W układzie mikroprzepływowym stosowanym w IV-FPOP, H2O2 oraz nicienie są utrzymywane w separacji aż do momentu tuż przed naświetlaniem laserem. Separacja ta zapobiega rozkładowi H2O2 przez endogenną katalazę oraz inne mechanizmy komórkowe12. Zastosowanie kapilary o średnicy wewnętrznej 250 µm pozwala na całkowity odzysk próbki na poziomie 63–89% w dwóch powtórzeniach biologicznych, podczas gdy kapilara o średnicy wewnętrznej 150 µm wykazuje odzysk jedynie w zakresie 21–31% (Rycina 3A). Użycie kapilary o większej średnicy wewnętrznej (250 µm) zapewnia lepszy przepływ nicieni podczas IV-FPOP oraz przepływ pojedynczych osobników (Rycina 3B) w porównaniu do kapilary o mniejszej średnicy wewnętrznej (150 µm) (Rycina 3C). Kapilara o średnicy wewnętrznej 150 µm nie umożliwia przepływu pojedynczych nicieni (Rycina 3C), a w oknie naświetlania laserem obserwuje się przepływ wielu osobników jednocześnie, co zmniejsza dawkę ekspozycji laserowej przypadającą na pojedynczego nicienia.
IV-FPOP to technika znakowania kowalencyjnego służąca do badania dostępności rozpuszczalnika w C. elegans. Rysunek 4A przedstawia reprezentatywne chromatogramy jonów wyekstrahowanych (EIC) peptydu zmodyfikowanego i niezmodyfikowanego metodą FPOP. Znakowanie rodnikami hydroksylowymi zmienia właściwości chemiczne peptydów zmodyfikowanych utleniająco, co sprawia, że peptydy zmodyfikowane metodą FPOP są bardziej polarne. W chromatografii odwróconej peptydy zmodyfikowane metodą IV-FPOP wykazują krótsze czasy retencji niż peptydy niezmodyfikowane. Fragmentacja MS/MS wyizolowanych peptydów umożliwia identyfikację reszt zmodyfikowanych utleniająco (Rysunek 4B).
Wykazano, że IV-FPOP utlenia łącznie 545 białek w dwóch powtórzeniach biologicznych u C. elegans (Rycina 5A,B). Przewaga IV-FPOP jako metody mapowania powierzchni białek (protein footprinting) wynika z możliwości modyfikowania białek w różnych układach organizmu nicieni (Rycina 5C). Metoda ta pozwala na badanie struktury białek i oddziaływań białko-białko niezależnie od tkanki lub narządu w organizmie nicienia. Ponadto analiza tandemowa MS potwierdza, że IV-FPOP bada dostępność rozpuszczalnika in vivo. Przeanalizowano wzór utleniania białka szoku cieplnego 90 (Hsp90) w kompleksie z białkiem opiekuńczym miozyny UNC-45 (Rycina 6). Analiza MS/MS dla Hsp90 wykazuje cztery utlenione reszty (Rycina 6C,D); znormalizowany stopień modyfikacji FPOP (ln(PF))5 wskazuje, że reszta M698 białka Hsp90 jest mniej dostępna dla rozpuszczalnika niż reszty R697, E699 i E700 w stanie związania z UNC-45 (Rycina 6C). Różnice w utlenianiu zostały potwierdzone obliczeniami dostępnej powierzchni rozpuszczalnika (SASA) zgodnie z literaturą (PDB 4I2Z13). Reszta M698 posiada wartość SASA wynoszącą 0,03, co uznaje się za resztę pogrzebaną w porównaniu z resztami R697, E699 i E700, które mają wyższe wartości SASA (Rycina 6C).14

Rysunek 1. Schemat mikrofluidycznego systemu przepływowego FPOP in vivo. (A) Dwie linie infuzyjne (pomarańczowe) systemu przepływowego IV-FPOP pokazane wewnątrz rurki FEP (żółta); prawidłową pozycję wiązania żywicy epoksydowej reprezentuje jasnoniebieskie koło. (B) Kompletny, zmontowany mieszalnik w kształcie litery T utworzony z trzech kapilar o średnicy wewnętrznej 250 µm. Prawidłową pozycję wiązania żywicy kapilary wylotowej z rurką FEP reprezentuje jasnoniebieskie koło. (C) Kompletny, zmontowany system przepływowy do kowalencyjnego znakowania in vivo C. elegans. Przed FPOP nicienie są oddzielone od H2O2 aż do momentu bezpośrednio poprzedzającego znakowanie; okno naświetlania laserem pokazano w kolorze jasnoniebieskim, a wiązkę lasera reprezentuje fioletowy symbol błyskawicy. Rysunki nie są w skali. Rysunek zmodyfikowany na podstawie pracy Espino et al.4. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2. System mikrofluidyczny podczas IV-FPOP. (A) Reprezentacyjne zdjęcie C. elegans wewnątrz strzykawki 5 mL. Bez mieszania nicienie osiadają na dnie strzykawki (lewo). Mieszadła magnetyczne i blok mieszadła utrzymują nicienie w zawiesinie podczas eksperymentów IV-FPOP (prawo). (B) Reprezentacyjne zdjęcie strzykawki 5 mL, kapilary doprowadzającej i kapilary odprowadzającej połączonych z zaworem 3-2. Uchwyt zaworu 3-2 jest pokazany w pozycji odprowadzania. (C) Mikrofluidyczny system przepływowy podczas IV-FPOP, blok mieszadła magnetycznego jest umieszczony nad strzykawką 5 mL z nicieniami. (D) Kapilara wylotowa zamocowana do stolika promieniującego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rycina 3. Porównanie przepływu i odzysku C. elegans przy użyciu dwóch kapilar o różnej średnicy wewnętrznej (i.d.).(A) Procentowy odzysk nicieni po IV-FPOP dla dwóch powtórzeń biologicznych (BR) przy użyciu kapilar o średnicy wewnętrznej 250 μm (szary) i 150 μm (czarny). Słupki błędów obliczono na podstawie odchylenia standardowego z trzech powtórzeń technicznych. C. elegans przepływający przez okno naświetlania laserowego przez kapilary o średnicy wewnętrznej 250 µm (B) i 150 µm (C). Nicienie są bardziej ściśnięte w mniejszej kapilarze. W kapilarze o średnicy wewnętrznej 150 µm widoczne jest skupianie się nicieni. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Espino et al.4. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4. Reprezentatywne wyniki LC-MS/MS po IV-FPOP. (A) EIC peptydy zmodyfikowanego przez FPOP (czerwony) i niezmodyfikowanego (niebieski). Wybrany peptyd pochodzi z białka aktyny-1. (B) Widmo MS/MS dwukrotnie naładowanego niezmodyfikowanego peptydy aktyny-1 317-327. (C) Widmo MS/MS dwukrotnie naładowanego peptydy aktyny-1 317-327 zmodyfikowanego przez FPOP; w tym przykładzie P323 uległ modyfikacji oksydacyjnej (jon y5+, czerwony). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 5. IV-FPOP utlenia białka w organizmach C. elegans. (A) Diagram Venna białek zmodyfikowanych oksydacyjnie w obecności 200 mM nadtlenku wodoru przy 50 Hz w dwóch powtórzeniach biologicznych (BR); BR1 zaznaczono kolorem niebieskim, a BR2 kolorem żółtym. (B) Diagram Venna białek zmodyfikowanych oksydacyjnie zidentyfikowanych w próbkach napromieniowanych, kontroli z nadtlenkiem wodoru oraz kontroli z samymi nicieniami w BR2 w trzech powtórzeniach technicznych. (C) Wykres kołowy białek zmodyfikowanych oksydacyjnie w różnych układach organizmu C. elegans . Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Espino et al.4. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 6. Korelacja modyfikacji IV-FPOP z dostępnością dla rozpuszczalnika. (A) Białko opiekuńcze miozyny UNC-45 (szare) (PDB ID 4I2Z13) z zaznaczonymi dwoma zmodyfikowanymi peptydami zidentyfikowanymi w analizie LC/MS/MS: 669−680 i 698−706 (zielone, wstawka po lewej). UNC-45 jest związane z fragmentem peptydowym Hsp90 (niebieski). Utlenione reszty w obrębie tego fragmentu przedstawiono w formie prętów (czerwone), a UNC-45 przedstawiono jako powierzchnię (wstawka po prawej). (B) Widma tandemowej spektrometrii mas (MS/MS) peptydów UNC-45 669−680 (góra) oraz 698−706 (dół), wykazujące jony b i y dla utraty CO2, będącej modyfikacją FPOP. (C) Obliczone wartości ln(PF) dla utlenionych reszt Hsp90: R697, M698, E699 i E700. Obliczone wartości SASA dla Hsp90 naniesiono nad każdą resztą. (D) Widma tandemowej spektrometrii mas dla R697, M698, E699 i E700 wykazujące modyfikację FPOP +16. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Espino et al.4. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.