Gigantyczne liposomy (często nazywane gigantycznymi pęcherzykami jednowarstwowymi lub GUV) były głównie używane do badania fizyki i chemii fizycznej dwuwarstw lipidowych, w tym do badań deformacji dwuwarstw, współistnienia faz bocznych ("tratwy"), fuzji błonowej, itp. 1-4. Mają one strukturę bardzo podobną do komórki: kulistą powłokę błony otaczającą wodne wnętrze, które można łatwo odróżnić od otaczającego go wodnego buforu. Z definicji mają średnicę ≈1-100 μm, dzięki czemu można je obrazować przy użyciu różnych metod mikroskopii świetlnej. Mogą być napięte za pomocą gradientów osmotycznych lub mechanicznie przyłożonego naprężenia, dzięki czemu choć na ogół miękkie, ich właściwościami można manipulować w celu łatwej obsługi. W szczególności kontrolowanie "sztywności" liposomu ułatwia tworzenie "przyczepionych do liposomów" lub wyciętych plam do elektrofizjologii. W przeszłości rekonstytucja kanałów jonowych była w dużej mierze wykonywana w płaskich dwuwarstwach lipidowych. Obecnie zdolność do tworzenia plam z gigantycznych liposomów i korzystania ze znacznego kołczanu narzędzi opracowanych dla konwencjonalnej elektrofizjologii (mikroskopia fluorescencyjna, aspiracja mikropipet, szybka perfuzja i kontrola temperatury itp.) sprawia, że gigantyczne liposomy stają się coraz bardziej atrakcyjne do badań nad rekonstytucją5,6.
Gigantyczne liposomy powstały dzięki wielu strategiom. W rzeczywistości gigantyczne liposomy tworzą się spontanicznie w procesie pęcznienia, gdy wysuszony film lipidowy jest ponownie uwodniony4,7,8. Chęć szybszego przygotowania większych, bardziej jednorodnych liposomów skłoniła naukowców do innych podejść, z których najważniejszym było elektroformowanie1,9. Elektroformacja również opiera się na uwodnieniu wysuszonego filmu lipidowego, ale przyspiesza ten proces poprzez zastosowanie oscylującego pola elektrycznego w poprzek filmu lipidowego. Pole jest podawane przez dwie elektrody, druty platynowe lub szkiełka szkiełkowe pokryte tlenkiem indu i cyny (ITO), oddzielone wodą lub buforem i na których osadza się lipidy. Przyspieszając pęcznienie liposomów, osiąga się wyższą wydajność większych liposomów. W ten sposób elektroformacja stała się domyślną metodą wytwarzania gigantycznych liposomów4.
Mechanizm elektroformacji nie jest w pełni zrozumiały, a większość protokołów jest rozwijana empirycznie (np. 10,11). Niemniej jednak możemy dowiedzieć się trochę o tym, czego się spodziewać, biorąc pod uwagę teorię i niektóre wyniki empiryczne. Powszechnie uważa się, że elektroformacja zachodzi poprzez sterowanie elektroosmotycznym przepływem buforu między poszczególnymi dwuwarstwami lipidowymi ułożonymi w osadzonym filmie lipidowym10,11. Prawdopodobnie w grę wchodzi również sprzężenie elektrostatyczne z fluktuacjami termicznymi dwuwarstw lipidowych12. Hipotezy te jakościowo przewidują górne granice częstotliwości i natężenia pola elektrycznego, które można zastosować10,12. W szczególności przewiduje się, że roztwory o wysokiej przewodności (tj. fizjologiczne roztwory soli) zmniejszają siły elektrohydrodynamiczne, które mogą inicjować elektrotworzenie liposomów12. Natężenia przepływu elektroosmotycznego na ogół zmniejszają się wraz ze wzrostem stężenia soli i często osiągają szczyt przy pewnej częstotliwości oscylacji pola elektrycznego (np. choć w innej geometrii, Green i wsp.13). Tak więc wyższe natężenie pola i wyższe częstotliwości są rozsądne dla roztworów o wysokiej przewodności, w granicach10.
Jednakże, białka błonowe mogą być niezgodne z tradycyjną metodą osadzania lipidów na elektrodach podczas procedury elektropęcznienia, a mianowicie w rozpuszczalnikach organicznych, które są następnie odparowywane, aby pozostawić cienki film lipidowy. Istnieją dwie główne drogi obejścia tej trudności: włączenie białek po utworzeniu gigantycznych liposomów lub dostosowanie sposobu odkładania lipidów. Nasze podejście opiera się na innych5,11 w celu zdeponowania lipidów i odtworzonego białka błonowego razem z zawiesiny małych lub dużych "proteoliposomów". Opisujemy długi i bardziej wymagający proces wytwarzania proteoliposomów z oczyszczonych białek i lipidów w innym miejscu (Collins i Gordon, w przeglądzie). Tutaj opisujemy protokół w przypadku braku jakiegokolwiek białka, ale jest on taki sam, gdy białko jest włączone; dołączamy wyniki pokazujące, że proteoliposomy zawierające kanał jonowy TRPV1 mogą być przekształcane w GUV i wykorzystywane do elektrofizjologii patch-clamp. W każdym podejściu do elektroformacji kontrola wzrokowa próbki lipidów podczas procesu osadzania lipidów ma kluczowe znaczenie dla sukcesu.
Nasze podejście może być istotne poza specjalistycznym zastosowaniem do odtwarzania kanałów jonowych. W czasie, który upłynął od czasu opracowania tego protokołu i obecnie, wykazano również, w jaki sposób sposób, w jaki lipidy są osadzane na elektrodach w celu elektroformacji, wpływa na niejednorodność składu powstałych GUV. Baykal-Caglar i wsp.14 wykazało, że GUV utworzone ze starannie odwodnionych liposomów miały 2,5 razy mniejszą zmienność temperatury mieszalności GUV utworzonych z mieszanin różnych fosfolipidów i cholesterolu. Ich praca wskazuje, że lipidy, a zwłaszcza cholesterol, mogą wytrącać się z mieszaniny lipidów po zdeponowaniu z rozpuszczalników organicznych, co powoduje duże przestrzenne zróżnicowanie składu zdeponowanego filmu lipidowego. Jest to szczególnie ważne dla badań nad zachowaniem fazy błony lipidowej, ale może mieć również kluczowe znaczenie dla eksperymentów ilościowych dotyczących funkcji kanałów jonowych. Baykal-Caglar i wsp." Protokół jest podobny, ale nie identyczny z naszym, a czytelnicy są zachęcani do jego studiowania.
Ten protokół (zobacz przegląd, Rysunek 1) jest jednym z wielu, które mogłyby być użyte. Zasadniczo powodzenie elektroformacji zależy od mieszaniny lipidów, hydratacji, temperatury, innych substancji rozpuszczonych (zwłaszcza jonów) i oczywiście napięcia i częstotliwości użytych do formacji. W miarę jak elektroformacja staje się coraz lepiej rozumiana, spodziewamy się jeszcze bardziej udoskonalić nasz protokół.
Na koniec, często występuje stroma krzywa uczenia się w gigantycznych liposomach do elektroformowania. Sugerujemy opanowanie konwencjonalnego protokołu (sekcje 1 i 4 oraz, jeśli to konieczne, sekcja 5) przed nauczeniem się deponowania lipidów z zawiesin liposomalnych (sekcje 2-5).