We beschrijven een protocol voor de bereiding van ondersteunde lipide-dubbellagen en de karakterisering ervan met behulp van atoomkrachtmicroscopie en krachtspectroscopie.
Method Article
We beschrijven een protocol voor de bereiding van ondersteunde lipide-dubbellagen en de karakterisering ervan met behulp van atoomkrachtmicroscopie en krachtspectroscopie.
Atomaire krachtmicroscopie (AFM) is een veelzijdige, hoogwaardige beeldvormingstechniek die de visualisatie van biologische membranen mogelijk maakt. Het heeft voldoende vergroting om membraansubstructuren en zelfs individuele moleculen te onderzoeken. AFM kan fungeren als een krachtsonde om interacties en mechanische eigenschappen van membranen te meten. Ondersteunde lipide dubbellagen worden conventioneel gebruikt als membraanmodellen in AFM-studies. In dit protocol laten we zien hoe ondersteunde dubbellagen worden bereid en hoe hun structuur en mechanische eigenschappen met behulp van AFM worden gekarakteriseerd. Dit omvat de dikte van de dubbellaag en de doorbraakkracht.
De informatie die wordt geleverd door AFM-beeldvorming en krachtspectroscopie helpt bij het definiëren van de mechanische en chemische eigenschappen van membranen. Deze eigenschappen spelen een belangrijke rol in cellulaire processen zoals het handhaven van celhomeostase tegen omgevingsstress, het samenbrengen van membraaneiwitten en het stabiliseren van eiwitcomplexen.
Atomic Force Microscopy (AFM) genereert een beeld van een oppervlak door het scannen van een gebied van het monster met een vrijdragende ligger met een zeer scherpe punt 1. De beweging van de cantilever sondes het oppervlak topologie van het monster. AFM is op grote schaal toegepast om biologische moleculen - zoals eiwitten, DNA en membranen vanwege zijn veelzijdigheid analyseren gefixeerde monsters in lucht of bijna-natieve toestand in vloeibare 2-5.
Afgezien van de hoge-resolutie beeldvorming vermogen in het nanobereik, de AFM cantilever werkt als een veer interactiekrachten (adhesie en afstoting) en mechanische eigenschappen van het monster 5,6 sonde. Dit staat bekend als kracht spectroscopie. In deze modus wordt de eerste probe nadert het monster en een kracht uitoefent op, dan wordt teruggetrokken totdat het contact verliest met het monster (Figuur 1A). De gegenereerde curven kracht als functie van de afstand van de cantilever voor zowel appvoorn en intrekken. Verschillende eigenschappen inclusief de elasticiteitsmodulus de stijfheid van een materiaal te meten, en adhesie krachten kunnen worden afgeleid.
Ondersteunde lipide bilagen zijn biologische modelmembranen liggen boven op een vaste drager - gewoonlijk mica, borosilicaatglas, kwartsglas of geoxideerd silicium 7. Ze worden bereid met behulp van verschillende technieken zoals blaasje depositie, Langmuir-Blodgett methode en de spin-coating 8,9. AFM beeldvorming wordt gebruikt om de vorming van deze ondersteunde dubbellagen 10 volgen en sonde verschillende structuren gevormd door membranen met verschillende samenstellingen 11-15.
Het uitvoeren van kracht spectroscopie op ondersteunde bilayers resulteert in een piek in de aanpak curve. Deze piek geeft de kracht nodig om de bilaag doorboren, en heet doorbraak kracht. De dubbellaag dikte kan ook worden gemeten met de krachtcurve 6. De typische doorbraak kracht van dubbellagenrange tussen 1-50 nN 6. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van lipiden verpakking (vloeibare of gelfase) en structuur (acyl ketenlengte en mate van onverzadiging) en veranderd door membraan-actieve middelen 16. De theorie achter de breuk is uitgelegd 17 en andere experimentele parameters zoals cantilever zachtheid, tip radius en aanpak van de snelheid ook van invloed op de doorbraak kracht 15,16,18. Force spectroscopie werd gebruikt om de eigenschappen van verschillende lipide fasen 11,19, preparaat-afhankelijke veranderingen 12,20, en effecten van andere biomoleculen, zoals peptiden analyseren op de stabiliteit van het membraan 21.
De vlakke oriëntatie ondersteunde bilagen voordelig te combineren AFM met andere methoden zoals oppervlakte plasmon resonantie 22 en fluorescentiemicroscopie 11,19 beter te karakteriseren structuur en eigenschappen van de membranen.
