2017년 10월 1일
이 프로토콜에서는 간단 하 고 강력 하 고 높은 처리량 단일 분자 흐름 스트레칭 분석 결과를 1 차원 (1d) 확산 따라 DNA 분자의 공부에 대 한 보여 줍니다.
이 절차의 전반적인 목표는 DNA를 따라 분자의 수송을 연구하기 위한 간단하고 견고하며 처리량이 많은 단일 분자 흐름 스트레칭 분석을 구축하는 것입니다. 이는 먼저 비오틴 표지된 올리고를 람다 DNA에 연결하여 비오틴 표지된 람다 DNA를 준비함으로써 이루어집니다. 두 번째 단계는 1단계 반응 프로토콜에 따라 폴리에틸렌 글리콜 또는 PEG 기능화 커버슬립을 준비하는 것입니다.
다음으로, PEG 기능화된 커버슬립과 흡입구 및 배출구 구멍이 있는 폴리디메틸실록산 또는 PDMS 슬래브 사이에 사전 절단 채널이 있는 양면 테이프를 끼워 고처리량 플로우 셀을 구성합니다. 마지막 단계는 타임 랩스 전반사 형광 또는 TIRF 이미징을 사용하여 흐름 채널에서 단일 형광 분자의 궤적을 추적하는 것입니다. 늘어난 람다-DNA의 흐름을 따라 확산되는 단일 분자의 궤적을 식별하기 위해 신뢰할 수 있고 효율적인 맞춤형 단일 입자 추적 소프트웨어를 사용하여 원시 형광 이미지를 분석합니다.
이 분석 구성이 대안에 비해 갖는 주요 장점은 커버슬립 준비의 신뢰성, 더 높은 처리 용량, 시료 준비를 위한 수동 시간 단축, 보다 간소화된 비감독 데이터 분석입니다. 이 절차를 시연하는 것은 제 연구실의 박사 후 연구원인 Kan Xiong 박사가 맡을 것입니다. 이 분석을 시작하기 전에 프로토콜 텍스트에 설명된 대로 필요한 모든 시약을 준비합니다.
밀리리터당 0.5mg의 람다-DNA 스톡을 섭씨 65도에서 60초 동안 가열하고 바로 젖은 얼음에 담그십시오. 100마이크로리터의 lambda-DNA 용액을 마이크로 원심분리기 튜브 내부에 10마이크로몰 비오틴 표지 올리고 2마이크로리터와 혼합합니다. 혼합물을 섭씨 65도에서 60초 동안 가열한 다음 실온으로 천천히 식힙니다.
혼합물을 얼음에 놓습니다. 11마이크로리터의 T4 DNA 리가제 반응 완충액을 넣고 부드럽게 혼합합니다. 그런 다음 800 단위의 T4 DNA 리가아제에 해당하는 2 마이크로 리터를 부드럽게 혼합합니다.
혼합물을 섭씨 16도에서 2시간 동안 또는 섭씨 4도에서 밤새 배양합니다. 공칭 분자량 제한이 100킬로달톤인 원심 필터 튜브를 사용하여 제품을 정제합니다. Sonicate number one은 염색 용기 안에 95% 에탄올을 10분 동안 넣은 다음 초순수로 세 번 헹굽니다.
염색 용기에 수산화칼륨 1몰을 채우고 다시 10분 동안 초음파 처리한 다음 초순수로 3회 헹굽니다. 이 주기를 두 번 반복합니다. 깨끗하고 건조한 질소 가스 흐름에서 커버슬립을 건조시킵니다.
또한 900밀리토르 압력에서 5분 동안 공기 플라즈마 처리를 수행하여 커버슬립을 청소하고 건조시킵니다. 95% 에탄올에 용해된 50마이크로리터의 실란-폴리에틸렌 글리콜-비오틴을 95% 에탄올에 2시간 동안 배양합니다. 여분의 폴리에틸렌 글리콜을 초순수로 씻어내고 폴리에틸렌 글리콜로 코팅된 커버슬립을 깨끗하고 건조한 질소 가스 흐름에서 건조시킵니다.
CAD 소프트웨어를 사용하여 흐름 채널을 설계하고 테이프 커터를 사용하여 양면 테이프에서 채널을 절단합니다. 채널 내부의 테이프 잔여물을 제거합니다. PDMS 슬래브를 만들려면 믹서를 사용하여 PDMS 45g과 가교 시약 5g을 철저히 혼합합니다.
혼합물을 100mm 페트리 접시 두 개에 붓고 모든 기포가 사라질 때까지 약 30분 동안 접시를 진공 챔버 안에 두십시오. PDMS가 굳을 때까지 섭씨 80도의 오븐에 약 2시간 동안 접시를 그대로 두십시오. 미리 절단된 채널이 있는 양면 테이프의 크기와 일치하는 PDMS 슬래브를 잘라냅니다.
양면 테이프에서 보호 필름 하나를 떼어내고 PDMS 슬래브의 평평한 면에 부착합니다. 23 게이지 바늘이 있는 생검 구멍 펀처를 사용하여 PDMS 슬랩의 배출구 및 입구 구멍을 뚫습니다. 양면 테이프에서 다른 보호 필름을 벗겨내고 커버슬립의 기능화된 표면에 부착합니다.
조립된 플로우 셀을 현미경 스테이지 인서트에 고정합니다. 가스가 제거된 모든 시약을 솔레노이드 밸브에 연결된 Tygon 튜빙과 시약의 역류를 방지하는 PEEK 튜빙에 연결된 다른 튜빙이 있는 저장소에 로드합니다. 시약의 흐름은 스크립트 프로그래밍 응용 프로그램에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브에 의해 제어됩니다.
