July 19th, 2022
在这里,提出了一种使用单分子全内反射荧光(smTIRF)显微镜执行和分析单分子在人工拥挤脂质膜上的结合,迁移率和组装的协议。
由于嵌入的蛋白质和糖的存在,细胞膜高度拥挤。我们在合成拥挤的脂质双层上演示了单分子成像。该平台可用于在分子水平上研究拥挤对膜生物分子反应的影响。
该协议解释了膜生物分子的结合,扩散和组装的分析。实验的成功取决于对底物的严格清洁,避免损坏双层,并在单分子成像中保持高信噪比。和我一起演示该程序的是Aditya Upasani和Vishwesh Haricharan Rai,他们是实验室的研究生。
首先将等离子处理过的丙烯酸载玻片放在干净的薄纸上。剥开双面激光切割胶带并将其粘贴到载玻片上。使用移液器吸头将胶带压平,以防止从一个通道泄漏到另一个通道。
通过将等离子处理的盖玻片放在胶带载玻片上来关闭腔室。使用移液器吸头,轻轻按压胶带区域上的盖玻片,使通道防水。如果使用载玻片,请使用环氧树脂密封边缘。
将准备好的微流体成像室在干燥条件下储存一到两周。取使用食人鱼溶液预先清洁的玻璃小瓶,加入缓冲液后,以所需的PEG 2000脂质摩尔分数加入POPC和DOPE-PEG(2000)的氯仿溶液,以获得3毫摩尔的最终脂质浓度。类似地,可以制备脂质的其它膜组合物。
接下来,使用带有小漩涡的温和氮气流从小瓶中干燥氯仿,以便将所需的脂质均匀地涂覆在小瓶表面上。通过将小瓶在真空干燥器中保持一小时来去除残留的氯仿。然后将一毫升PBS加入小瓶中,并在37摄氏度下孵育过夜。
孵育过夜后,轻轻涡旋小瓶一到两分钟,直到溶液变浑浊和乳白色。现在将100微升该溶液转移到一个小的500微升离心管中。为了产生直径为50至100纳米的小单层囊泡,请将溶液在浴超声仪中超声处理约一小时。
在超声处理结束时,溶液将变得澄清,如果溶液仍然浑浊,则再超声处理30分钟。然后将氯化钙添加到超声囊泡中,至脂质溶液中的终浓度为30毫摩尔。切开微量移液器吸头以注入样品溶液,使其紧密地贴合孔中。
混合脂质溶液并通过成像室中的一个孔注入。用干净的纸巾擦拭从出口流出的多余溶液,以防止污染相邻通道。通过将湿纸巾放在50毫升离心管的末端来准备加湿室。
将载玻片放入管中并关闭管盖。将管侧放,并将该组件放在加湿室中90分钟,最好在37摄氏度的培养箱中。用大量的PBS缓冲液彻底清洗腔室,防止气泡在清洗时进入腔室,因为这会在膜上产生缺陷。
在进行任何迁移率和组装实验之前,通过制备荧光珠样品并将其以低浓度添加到微流体通道中来对准TIRF显微镜,以使单个磁珠的荧光斑点不会在图像中重叠。首先,在落射荧光模式下可视化磁珠。当照明处于落射荧光模式时,移动位于平移载物台上的M5反射镜,使从物镜出来的光束弯曲,直到达到全内反射配置。
要验证是否已实现 TIR 照明,请检查当 TIR 倏逝场照亮磁珠样品时,是否仅看到表面上的磁珠,并且未观察到远离表面的自由漂浮磁珠。在实验开始时,将物镜后焦平面的激光功率设置为5至10毫瓦,以防止荧光团的光破坏。将载玻片放在显微镜载物台上并首先聚焦在裸膜上,脂质膜中的微量杂质足以使膜可视化。
使用微量移液管将样品注入PEG SLB涂层成像室。为了测量单分子结合动力学,使用注射泵以每分钟50至500微升的流速将标记的生物分子通过入口孔流入微流体室。要以每秒25至50帧的速度记录5, 000帧,请设定所需的短片采集参数。
开始电影采集并在注射泵的连续流动下采集超过5, 000帧,直到膜表面上新斑点的出现不再增加,并分析手稿中所述的结合动力学。对于单颗粒跟踪,使用微量移液器将低浓度的标记生物分子添加到通道中。为了确保从数据集中恢复的轨迹的高保真度,请将浓度优化为每平方微米小于0.1个颗粒的密度,以便单个颗粒很少交叉路径。
如果需要,在加湿环境中孵育室,并在成像前用缓冲液洗涤。对于单粒子轨迹分析,以每秒10至100帧的速度采集200至500帧,并在图像采集过程中保持物镜聚焦在双层平面上,载物镜漂移最小。为了测量亚基,将相关浓度的标记生物分子添加到微流体成像室中,并将载玻片在所需温度的加湿室中孵育所需时间。
成像前,用缓冲液清洗成像室。将载玻片放在显微镜上并调整焦点以可视化标记的分子。将激光功率设置为荧光团逐渐漂白的水平。
理想情况下,对于每个组装的复合物,控制激光功率,以保持照片漂白步率在10到20帧之间,如手稿中所述,并获取图像,直到所有分子完全光漂白。通过在将样品引入腔室后立即开始电影采集,并在从PEG SLB的不同片段结合膜后以固定的时间间隔获取新的光漂白膜,从而执行时间依赖性的组装测量。溶瘤素A与脂质膜结合,5摩尔百分比的DOPE-PEG(2000)显示出增加的颗粒密度并达到饱和度。
拟合结合颗粒的指数衰变函数给出了溶细胞素A膜结合的时间常数。膜中没有任何PEG聚合物,大多数示踪剂在SLB上的扩散受到限制。 膜双层中的小水平PEG 2000从下层表面抬起,允许示踪分子在没有表面约束的情况下扩散。
然而,在双层膜中高浓度的PEG下观察到极端限制。亲脂性DNA示踪剂在两种不同的PEG 2000脂质膜中扩散的ISD2分布在高浓度PEG下显示出迁移率降低。在拥挤的脂质双层膜上孵育后,溶细胞素A显示出许多不同的光漂白步骤,表明形成了各种组装中间体。
校正标记效率后,低聚物的最终分布显示十二碳酸溶细胞素A物种为主导结构。膜蛋白结合组装和其他反应应在适当的膜拥挤环境中进行。应注意清洁成像室,避免破坏双层,并设置TIRF显微镜。
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本文介绍了一种在合成拥挤支持脂质双层上使用smTIRF显微镜进行单分子成像的协议。该方法允许在分子水平上研究拥挤对膜生物分子反应的影响。
Membrane crowding fundamentally alters biomolecular interactions, impacting the predictive value of early-stage target validation and mechanistic de-risking in drug discovery. This protocol enables quantitative single-molecule analysis of binding, diffusion, and assembly on polymer-crowded lipid membranes, providing a more physiologically relevant platform for R&D teams. Integrating such systems enhances confidence in preclinical models and informs portfolio triage decisions by reducing artifacts from oversimplified membrane assays.
This method bridges early discovery and preclinical research by enabling hypothesis testing and quantitative analysis of membrane-associated targets in crowded environments.