February 9th, 2017
TIRF 현미경을 사용하여 대규모 공여체-수용체 네트워크에서 smFRET 데이터를 얻기 위한 설정 및 실험 절차를 제시합니다. 베이지안 추론 소프트웨어인 Fast-NPS를 사용한 이러한 측정의 단계별 분석은 적응된 염료 모델의 적용을 통해 고분해능 구조 정보를 산출합니다.
Fast Nano-positioning 시스템의 전반적인 목표는 단일 분자 FRET 실험과 엄격한 통계 분석을 결합하여 생체 분자의 실시간 구조 정보를 제공하는 것입니다. 이 방법은 표준 구조 생물학 도구를 적용할 수 없는 거대분자에서 유연한 도메인의 국소화와 같은 구조 생물학 분야의 주요 질문에 답합니다. 다른 FRET 기반 구조 도구와 비교하여 빠른 NPS의 주요 개선 사항은 가장 가능성이 높은 위치뿐만 아니라 3차원 확률 분포를 사용하여 다양한 염료 모델을 비교할 수 있다는 것입니다.
이 기술의 주요 장점은 단백질 데이터베이스의 구조 데이터를 정량적 단일 분자 형광 측정과 결합한다는 것입니다. 절차를 시작하려면 플로우 챔버와 샘플 홀더를 조립합니다. 입구 및 출구 나사를 준비하려면 실리콘 튜브를 속이 빈 탭 나사에 끼우고 면도날로 튜브의 양쪽 끝을 똑바로 자릅니다.
탭 나사를 샘플 홀더에 나사로 고정합니다. 플로우 챔버의 석영 슬라이드 구멍을 샘플 홀더 나사산에 맞춥니다. 유리 홀더 나사를 부드럽게 조여 흐름 챔버를 제자리에 고정합니다.
20cm 길이의 실리콘 튜브 조각을 입구 및 출구 나사에 끼웁니다. 500마이크로리터의 PBS로 플로우 챔버를 세척합니다. 그런 다음 PBS에 100마이크로리터의 중성자 용액으로 플로우 챔버를 세척하여 흡입구 튜브 끝에 물방울이 형성되어 공기가 시료 챔버로 유입되는 것을 방지합니다.
Clamp 흐름 챔버에서 공기를 배제하기 위해 모든 조작 후에 입구와 출구 튜브를 닫습니다. 챔버를 실온에서 15분 동안 배양합니다. 그런 다음 500마이크로리터의 PBS로 뉴트라비딘 용액을 씻어냅니다.
프리즘에 이멀젼 오일 한 방울을 떨어뜨리고 프리즘을 샘플 챔버에 나사로 고정합니다. 단일 분자 FRET 데이터는 전반사 형광 현미경을 사용하여 획득합니다. 카메라 소프트웨어와 스테이지 피에조 모터 소프트웨어를 시작합니다.
챔버를 TIRF 현미경의 마이크로미터 스테이지에 가능한 한 직선으로 수평으로 장착하고 세 개의 레이저가 모두 교차하는 방식으로 장착합니다. 침수 액체를 추가하고 IR 반사를 확인하여 현미경 대물렌즈의 초점을 맞춥니다. 카메라 매개변수, 파일 경로 및 자동 증가 매개변수를 설정합니다.
라이브 카메라 피드를 시작하고 최대 강도의 세 가지 레이저를 모두 사용하여 배경 형광을 표백합니다. 그런 다음 레이저 강도를 낮추십시오. 그런 다음 100마이크로리터의 형광 비드 용액을 챔버에 로드합니다.
비드가 챔버 표면에 결합될 때까지 10분 동안 기다립니다. 50 - 100 beads의 시야각으로 동영상을 녹화하고 높은 피크 발견 임계값으로 배치 분석을 수행합니다. 동영상 파일을 로드하고 시야의 반대쪽 모서리에 뚜렷한 중심이 있는 두 개의 구슬을 선택합니다.