블랭크 버퍼로 흘러 하나의 흐름 채널을 프라임합니다. 3개의 다른 PEEK 튜빙을 주입구 구멍에 삽입합니다. 채널 내부에 기포가 형성되지 않도록 주의하십시오.
배출구에서 짧은 PEEK 튜브가 있는 Tygon 튜브를 samp르 폐기물 용기. 밀리리터당 0.2mg의 스트렙타비딘 용액을 넣고 5분 동안 배양합니다. 그런 다음 빈 버퍼에 넣어 결합되지 않은 Streptavidin을 씻어냅니다.
밀리리터 소 혈청 알부민 용액 1mg을 넣고 1분 동안 배양합니다. 그런 다음 빈 버퍼에 넣어 결합되지 않은 소 혈청 알부민을 씻어냅니다. 100 피코몰라 비오틴-람다-DNA 용액을 넣고 10분 동안 배양합니다.
그런 다음 빈 버퍼에 넣어 결합되지 않은 람다 DNA를 씻어냅니다. PEG 기능성 커버슬립의 품질을 확인하기 위해 SYTOX Orange 염료와 같은 DNA 염색 염료를 넣고 형광 이미징을 시작합니다. 커버슬립의 품질이 좋으면 흐름이 늘어난 람다-DNA의 밀도가 높아집니다.
또한 TIRF 각도를 조정하여 거의 완전히 유동으로 늘어난 lambda-DNA 이미지의 가장 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있습니다. 단일 분자의 궤적을 추적하려면 새로운 채널 내에서 인큐베이션을 시작한 다음 주사기 펌프를 사용하여 충분히 높은 유속으로 서브나노몰 형광단 표지 분자를 융합하고 100Hz의 프레임 속도로 타임 랩스 형광 이미지를 수집합니다. 일반적으로 10, 000개의 프레임이 하나의 시야각에 수집되고 여러 시야각에서 영화가 수집됩니다.
마지막에 DNA 염색 염료를 다시 주입하여 DNA가 여전히 유동 늘어날 수 있는지 확인합니다. 맞춤형 단일 입자 추적 소프트웨어는 DNA를 따라 확산되는 단일 분자의 궤적을 식별하는 데 사용됩니다. 소프트웨어는 먼저 높은 정확도로 단일 입자의 중심 위치를 결정합니다.
커버슬립 표면에 붙어 있는 입자를 제거한 다음 다른 프레임의 입자를 연결하여 타임랩스 궤적을 형성합니다. 이러한 궤적에서 1D 확산 상수가 추정됩니다. 데이터 분석을 시작하려면 스크립트 프로그래밍 응용 프로그램을 열고 단일 입자 추적 소프트웨어의 디렉토리로 이동합니다.
largedataprocess3.m이라는 스크립트를 엽니다. 정의해야 할 한 가지 중요한 매개변수는 단일 입자 검출에 대한 임계값입니다. 최적의 임계값을 결정하려면 determine_threshold_value 실행합니다.
m 스크립트. 이 스크립트는 임계값이 단일 입자 감지에 미치는 영향을 시각화합니다. 최적의 임계값을 결정한 후 largedataprocess3을 실행합니다.
m 스크립트. 단일 입자 추적 분석이 완료된 후 trajectory_filtering를 실행하여 원시 궤적을 필터링합니다. m 스크립트.
그래픽 사용자 인터페이스 또는 GUI는 필터링 단계를 시각화하기 위해 구축되었습니다. GUI 패널에서 DNA를 따라 최소 변위 MinXDisp를 2픽셀로 설정합니다. DNA에 대한 최대 변위를 MaxYDisp, 2픽셀로 설정합니다.
최소 프레임 수인 minFrames를 10으로 설정합니다. 트리플렛의 최소 상태 개수 minTriplets를 10으로 설정합니다. DNA를 따라 최소 확산 상수를 0으로 설정D_par.
DNA에 대한 최대 추정 확산 상수를 초당 10메가 염기쌍 제곱으로 D_trans 설정합니다. 최소 통계 매개 변수인 Chi2 Stat를 마이너스 5로 설정합니다. DNA를 가로지르는 DNA에 대한 DNA의 최소 변위 비율인 MinX/Y를 2로 설정합니다.
이러한 필터링 매개변수를 통과하는 모든 원시 궤적은 표 1에 나열되어 있고 그렇지 않은 궤적은 표 3에 나열되어 있습니다. 표 1에서 궤적 번호를 클릭합니다. 궤적은 그래픽 1과 2로 표시됩니다.
재생 버튼을 클릭하여 원시 형광 이미지를 재생합니다. 이 궤적이 단일 분자 슬라이딩 궤적인 경우 표에 추가2를 클릭합니다. 결국 table2에 추가된 모든 궤적은 GUI를 닫을 때 저장됩니다.
모든 필터링 단계를 통과한 궤적은 평균 확산 상수가 추정되는 데 함께 풀링됩니다. 평균 확산 상수를 계산하려면 스크립트 calculate_mean_diffusion_constant.m을 실행하기만 하면 됩니다. 이 절차는 체외 단일 분자 생물 물리학을 공부하는 많은 사람들에게 도움이 될 것입니다.
이 프로토콜은 DNA를 따라 분자의 일차원(1D) 확산을 연구하기 위한 간단하고 견고하며 고처리량의 단일 분자 흐름-신장 분석법을 시연합니다. 이 방법은 통제된 흐름 환경에서 단일 형광 분자를 추적할 수 있게 하여 분자 수송 메커니즘에 대한 이해를 향상시킵니다.
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.