本文介绍了由微管和驱动蛋白马达制备活性向列相的方法,包括蛋白质的制备与构建,以及利用微井实现活性向列相的限制。
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本文介绍了由微管和驱动蛋白马达制备活性向列相的方法,包括蛋白质的制备与构建,以及利用微井实现活性向列相的限制。
基于生物大分子的活性相的形成已成为研究人员探索活性液晶这一新兴领域及其在细胞生物学中可能作用的重要技术。这些新型系统由能够局部消耗能量的自驱动亚单元组成,从而产生非平衡态的动态流体。为了形成本文所述的活性液晶相,需将包括生物大分子和分子马达在内的纯化蛋白质组分混合,并在三磷酸腺苷(ATP)存在下自发形成活性向列相。为了观察向列态,必须将材料限制在适合显微镜观察的几何结构中,并达到足够高的密度。本文介绍了两种利用微管和驱动蛋白马达构建活性向列相的方法:在油水界面处组装二维活性层,以及在弹性体微腔中利用油层覆盖进行组装。同时还描述了将活性材料置入不同形状小型微腔的技术。
活性流体由从局部环境中获取能量的粒子或组分构成,这些粒子或组分能够利用能量驱动自身运动。在适当条件下,这些具有运动能力的活性组分可协同作用,在大尺度上产生涌现性的流体动力学行为。文献中已报道了多种此类非平衡态相行为的例子,活性相广泛存在于各类生命系统中。一些典型实例包括细菌菌落1、细胞层2,3,以及生物体的成群运动或集群行为4,5。活性相也在细胞骨架丝状结构的凝聚相中得到了广泛研究,无论是在细胞内部6,还是在利用生物提取组分构建的合成系统中均有涉及7,8,9。天然或合成生物提取系统中形成的液晶有序结构及其拓扑缺陷的产生尤其受到研究领域的关注。近年来,多个研究团队已对这些系统、其基本物理特性及其在生物学中的意义进行了深入探讨2,3,10,11。
本文重点研究由微管和驱动蛋白马达蛋白组合形成的活性向列相态。传统的向列相液晶是一种处于热力学平衡态的物质相,其组成分子表现出取向有序性。例如,由相对刚性的棒状分子组成的流体可能在较低温度下呈现向列相,而在较高温度下则转变为无取向的各向同性流体相。12首个活性向列相的实验实例由 Sanchez 等人开发。13,改编自早期方法 体外 实验14 其中利用运动蛋白的簇集在相邻微管束之间产生剪切运动。当该微管系统被限制在薄层中时,会自发出现向列相有序结构。近年来,多个实验团队已对活性向列相态进行了深入研究15,16 和理论的17,18 研究团队,聚焦于主动湍流等现象——即流体产生自驱动混沌流动的状态19 —以及可移动的拓扑缺陷。本文描述了利用微管和驱动蛋白马达在不同实验几何条件下制备和形成活性向列相的方法。首先介绍各组分溶液的制备方法,随后介绍使用两种不同流动腔几何结构形成活性向列相的实验步骤。展示了典型的成像结果。最后,描述了将活性向列相限制在微孔和微通道中的方法。
1. Preparing the active material
NOTE: The 2D active nematic is assembled in a three-step process. First, two separate solutions are prepared: a) polymerized, stabilized microtubules and b) MIX (a solution containing kinesin motors). These are combined and activity is initiated upon adding adenosine triphosphate (ATP). The material is then confined in a suitable geometry, such that its density is high enough for nematic order to emerge. Protocols are included for the preparation of all necessary components and how to assemble the active phase.
2. Creating the active nematic
NOTE: Activity in the material is initiated by ATP addition. The active network is prepared fresh for each experiment by adding ATP at a concentration high enough to induce motor activity. To form a uniform, fully developed active nematic phase, the microtubules must be at a sufficiently high density. This can be achieved by confining the microtubules in between two immiscible fluids to form a two-dimensional (2D) active nematic layer. This method was originally developed at Brandeis University13 and remains a popular technique for producing a homogeneous, high quality, active nematic phase.
