道驱动 可逆地 表面结合的驱动蛋白-1分子。这些驱动蛋白分子从溶液中被招募至表面,以推动微管向前运动,随后很快从表面解吸。一旦回到溶液中,它们可再次被招募以推动新的微管。在过去13,14,15,键的断裂与重新形成需要环境条件的改变;相比之下,我们的流动池环境保持不变,而驱动蛋白马达与表面发生相互作用。
本方案将帮助感兴趣的科研人员:(1)直观了解该方案的全部步骤,以及(2)协助解决此类检测中的问题。本方案源自 Howard 等人 1993 年描述的实验流程19。
1. 溶液配制
警告:本实验方案中使用的三种试剂(甲苯、二甲基二氯硅烷和二硫苏糖醇)具有高毒性。使用前请查阅相关的材料安全数据表(MSDS)。此外,本实验的部分操作需要在更高防护级别下进行,并按要求佩戴安全护目镜和两副防护手套。除非另有说明,实验可在实验台面上进行,但必须使用所有适当的人体防护装备(安全护目镜、手套、实验服、长裤和封闭式鞋履)。
注意:本方案中所用 ATP、驱动蛋白和微管的浓度可根据每个实验的具体需求进行调整。但若进行调整,请确保其他试剂的最终浓度与下文所述保持一致。所有实验均在室温下进行(约 25 °C)。
2. 组装流动池
3. 将溶液注入流动池
4. 成像流动池
在这些实验中,我们使用了第 1.3.2 节制备的微管溶液,稀释倍数为 1,000 倍。驱动蛋白的浓度为 20 nM,ATP 浓度为 1 mM。成像采用全内反射荧光显微镜(TIRF)进行。微管的滑动与驱动蛋白被分别成像:微管在 647 nm 激光激发下可见(图 1,红色),而 GFP 标记的驱动蛋白在 488 nm 激光激发下可见(图 1,绿色)。红光与绿光激发之间的时间间隔小于 1 秒,帧间时间为 10 秒。微管表现出稳定的滑动行为,平均滑动速度约为 800 nm/s。微管的表面密度为 400 mm-2。驱动蛋白轨迹(绿色)看起来延伸至微管(红色)后端之外数微米。

图1:由弱表面结合的驱动蛋白马达推动的滑行微管。 当微管向前移动时,会从溶液中捕获驱动蛋白马达。这些马达在两种状态之间交替:单结合于微管,以及同时双结合于微管和表面。当一个双结合的马达到达微管末端时,该马达被遗留在表面,并以约0.1 s-1的解离速率缓慢从表面解吸。因此,微管后方留下了驱动蛋白马达的轨迹。上排:红色(微管)通道。中排:绿色(驱动蛋白)通道。下排:红色(微管)和绿色(GFP-驱动蛋白)通道的合并图像。比例尺:20 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。
在本研究中,我们展示了一种活性纳米系统,该系统能够通过自组装弱结合的构建单元来构建自身的运动轨道。如图1所示,滑动的微管从溶液中富集驱动蛋白马达,并将其沉积在表面。驱动蛋白马达在微管经过后短暂地保留在其尾迹中,随后重新回到溶液。因此,在本实验中,驱动蛋白马达在三种状态之间交替:
(1)微管单结合态:这是驱动蛋白首次与微管结合的状态,与状态(2)处于平衡。
(2) 双结合状态:在此情况下,一个与微管单边结合的驱动蛋白同时与表面结合 通过 其His标签。这种双结合状态能够实现微管的推动。
(3)一种表面结合状态:双结合的驱动蛋白走到了微管末端且尚未从表面解吸时即处于此状态。这些马达分子可在图1(合并图像与绿色通道)中观察到:它们在微管尾端后方延伸数微米,形成逐渐减弱的轨迹。
该方案中最关键的步骤是在载玻片上形成疏水表面。这一步骤不仅涉及危险化学品的使用,而且能使带有NTA基团修饰的PEG-PPG-PEG在表面形成包被,从而允许驱动蛋白可逆地结合到表面。另一个重要步骤是用封片脂密封流动池。这可以防止流动池中的液体蒸发,从而实现长时间成像。
对该技术的主要改进包括改变微管浓度、驱动蛋白浓度和ATP浓度。改变微管浓度会影响在表面滑动的微管数量。改变驱动蛋白浓度会影响能够与微管结合的驱动蛋白分子数量。然而,将驱动蛋白浓度提高到本实验已定义的水平以上可能会增加背景荧光,从而更难观察到滑动微管留下的驱动蛋白轨迹。同时,将ATP浓度降低至10 µM以下会显著降低微管滑动速度。如果需要实现这一效果,则必须使用由磷酸肌酸激酶和磷酸激酶组成的ATP再生系统。
该技术的一个可能局限性在于,由于系统中含有大量的活性驱动蛋白,ATP 可能被迅速消耗,导致实验在某些条件下持续时间不足一小时。例如,若驱动蛋白浓度比本方案中所述高出两倍,且微管浓度高出五倍,则可能出现这种情况。