해당 구슬에서 최대 강도의 픽셀을 선택합니다. 프리즘을 제거하고 청소하십시오. 두 번째 시료 챔버를 준비하고 프리즘 홀더를 챔버에 나사로 고정합니다.
챔버를 마이크로미터 스테이지에 장착합니다. 그런 다음 100마이크로리터의 50-100피코몰라 용액의 비오틴화 형광 표지 샘플을 챔버에 로드합니다. 분자가 챔버 표면에 결합할 때까지 기다립니다.
동시에 Take Signal을 클릭하여 기록을 시작하고 기증자 여기 레이저를 켭니다. 레이저 출력을 조정하여 시야에 있는 분자의 최소 80%가 표백되도록 한 다음 챔버를 이동하여 표백되지 않은 영역을 표시하고 다음 영화를 녹화합니다. 이런 식으로 샘플 챔버의 나머지 부분을 표백합니다.
TIRF 현미경에서 측정한 후 획득한 단일 분자 FRET 데이터를 분석하여 평균 FRET 효율을 산출해야 합니다. 샘플의 donor 및 acceptor 동영상에 대한 배치 분석을 수행합니다. 그런 다음 데이터 분석 소프트웨어에서 일괄 처리된 동영상 파일을 로드합니다.
NOT Selected 버튼을 클릭하여 개별 FRET 위상을 표시합니다. FRET 기간의 시작 부분을 클릭하고, 그 다음에는 백화로 인해 수용체 강도가 감소하는 시점을 클릭하고, 마지막으로 표백으로 인해 공여체 강도가 감소하는 시점을 클릭합니다. 다음 창에서 예를 선택하여 선택한 FRET 효율 추적을 유지합니다.
모든 분자가 분석되면 흔적을 저장하고 다음 영화를 분석합니다. 분석이 완료되면 스크립트를 실행하여 FRET 결과를 결합합니다. 결합된 프레임별 FRET 파일을 기본 입력 옵션을 사용하여 데이터 분석 소프트웨어로 가져올 수 있습니다.
데이터를 히스토그램으로 플로팅하고 비선형 곡선 피팅 툴을 사용하여 가우스에 피팅합니다. 초과 값은 주요 FRET 효율입니다. UV VIS 및 형광 분광법을 사용하여 각 염료에 대한 등방성 Forster 반경과 정상 상태 이방성 값을 측정합니다.
나노 포지셔닝 시스템은 잘 알려진 GPS에서 영감을 얻었으며, 알 수 없는 위치인 안테나를 여러 알려진 위치와 함께 위성과 함께 지역화할 때 사용됩니다. NPS 분석을 시작하려면 FastNPS 소프트웨어를 시작하고 새 작업 파일을 만듭니다. 레이블이 지정된 안테나 및 위성의 위치 우선순위를 정의하려면 ModelDyePrior 창에서 정의되는 위치의 공간 해상도를 입력합니다.
대응하는 중심에 있는 PDB 파일을 불러와 거대분자 내부를 제외합니다. dye diameter와 skeletonization distance를 입력합니다. 가능한 염료 위치의 최소 및 최대 위치 좌표를 입력합니다.
정의되는 위치가 위성인 경우 플렉시블 링커를 통해 염료 부착을 선택하고 중심이 지정된 PDB 파일에서 원자 좌표를 입력합니다. 링커의 길이와 지름을 입력합니다. calculate accessible volume(액세스 가능한 볼륨 계산)을 클릭하고, 위치를 이전에 저장하고, 시각화를 위해 내보냅니다.
모든 위성 및 안테나에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 위치가 정의되면 Define Measurement 창을 열고 새 염료 분자를 만듭니다. 해당 염료와 연결된 이전 위치를 로드합니다.
fluorescence anisotropy(형광 이방성)를 채우고 적절한 염료 모델을 선택한 다음 염료를 활성화합니다. 모든 염료가 정의될 때까지 이 프로세스를 반복합니다. 그런 다음 새 측정을 만듭니다.
