2017年10月1日
该协议展示了一个简单, 稳健和高吞吐量单分子流动拉伸试验研究 one-dimensional (1D) 分子沿 DNA 扩散。
该程序的总体目标是构建一种简单、稳健且高通量的单分子流拉伸测定法,用于研究分子沿 DNA 的运输。这是通过首先通过将生物素标记的寡核苷酸连接到 lambda-DNA 来制备生物素标记的 lambda-DNA 来实现的。第二步是按照一步反应方案制备聚乙二醇或 PEG 官能化盖玻片。
接下来,通过在 PEG 功能化盖玻片和包含入口和出口孔的聚二甲基硅氧烷或 PDMS 板之间夹入带有预切通道的双面胶带来构建高通量流通池。最后一步是使用延时全内反射荧光或 TIRF 成像来跟踪流道中单个荧光分子的轨迹。为了识别沿流动拉伸 lambda-DNA 扩散的单分子的轨迹,使用可靠且高效的定制单颗粒跟踪软件来分析原始荧光图像。
与其他选择相比,这种分析配置的主要优点是盖玻片制备的可靠性、更高的通量容量、减少样品制备的手动作时间以及更简化的无监督数据分析。演示该程序的将是我实验室的博士后 Kan Xiong 博士。在开始此检测之前,请按照方案文本中的说明准备所有必要的试剂。
将 0.5 毫克/毫升 lambda-DNA 原液加热至 65 摄氏度 60 秒,然后立即浸入湿冰中。在微量离心管内将 100 μL lambda-DNA 溶液与 2 μL 10 μmol 生物素标记的寡核苷酸混合。将混合物在 65 摄氏度下加热 60 秒,然后慢慢冷却至室温。
将混合物放在冰上。加入 11 μL T4 DNA 连接酶反应缓冲液并轻轻混匀。然后取 2 微升相当于 800 单位的 T4 DNA 连接酶,轻轻混匀。
将混合物在 16 摄氏度下孵育 2 小时或在 4 摄氏度下孵育过夜。使用标称分子量限制为 100 道尔顿的离心过滤管净化产品。在染色槽中用 95% 乙醇对 1 号盖玻片进行超声处理 10 分钟,然后用超纯水冲洗 3 次。
在染色槽中加入 1 摩尔氢氧化钾,再次超声处理 10 分钟,然后用超纯水冲洗 3 次。重复此循环两次。在干净干燥的氮气流下干燥盖玻片。
通过在 900 毫托压力下进行空气等离子体处理 5 分钟,进一步清洁和干燥盖玻片。将盖玻片与 50 微升 25 毫克/毫升的硅烷-聚乙二醇-生物素在室温下溶解在 95% 乙醇中孵育 2 小时。用超纯水洗去多余的聚乙二醇,并在清洁干燥的氮气流下干燥聚乙二醇涂层的盖玻片。
使用 CAD 软件设计流道,并使用胶带切割机在双面胶带上切割流道。去除通道内的磁带残留物。要制作 PDMS 板,请使用混合器将 45 克 PDMS 与 5 克交联试剂彻底混合。
将混合物倒入两个 100 毫米培养皿中,将培养皿置于真空室中约 30 分钟,直到所有气泡消失。将盘子放在 80 摄氏度的烤箱中约两个小时,直到 PDMS 凝固。剪出与具有预切通道的双面胶带尺寸相匹配的 PDMS 板。
从双面胶带上撕下一层保护膜,并粘附在 PDMS 板的平坦面上。使用带有 23 号针头的活检孔打孔器在 PDMS 板上打孔口和入口孔。从双面胶带上撕下另一层保护膜,并粘附在盖玻片的功能化表面上。
将组装好的流通池固定在显微镜载物台插件上。将所有预脱气的试剂装入储液槽中,储液槽中有一个 Tygon 管连接到电磁阀,另一个管路连接到 PEEK 管,以防止试剂回流。试剂的流动由电磁阀控制,电磁阀由脚本编程应用程序控制。
通过在空白缓冲液中流动来灌注一个流道。将其他三根 PEEK 管线插入进样孔。小心不要在通道内形成气泡。
将 Tygon 管与短 PEEK 管从出口孔连接到样品废液容器。流入 0.2 毫克/毫升链霉亲和素溶液中,孵育 5 分钟。然后流入空白缓冲液以洗出未结合的链霉亲和素。
流入 1 毫克/毫升牛血清白蛋白溶液中,孵育 1 分钟。然后流入空白缓冲液以洗出未结合的牛血清白蛋白。流入 100 皮摩尔生物素-lambda-DNA 溶液中,孵育 10 分钟。
然后流入空白缓冲液以洗出未结合的 lambda-DNA。为了检查 PEG 功能化盖玻片的质量,流入 DNA 染色染料(如 SYTOX Orange 染料)并开始荧光成像。如果盖玻片的质量良好,则流式拉伸的 lambda-DNA 的密度会很高。