在我们之前的研究18中,我们研究了驱动蛋白马达在微管上的空间分布,证明了滑动微管能够从溶液中富集驱动蛋白马达,导致微管长度方向上的马达密度增加。我们还发现,微管滑动的稳定性对溶液中驱动蛋白浓度和微管速度呈非线性依赖关系。
本方案为蛋白质马达在纳米级工程系统中的更高效应用以及对处于动态平衡的活性纳米系统设计的进一步研究奠定了基础。此外,该系统的动态特性使其可作为研究分子组分自修复和动态替换的模型系统,从而部分弥合了人工工程结构与天然结构之间的差距。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者们谨此感谢美国国家科学基金会(NSF)项目 NSF-DMR 1807514 提供的经费支持。作者们感谢 G. Bachand 和 V. Vandelinder 提供 GFP-驱动蛋白(GFP-kinesin)蛋白。本工作部分在综合纳米技术中心完成,该中心是美国能源部(DOE)科学办公室下属的科学用户设施,由洛斯阿拉莫斯国家实验室(合同号 DE-AC52-06NA25396)和桑迪亚国家实验室(合同号 DE-AC04-94AL85000)运营。作者们感谢 Jennifer Neff 博士及 AllVivo Vascular 惠赠 NTA 功能化的 PEG-PPG-PEG。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 488 nm 激光器 | Omicron Laserage | LuxX 488-150 | |
| 642 nm 激光器 | Omicron Laserage | LuxX 642 | |
| 酪蛋白 | Sigma | C7078-500G | |
| 牛肝过氧化氢酶 | Sigma | C40-500MG | |
| 磷酸肌酸 | Sigma | P-7936 | |
| 肌酸磷酸激酶 | Sigma | C3755-500UN | |
| D-葡萄糖 | Sigma | G2133-50KU | |
| 二氯二甲基硅烷溶液 | Sigma | 40140-25ML | 有毒的 |
| 二甲基亚砜 | Sigma | 34869-100ML | |
| 二硫苏糖醇 | Sigma | D0632-5G | 有毒的 |
| Eclipse TI | 尼康仪器公司 | ||
| eGFP rkin430 | 由 George Bachand 提供 | ||
| EGTA | Sigma | E4378-25G | |
| Falcon 50 mL 圆锥形离心管 | Fisher Scientific | 14-959-49A | |
| 葡萄糖氧化酶 | Sigma | G0543-10KU | |
| 三磷酸鸟苷 | Sigma | G8877-10MG | |
| Kimwipes 超细擦拭纸 | Sigma Pharmaceuticals | 8089 | |
| 氯化镁 | Sigma | M1028-100ML | |
| 甲醇 | Fisher Chemical | A412 | 有毒的 |
| Milli-Q 超纯水净化系统 | 默克密理博公司 | ||
| 硫酸镍 | Sigma | 656895-50G | |
| 紫杉醇 | Sigma | T1912-5MG | |
| PIPES | Sigma | P-6757 | |
| Pluronic F108-NTA | 由 Jennifer Neff 和 AllVivo Vascular 提供 | PEG-PPG-PEG-NTA | |
| 泊洛沙姆 F-108 | Sigma | 542342-250G | PEG-PPG-PEG |
| 赛默飞世尔科技 Snap Cap 低吸附微量离心管 | Fisher Scientific | 21-403-190 | |
| 甲苯 | Fisher Chemical | T324 | 有毒的 |
| 微管蛋白,HiLyte647标记 | Cytoskeleton, Inc. | TL670M | |
| UV臭氧Procleaner | BioForce 纳米科学 | PC440 | |
| Whatman Puradisc 注射器滤器 | Sigma | WHA67840402 | |
| Zyla 4.2 sCMOS 相机 | Andor Technology | sCMOS 4.2 |
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