정의된 염료에서 FRET 쌍을 선택합니다. 오류가 있는 단일 분자 FRET 효율과 이 염료 쌍의 등방성 Forster 반경을 입력하고 측정을 활성화합니다. 모든 염료 쌍에 대해 이 작업을 반복합니다.
그런 다음 계산 창을 엽니다. 염료가 다른 모델에 할당된 경우 사용자 정의(User Defined)를 선택합니다. 그렇지 않으면 모든 염료에 사용할 모델을 선택합니다.
계산을 수행하고 결과 창을 엽니다. FastNPS를 사용할 때는 일관성을 유지하면서 신뢰할 수 있는 부피를 최소화하기 위해 모든 염료에 대해 모델을 조정하는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 농도가 90%보다 낮으면 자세한 농도를 클릭하고 농도가 90% 미만인 항목에 공통적인 염료를 식별합니다.
Define Measurement 창을 열고 해당 염료의 모델을 변경합니다. 사용자 정의 모드에서 계산을 다시 실행합니다. 신뢰할 수 있는 양의 염료를 단독으로 또는 배치로 내보냅니다.
시각화 소프트웨어에서 밀도 파일을 열고 원하는 수준으로 신뢰성을 조정합니다. 고세균 RNA 중합효소 개방 프로모터 복합체 내에서 알려지지 않은 안테나 분자와 알려진 여러 위성 분자 사이에서 단일 분자 FRET 효율을 측정했습니다. 이 데이터의 NPS 분석은 고세균 RNA 중합효소 개방 프로모터 복합체에 비해 이러한 염료 분자의 신뢰할 수 있는 부피를 측정했습니다.
염료 분자를 사용한 5가지 모델을 선택하고 결과를 비교했습니다. 신뢰할 수 있는 부피는 염료가 방향을 알 수 없는 원뿔 내에서만 자유롭게 회전할 수 있다고 가정한 모델로 계산했을 때 측정된 데이터와 일치했습니다. 특히 클래식 모델은 염료가 고정된 위치에 있다고 가정하기 때문에 가장 보수적입니다.
이렇게 하면 상대적으로 큰 신용 볼륨이 생성되지만 볼륨은 일반적으로 올바른 위치를 둘러쌉니다. 고정밀 모델은 염료가 형광 수명 내에서 완전히 자유롭게 회전한다는 가정을 사용합니다. 클래식 모델과 마찬가지로 iso 모델은 염료가 접근 가능한 부피 내에서 고정된 위치에 있다고 가정합니다.
meanpos-iso 모델은 가능한 모든 위치에 대해 동적 평균을 가정합니다. iso 모델의 신뢰할 수 있는 볼륨은 비 iso 모델로 계산된 볼륨보다 훨씬 작지만 측정된 데이터와 일치하지 않습니다. 우리는 기존 구조 도구로는 해결할 수 없는 문제인 과도 복합체의 동적 구조 정보를 캡처할 수 있는 기술을 개발하고 싶었습니다.
단일 분자 FRET 데이터가 기록되면 FastNPS 분석이 몇 시간 내에 완료되어 다양한 염료 모델을 빠르게 비교할 수 있습니다. 이 절차에 따라 실험적 단일 분자 FRET 데이터와 일치하는 구조화된 모델을 얻기 위해 MD 시뮬레이션과 같은 다른 방법을 나중에 수행할 수 있습니다.
이 기사는 전체 내부 반사형 형광(TIRF) 현미경을 사용하여 단일 분자 FRET(smFRET) 데이터를 얻는 자세한 절차를 제시합니다. 이 방법은 생체 분자의 구조 분석을 강화하기 위한 베이지안 추론 소프트웨어를 통합합니다.
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.