此外,调整 TIRF 角度以实现几乎完全流式拉伸的 lambda-DNA 图像的最高信噪比。为了跟踪单个分子的轨迹,在新通道内开始孵育,然后使用注射泵以足够高的流速融合亚纳摩尔荧光团标记的分子,并以 100 赫兹的帧速率收集延时荧光图像。通常,在一个视野中收集 10, 000 帧,并收集来自多个视野的影片。
最后,再次流入 DNA 染色染料,以确认 DNA 仍然可以被流拉伸。定制的单颗粒跟踪软件将用于识别沿 DNA 扩散的单分子的轨迹。该软件将首先确定高精度单个颗粒的质心位置。
去除卡在盖玻片表面上的颗粒,然后将不同帧中的颗粒链接以形成延时轨迹。根据这些轨迹,将估计 1D 扩散常数。要开始数据分析,请打开脚本编程应用程序并转到单粒子跟踪软件的目录。
打开名为 largedataprocess3.m 的脚本。要定义的一个重要参数是单个颗粒检测的阈值。要确定最佳阈值,请运行 determine_threshold_value。
m 脚本。此脚本将可视化阈值如何影响单个粒子检测。确定最佳阈值后,运行 largedataprocess3。
m 脚本。完成单粒子跟踪分析后,将通过运行 trajectory_filtering 来过滤原始轨迹。m 脚本。
构建图形用户界面或 GUI 以可视化筛选步骤。在 GUI 面板上,将沿 DNA 的最小位移 MinXDisp 设置为两个像素。将 DNA 的最大位移横向 MaxYDisp 设置为两个像素。
将最小帧数 minFrames 设置为 10。将 triplet 的最小状态数 minTriplets 设置为 10。将沿 DNA 的最小扩散常数 D_par 设置为零。
将 DNA 横向的最大估计扩散常数 D_trans 设置为 10 兆碱基对/秒。将最小统计参数 Chi2 Stat 设置为负 5。将沿 DNA 与 DNA 横切的最小位移比 MinX/Y 设置为 2。
所有通过这些过滤参数的原始轨迹将列在表 1 中,未通过这些参数的原始轨迹将列在表 3 中。单击表 1 中的轨迹编号。轨迹将显示在图形 1 和 2 中。
单击播放按钮播放原始荧光图像。如果此轨迹是单分子滑动轨迹,请单击 add to table2。最后,所有添加到 table2 的轨迹都会在关闭 GUI 时被保存。
通过所有过滤步骤的轨迹被汇集在一起,从中可以估计平均扩散常数。要计算平均扩散常数,只需运行脚本 calculate_mean_diffusion_constant.m.该程序将使许多研究体外单分子生物物理学的人受益。
该协议展示了一种简单、稳健且高通量的单分子流动-拉伸测定法,用于研究分子沿DNA进行一维(1D)扩散。该方法允许在受控流动环境中跟踪单个荧光分子,从而增强对分子输运机制的理解。
This high throughput single molecule flow-stretching assay enables quantitative analysis of 1D molecular transport along DNA, supporting target validation and mechanistic de-risking in early discovery. By providing reproducible, automated data on molecular binding and diffusion kinetics, it improves predictive confidence in lead identification and reduces biological uncertainty in preclinical decision-making. The scalable, streamlined workflow enhances enterprise reuse across multiple transport studies.
The assay fits within the discovery continuum from target validation through lead identification, delivering quantitative transport data that informs hit-to-lead progression.