3. Preparing active nematics in confined geometries
NOTE: Active nematics such as this quasi-two-dimensional system can be challenging to confine into small microfluidic geometries such as wells or channels. Here, a reliable method to confine the material into different shaped PDMS wells is described.
图1展示了由GMPCPP微管蛋白制备的单根微管的代表性图像。图像中显示了长度相近的短微管(存在一定分散性)。对微管溶液进行充分稀释后,应能获得彼此分离良好的微管图像,以便验证其长度。由于微管尺寸较小,单独成像可能存在挑战。建议使用专为荧光显微镜设计的高灵敏度相机以获得最佳效果。图2和图3分别展示了采用流动池法(第2.1节)和倒置法(第2.2节)成功实验所获得的荧光显微图像示例。良好形成的活性向列相层在纹理上均匀一致,无明显空洞区域,并存在可移动的拓扑缺陷。但需注意,缺陷核心处可能存在一些可接受的小型空隙。除图2和图3所示示例外,还提供了三个补充视频(视频1、视频2和视频3),用于展示成功实验中活性向列相应呈现的形态。所有视频均显示活性向列相具有平滑连续的运动特征。材料达到稳态后,微管浓度无明显变化。只要系统中存在足够的ATP,材料将持续保持均匀运动。

图1:GMPCPP微管的荧光显微镜图像。 GMPCPP微管以4%罗丹明标记的微管蛋白进行标记,并在37 °C下聚合20分钟。成像在室温下进行。比例尺 = 10 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:流动池中的微管向列相。 (A)流动池的横截面示意图,几何尺寸为 1 mm × 18 mm。(B)流动池的俯视示意图。(C)荧光显微镜图像,显示活性溶液在油/水界面组装前的典型外观。(D)活性向列相在流动池内油/水界面处组装后的荧光显微镜图像。比例尺 = 100 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:采用倒置法制备的活性向列相的荧光显微镜图像。 比例尺 = 200 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:流程图,展示在PDMS微腔中实现活性向列相材料限制的方法,包括模具制备和表面处理。 右侧图像(受限的活性材料)中的比例尺 = 200 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
视频 1:使用流动池法制备的活性向列相的代表性结果。 请点击此处下载该视频。
视频 2:采用倒置法制备的活性向列相的代表性结果。 请点击此处下载该视频。
视频3:使用倒置法制备并限制在椭圆形微井中的活性向列相的代表性结果。 请点击此处下载该视频。
在整个实验方案中,实验人员有几个关键步骤可以进行重要检查。在将任一装置填充活性材料之前,应使用荧光显微镜(见图1)检查微管是否已聚合,理想长度约为2–3 µm。若在显微镜下无法观察到微管,则可能已发生去聚合,导致活性向列相无法形成。由于单个微管非常细小,直接通过显微镜观察可能存在困难。本研究中使用了专为低光照条件设计的高质量荧光相机,并结合配套软件来确认丝状结构的生长情况。此阶段不应出现明显的荧光聚集体,否则可能提示去聚合或存在变性蛋白。此外,建议制备一个简单的显微镜检测载片,将微管、MIX和ATP按方案中所述比例混合。组分混合后应立即出现活性,材料状态应与图2C所示相似,可见束状结构及明显的丝状物运动。
使用流动池方法时,离心时间和流动池的取向对于形成均匀的活性层至关重要。此步骤可能需要根据所使用的离心机类型进行一些细微调整。将流动池的活性面垂直于旋转平面进行离心,可获得最佳效果,因为这样可使材料均匀地推向液体界面。离心前务必仔细检查流动池是否已密封良好。
采用倒置法制备受限活性向列相时,有几个步骤需要优化。首先,必须使用能够产生高分辨率结构的3D打印方法。不平整的侧壁可能导致微管滞留,从而扰乱流动。微孔不宜过深(本研究中使用的微孔深度为150-200 µm,并覆盖2 mm厚的油层)。实验人员可能需要通过反复试验略微调整这些参数,以获得最佳结果。
不同作者已采用流动池法和倒置法研究了多种影响活性流动的因素,包括不同类型的油12和浸没结构13。方法的选择取决于实验目的。由于覆盖液体的不同,流动池法在活性层上方进行光学成像时,成像清晰度优于倒置法。在流动池法中,成像是透过玻璃盖玻片和一层薄水进行的,而倒置法则将油层置于上方。这意味着倒置法需要使用长工作距离物镜,且成像质量有所降低。通过比较图2D(流动池法)与图3(倒置方法),以及分别对应的视频 1和视频 2,可以观察到成像质量的差异 。图3所用物镜的放大倍数较低,但工作距离更长,而图2所用物镜则相反。如果具备合适的倒置显微镜,并搭配适用于载玻片基底且工作距离适当的物镜,则可避免倒置法的这些成像劣势。此外,可使用更薄的玻璃作为基底,以允许使用标准工作距离的物镜。
其优势在于,倒置构型可使用更广泛黏度范围的油,且不一定需要摆动桶式离心(如果设备不可用),并且一旦模具制备完成,系统的组装相对更简便。然而,采用倒置法在孔中进行限域时,可能需要一定的离心步骤,以使材料形成明确的二维层状结构。
近年来,流动池法在需要连续活性层的实验中取得了非常成功的应用。我们近期的研究关注了活性层中拓扑缺陷的动力学行为,其中高质量成像和纹理分析至关重要19。此外,流动池法还被用于研究油浸微结构对活性流动的影响16,以及利用柱状结构捕获活性流动中的缺陷31。该方法在形成连续活性层方面效果良好,且成像质量优异。然而,用于制备最终二维活性层的离心步骤操作较为困难,且流动池容易发生泄漏和产生气泡。倒置法是一种非常有用的替代方案,成功率高,易于构建,只要能够制备出高分辨率的三维打印主模具,即可适用于任意基底图案或几何形状。该方法在研究几何限域对活性向列相动力学影响方面也具有优势,因为它使填充微井的过程相对简便。
本文介绍了两种由微管和驱动蛋白马达构建活性向列相的方法,以及一种将材料限制在微孔中的技术。该系统是目前文献中最为清晰的活性向列相实例,已被全球多个研究小组成功复现。这种材料的重要性不仅在于其组分具有生物学来源,更在于它开辟了活性有序流体研究的全新方向。通过研究该系统并阐明其基本特性,科学家有望推进全合成活性相的设计与实现。
聚焦于限制条件对活性向列相影响的实验,有望回答关于拓扑限制下活性流动和拓扑缺陷动力学行为的基本问题。本文介绍的方法将有助于开展多种以几何结构为核心的实验及其分析,包括微流控和活性混合研究。
本工作中使用的一些材料由 Cytoskeleton Inc.(美国丹佛)免费提供。
作者谨此感谢美国国家科学基金会(NSF)提供的慷慨资助,项目编号为 DMR-1808926。本项目还得到了美国国家科学基金会通过加州大学默塞德分校科学与技术研究中心卓越中心:细胞与生物分子机器中心(HRD-1547848)以及布兰迪斯大学生物材料设施材料研究科学与工程中心(DMR-2011846)的支持。我们感谢加州大学默塞德分校的 Bin Liu 博士在3D打印模具方面的协助,以及 Jordi Ignes 博士在开发倒置实验方法过程中提供的科学建议。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 20 kD PEG(聚乙二醇)) | Sigma Aldrich | 1419109 | 消耗剂 CAS 号:125061-88-3 |
| 3-(三甲氧基硅烷基)甲基丙烯酸丙酯 | Sigma Aldrich | M6514-50ML | CAS 号:2530-85-0 |
| 3D 打印机 &树脂 | Phrozen | Phrozen 声波迷你 8K 3D 打印机 - 水灰色 8K 树脂 | |
| 40% 丙烯酰胺溶液 | BIO-RAD | 1610140 | CAS 编号:7732-18-5、79-06-1 |
| 乙酸 | Fisher | CAS 编号:64-19-7 | |
| 丙酮 | Sigma Aldrich | CAS 编号:67-64-1 | |
| 粘合片材(注意:"石蜡膜"是一种替代品) | Grace Bio-Labs | 620001 | SecureSeal |
| 过硫酸铵 | Sigma Aldrich | A3678 | CAS号:7727-54-0 |
| Aquapel (注:"RainX"是一种替代品) | Aquapel 玻璃处理 | 水性玻璃处理 | |
| ATP(三磷酸腺苷) | Sigma Aldrich | A1852 | CAS号:34369-07-8 |
| 烧杯 | VWR | ||
| 过氧化氢酶 | Sigma Aldrich | C9322 | CAS 编号:"9001-05-2" |
| 干燥器 | Bel-art | ||
| 数码 CMOS 相机 | 滨松 | ORCA - Flash4.0 LT+ | |