Deze gedetailleerde video protocol is bedoeld om ondersteund lipidendubbellagen bereiden met behulp van blaasje afzetting en analyseren ze met de AFM en de kracht spectroscopie. Hoewel vesicles met verschillende grootte worden gebruikt om dubbellagen bereiden dit protocol is gericht op kleine en grote unilamellaire vesicles. Ondersteunde dubbellagen die fase scheiden in vloeibare besteld (L o) en vloeibare ongeordende (L d) fasen werden gekenmerkt 11,15. Het membraan bestaat uit di-oleoyl-fosfatidylcholine (DOPC), sfingomyeline (SM), en cholesterol (Chol) en 2: 2: 1 ratio. Deze samenstelling modellen de lipide vlotten, die worden voorgesteld om zich te gedragen als platforms van belang voor eiwit mensenhandel en sorteren, cell signaling en andere cellulaire processen 23,24.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Voorbereiding van ondersteunde lipidendubbellagen (SLB) 11,12,21
2. Atomic Force Microscopy Metingen 11,12
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Ondersteunde lipide bilagen samengesteld DOPC: SM: Chol (2: 2: 1) werden afgebeeld in AFM (figuur 2 AC). Door de lipidensamenstelling SM / Chol-rich Lo en DOPC-rijke Ld fasen waargenomen. De hoogte van het profiel van de AFM beeldvorming kan belangrijke informatie over het membraan structuur. Door naar het hoogteprofiel kan de dubbellaag dikte gemeten in aanwezigheid van defecten in het membraan (Figuur 2B) of het hoogteverschil tussen de L o / Ld
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
SLBs samengesteld DOPC: SM: Chol (2: 2: 1) gevormd op mica na vesicle adsorptie en scheuren geïnduceerd door calciumchloride. Deze lipidepreparaat gescheiden in Ld en L o fasen. De Lo fase verrijkt met cholesterol en sfingomyeline en is minder vloeibaar / viskeus (figuur 1A) dan Ld fase 11. De scheiding van Lo van Ld fase manifesteert als cirkelvormige structuren boven de omringende (Figuur 1B, C) verhoogd. D...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen.
Dit werk werd ondersteund door het Max Planck Society, de Duitse Cancer Research Center, de universiteit van Tübingen en het Bundesministerium für Bildung und Forschung (verlenen no. 0312040).
Wij danken Eduard Hermann voor het helpen ons de analyse van de kracht curve gegevens en Dr. Jakob Suckale voor een zorgvuldige lezing van dit manuscript automatiseren.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids, Inc. | 850375P | Komt als lyofilisaatpoeder in verzegelde flesjes. Los al het poeder op in chloroform bij opening. Bewaar extra als gedroogde lipidefilms, onder inert atmosfeer, bij -20 °C. Bezoek hier voor meer informatie over opslag en hantering. |
| Sphingomyeline (Brain, Porcine) | Avanti Polar Lipids, Inc. | 860062P | Komt als lyofilisaatpoeder in grote verzegelde kunststof containers. Los een punt van de spatel van het poeder op in chloroform bij opening. Bewaar extra als gedroogde lipidefilms, onder inert atmosfeer, bij -20 °C. Bezoek hier voor meer informatie over opslag en hantering. |
| Cholesterol | Avanti Polar Lipids, Inc. | 700000P | Komt als lyofilisaatpoeder in grote verzegelde kunststof containers. Los een punt van de spatel van het poeder op in chloroform bij opening. Bewaar extra als gedroogde lipidefilms, onder inert atmosfeer, bij -20 °C. Bezoek hier voor meer informatie over opslag en hantering. |
| Natriumchloride (NaCl), 99,8% | Carl Roth GmbH + Co. KG | 9265.1 | |
| Kaliumchloride (KCl), 88% | Sigma | P9541 | |
| Natriumwaterstoffosfaat (Na2HPO4), >99% | AppliChem GmbH | A1046 | |
| Kaliumdiwaterstoffosfaat (KH2PO4), 99% | Carl Roth GmbH + Co. KG | 3904.1 | |
| Calciumchloridedihydraat (CaCl2), moleculaire biologie kwaliteit | AppliChem GmbH | A4689 | |
| HEPES, moleculaire biologie kwaliteit | AppliChem GmbH | A3724 | |
| Glazen deksel, 24 x 60 mm, 1 mm dikte | Duran Group | 2355036 | |
| Punch and Die Set | Precision Brand Products, Inc | 40105 | |
| Optische lijm | Norland Products, Inc. | NOA 88 | Vloeibare lijm die hard wordt wanneer uitgehard onder langgolf UV-licht. |
| [header] | |||
| Mica blokken | NSC Mica Exports Ltd. | Dit zijn mica stukken met minstens 1 vierkante inch oppervlakte en een dikte variërend van 0,006 inch tot 0,016 inch. Ze worden door het bedrijf op een specifieke maat gesneden voor verzending. Kleine mica schijven kunnen uit de mica blokken worden geponst met behulp van de punch and die set. Behandel mica altijd met handschoenen of pincetten. | |
| Laboratoriumapparatuurvet | Borer Chemie AG | Glisseal N | |
| Liposomenextruder | Avestin | LiposoFast-Basic | Als alternatief kunt u ook kijken naar aanbiedingen van Northern Lipids, Inc. |
| Zelfklevende tape | 3M | Scotch(R) Magic (TM) Tape 810 (1-inch) | |
| Bath Sonicator | Bandelin Sonorex Digitec | DT-31 | Geen verwarming, Frequentie: 35 kHz, Ultrasone piekuitgang: 160 W, HF-vermogen: 40 W. (Gegevensblad) |
| Silicionitride AFM Cantilever | Bruker AFM Probes | DNP-10 | Elke cantilever heeft vier tips en hun nominale tipradius is 20 nm (met mogelijk maximum bij 60 nm). Op basis van de specificaties, gebruiken we tip D met een resonantiefrequentie van 18 kHz, en een nominale veerconstante van 0,06 N/m. |
| AFM | JPK | JPK Nanowizard II gemonteerd op Zeiss Axiovert 200 | |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission