February 9th, 2017
我们介绍了使用 TIRF 显微镜从大型供体-受体网络获取 smFRET 数据的设置和实验程序。使用贝叶斯推理软件 Fast-NPS 对这些测量值进行逐步分析,通过应用适应性染料模型产生高分辨率的结构信息。
Fast Nano 定位系统的总体目标是通过将单分子 FRET 实验与严格的统计分析相结合,提供生物分子的实时结构信息。该方法回答了结构生物学领域的关键问题,例如标准结构生物学工具无法应用的大分子中柔性结构域的定位。与其他基于 FRET 的结构工具相比,快速 NPS 的主要改进是,不仅可以使用最可能的位置,还可以使用三维概率分布来比较不同的染料模型。
该技术的主要优点是它将来自蛋白质数据库的结构数据与定量单分子荧光测量相结合。要开始该程序,请组装流动室和样品架。要准备入口和出口螺钉,请将硅胶管拧入空心片螺钉中,然后用剃须刀片将管子的两端笔直切割。
将凸片螺钉拧到样品架上。将流通室的石英滑孔与样品架螺纹对齐。轻轻拧紧玻璃支架螺钉,将流通室固定到位。
将20 厘米长的硅胶管拧入入口和出口螺钉中。用 500 微升 PBS 清洗流通室。然后用 PBS 中的 100 微升中性亲和素溶液冲洗流通室,确保在入口管的末端形成液滴,以防止空气进入样品室。
每次作后,将入口和出口管夹紧,以排除空气进入流通室。在室温下孵育腔室 15 分钟。然后,用 500 微升 PBS 洗出中性亲和素溶液。
在棱镜上加入一滴浸油,然后将棱镜拧到样品室上。使用全内反射荧光显微镜获取单分子 FRET 数据。启动相机软件和载物台压电电机软件。
将腔室水平安装到 TIRF 显微镜的千分尺载物台上,尽可能笔直,并使其与所有三个激光器相交。添加浸没液,并通过检查红外反射来聚焦显微镜物镜。设置摄像机参数、文件路径和自动递增参数。
开始实时相机馈送并使用所有三种全强度的激光漂白背景荧光。然后,调低激光强度。然后,将 100 μL 荧光珠溶液加载到腔室中。
等待 10 分钟,让珠子结合到腔室表面。记录视野为 50 至 100 个珠子的影片,并使用较高的峰查找阈值执行批量分析。加载影片文件,并选择两个在视野对角处具有不同中心的微珠。
选择这些微筋中最大强度的像素。取下并清洁棱镜。准备第二个样品室,并将棱镜架拧到样品室上。
将腔室安装到千分尺载物台上。然后,将 100 微升 50 至 100 皮摩尔的生物素化荧光标记样品溶液加载到腔室中。等待分子与腔室表面结合。
同时单击 Take Signal 开始记录并打开供体激发激光器。调整激光功率,确保视野中至少 80% 的分子被漂白,然后,移动腔室以显示未漂白的区域,并录制下一部电影。以这种方式漂白样品室的其余部分。
在 TIRF 显微镜上测量后,需要分析采集的单分子 FRET 数据以产生平均 FRET 效率。对样品的供体和受体视频进行批量分析。然后,在数据分析软件中加载批处理的电影文件。
单击按钮 NOT Selected(未选择)以指示各个 FRET 阶段。单击 FRET 期的开始,然后单击受体强度因漂白而降低的时间点,最后是供体强度因漂白而降低的时间点。在下一个窗口中,选择 Yes 以保留选定的 FRET 效率跟踪。
分析完每个分子后,保存轨迹并分析下一部电影。分析完成后,运行脚本以合并 FRET 结果。使用默认输入选项将组合的逐帧 FRET 文件导入数据分析软件。
将数据绘制为直方图,并使用非线性曲线拟合工具拟合高斯。超出值是主要的 FRET 效率。使用紫外可见分光光度计和荧光光谱法确定每种染料的各向同性 Forster 半径和稳态各向异性值。
纳米定位系统的灵感来自著名的 GPS,因为我们定位了一个未知的位置,即天线,以及几个已知位置的卫星。要开始 NPS 分析,请启动 FastNPS 软件并创建新的作业文件。要定义已标记天线和卫星的位置先验,请在 ModelDyePrior 窗口中输入要定义的位置的空间分辨率。
通过加载相应的居中 PDB 文件来排除内部的大分子。输入染料直径和骨架化距离。填写可能的染料位置的最小和最大位置坐标。
如果要定义的位置是卫星,请选择通过柔性连接器进行染料连接,然后输入居中 PDB 文件中的原子坐标。填写链接器的长度和直径。单击 calculate accessible volume(计算可访问体积),保存之前的位置,然后将其导出以进行可视化。
对所有卫星和天线重复此过程。定义位置后,打开 Define Measurement 窗口,并创建一个新的染料分子。加载与该染料关联的位置。
填写荧光各向异性,选择合适的染料模型,然后激活染料。重复此过程,直到定义完所有染料。然后,创建一个新的测量。
从定义的染料中选择一对 FRET对。输入有误差的单分子 FRET 效率,以及该染料对的各向同性 Forster 半径,然后激活测量。对所有染料对重复此作。
接下来,打开计算窗口。如果已将染料分配给不同的模型,请选择 User Defined。否则,请选择要用于所有染料的模型。
执行计算,然后打开结果窗口。使用 FastNPS 时,重要的是要记住为所有染料调整模型,以最大限度地减少可信的体积,同时当然保持一致。如果一致性低于 90%,请单击详细一致性,并识别一致性低于 90% 的条目共有的染料。
打开 Define Measurement 窗口,并更改相关染料的模型。在 User Defined 模式下重新运行计算。单独或批量导出可靠体积的染料。
在可视化软件中打开密度文件,并将可信度调整到所需的级别。在古细菌 RNA 聚合酶开放启动子复合物内的未知天线分子和几个已知卫星分子之间测量单分子 FRET 效率。该数据的 NPS 分析确定了这些染料分子相对于古细菌 RNA 聚合酶开放启动子复合物的可信体积。
使用染料分子的 5 种不同模型,并比较了结果。当使用假设染料只能在未知方向的锥体内自由旋转的模型计算时,可信体积与测量数据一致。特别是经典模型是最保守的,因为它进一步假设染料位于固定位置。
这会产生相对较大的可信交易量,但交易量通常包含正确的位置。更高精度的模型使用染料在其荧光寿命内完全自由旋转的假设。与经典模型一样,iso 模型假定染料位于可访问体积内的固定位置。
meanpos-iso 模型假设对所有可能的位置进行动态平均。虽然 iso 模型的可信体积比非 iso 模型计算的可靠体积小得多,但它们与测量数据不一致。我们想开发一种技术,使我们能够捕获瞬态复合物的动态结构信息,这是现有结构工具无法解决的问题。
记录单分子 FRET 数据后,FastNPS 分析可在几个小时内完成,从而可以快速比较不同的染料模型。按照此程序,可以随后执行其他方法,如 MD 模拟,以获得与实验单分子 FRET 数据一致的结构化模型。
本文介绍了使用全内反射荧光(TIRF)显微镜获取单分子FRET(smFRET)数据的详细步骤。该方法整合了贝叶斯推断软件,用于生物分子的增强结构分析。
This method enables biopharma R&D teams to resolve dynamic structural information of transient biomolecular complexes that are inaccessible to conventional structural biology tools. By integrating single-molecule FRET data with Bayesian inference, it provides quantitative three-dimensional probability distributions that capture experimental uncertainty and support mechanistic de-risking in target validation. The approach enhances predictive confidence in early discovery by localizing flexible domains and informing structure-based design where standard techniques fail.
The method positions itself within the discovery continuum from hypothesis testing in early discovery to lead identification and preclinical validation, enabling iterative refinement of structural models consistent with experimental smFRET data.