| DTT(二硫苏糖醇) | Sigma Aldrich | D9779 | CAS 编号:"3483-12-3" |
| EGTA(3,12-双(羧甲基)-6,9-二恶杂-3,12-二氮杂四癸烷-1,14-二酸) | Sigma Aldrich | MFCD00004291 | CAS 号:67-42-5 |
| 乙醇 | Sigma Aldrich | CAS 号:64-17-5 | |
| 荧光显微镜 | Leica | DM 2500P | |
| 玻璃盖玻片 | VWR | 48368-040 | |
| 载玻片 | VWR | 16004-430 | |
| 葡萄糖 | Sigma Aldrich | G7021 | CAS 号:50-99-7 |
| 葡萄糖氧化酶 | Sigma Aldrich | 345386 | CAS号:9001-37-0 |
| GMPCPP(鸟苷酸酯 5'-&α;,&β;-亚甲二膦酸盐) | Jena Bioscience | NU-405S | CAS号:14997-54-7 |
| HFE7500油 | 3M | ||
| 热板 | Fisher Scientific | 添益隔热板型号 100M | |
| 异丙醇 | VWR | ||
| KCl(氯化钾) | Sigma Aldrich | P5405 | CAS号:7447-40-7 |
| 甲醇 | Sigma Aldrich | CAS号:67-56-1 | |
| MgCl2 (氯化镁) | Sigma Aldrich | 208337 | CAS号:7786-30-3 |
| 微量离心管 | Eppendorf - Thermo Fisher | 1.5 mL | |
| 纳米纯水器 | Sartorius | arium mini | |
| NaOH(氢氧化钠) | Sigma Aldrich | SX0603 | CAS号:1310-73-2 |
| 培养皿 | VWR | ||
| PH 计 | Thermo Scientist | Orion 3 STAR | |
| 磷酸烯醇-丙酮酸 (PEP) | Sigma Aldrich | MFCD00044476 | CAS号:4265-07-0 |
| PIPES (1,4-哌嗪二烷磺酸) | Sigma Aldrich | CAS 编号:5625-37-6 | |
| 移液器(0.2 - 1000 µl) | VWR | ||
| Pluronic F-127 | Sigma Aldrich | 2594628 | |
| RAN 表面活性剂(注:Emulso 的"FluoSurf"是一种替代品) | Ran Biotechnologies | 008-氟表面活性剂-2wtH-50G | |
| 硅油(100mpa s-1000 mpa s) | Sigma Aldrich | CAS 编号:63148-52-7 | |
| 链霉亲和素 | Thermofisher | S888 | |
| 水平吊篮离心机 | Thermo Scientist | Sorvall legend RT+ | |
| Sylgard 184 弹性体底座 | World Precision Instruments | SYLG184 | |
| Sylgard 184 弹性体固化剂 | World Precision Instruments | SYLG184 | |
| 台式离心机 | Eppendorf | MiniSpin Plus | |
| TEMED (四甲基乙二胺) | BIO-RAD | 1610800 | CAS 编号:110-18-9 |
| Trolox(6-羟基-2,5,7,8-四甲基色-2-羧酸) | Sigma Aldrich | MFCD00006846 CAS 编号:53188-07-1 | |
| 微管蛋白 | 细胞骨架 | T240-B | |
| 微管蛋白(罗丹明标记) | 细胞骨架 | TL590M-A | |
| 超速离心机 | Beckman | Optima Max-TL | |
| UV Light | RapidFix | ||
| UV 固化胶(注意:"Norland NO81"是一种替代品) | RapidFix | ||
| 水浴 | Thelco | ||
| Whatman 滤纸 | Sigma Aldrich | WHA1001325 |
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