RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Andreas Schreiber*1,2, Lara G. Stühn*1,2, Süreyya E. Geissinger1,2, Matthias C. Huber1,2, Stefan M. Schiller1,2,3,4,5,6
1Center for Biological Systems Analysis,University of Freiburg, 2Faculty of Biology,University of Freiburg, 3Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS),University of Freiburg, 4BIOSS Centre for Biological Signalling Studies,University of Freiburg, 5IMTEK Department of Microsystems Engineering,University of Freiburg, 6Cluster of Excellence livMatS at FIT - Freiburg Center for Interactive Materials and Bioinspired Technologies,University of Freiburg
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Na styku rozpuszczalników organicznych i wodnych, dostosowane do potrzeb amfifilowe białka podobne do elastyny łączą się w złożone struktury supramolekularne, takie jak pęcherzyki, włókna i koacerwaty wywołane parametrami środowiskowymi. Opisane protokoły montażu pozwalają uzyskać kompartmenty oparte na błonach białkowych (PMBC) o przestrajalnych właściwościach, umożliwiające enkapsulację różnych ładunków.
Dopasowane białkowe bloki budulcowe są wszechstronnymi kandydatami do składania struktur supramolekularnych, takich jak minimalne komórki, nośniki leków i rusztowania enzymatyczne. Ze względu na ich biokompatybilność i możliwość dostrajania na poziomie genetycznym, białka podobne do elastyny (ELP) są idealnymi elementami budulcowymi do zastosowań biotechnologicznych i biomedycznych. Niemniej jednak składanie struktur supramolekularnych opartych na białkach o wyraźnych właściwościach fizykochemicznych i dobrym potencjale enkapsulacji pozostaje wyzwaniem.
Tutaj oferujemy dwa efektywne protokoły do samodzielnego montażu amfifilowych ELP w supramolekularne architektury białek, takie jak sferyczne koacerwaty, włókna i stabilne pęcherzyki. Przedstawione protokoły montażu generują kompartmenty białkowe oparte na błonach (PMBC) oparte na ELP o adaptacyjnych właściwościach fizykochemicznych. PMBC wykazują zachowanie separacji faz i ujawniają fuzję membranową zależną od metody oraz są w stanie hermetyzować chemicznie zróżnicowane fluorescencyjne cząsteczki ładunku. Powstałe w ten sposób PMBC mają duży potencjał aplikacyjny jako platforma do formułowania i dostarczania leków, sztuczna komórka i podzielona przestrzeń reakcyjna.
Tworzenie struktur supramolekularnych do zastosowań biotechnologicznych staje się coraz ważniejsze1,2,3,4,5. W przypadku montażu funkcjonalnych architektur, takich jak koacerwaty, pęcherzyki i włókna o pożądanych właściwościach fizykochemicznych, ważne jest zrozumienie i kontrolowanie właściwości fizykochemicznych i konformacyjnych komponentów. Ze względu na molekularną precyzję cząsteczek występujących w przyrodzie, bloki budulcowe struktur supramolekularnych coraz częściej opierają się na lipidach, kwasach nukleinowych lub białkach. W porównaniu z polimerami syntetycznymi, białkowe bloki budulcowe pozwalają na precyzyjną kontrolę nad powstającymi strukturami supramolekularnymi6 na poziomie genetycznym. Sekwencja aminokwasów pierwszorzędowych (aa) poszczególnych bloków budulcowych białek wewnętrznie koduje informacje o ich potencjale składania od poziomu molekularnego do makroskopowego, a także o trójwymiarowym kształcie i właściwościach fizycznych końcowej struktury supramolekularnej7.
Zgłoszone metody składania różnych struktur supramolekularnych często obejmują białka amfifilowe, takie jak wrażliwe na temperaturę białka podobne do elastyny (ELP)5,8,9, rekombinowane oleozyny10 i sztuczne białka amfifile11. Metody wyzwalane temperaturą doprowadziły do złożenia miceli4,10,12, fibers13, sheets14 and vesicles9,15,16. Metody z użyciem rozpuszczalników organicznych zostały zastosowane do tworzenia dynamicznych pęcherzyków na bazie białek8,11,14. Do tej pory stosowane protokoły tworzenia pęcherzyków często nie miały kontroli nad zespołami o rozmiarach mikrometrów16,17 lub mają ograniczoną wydajność montażu5. Ponadto, niektóre zgłoszone pęcherzyki oparte na ELP mają upośledzony potencjał enkapsulacji12 lub ograniczoną stabilność w czasie9. Rozwiązując te wady, przedstawione protokoły umożliwiają samoorganizację struktur supramolekularnych o rozmiarach mikrometrowych i submikrometrowych o odrębnych właściwościach fizykochemicznych, dobrym potencjale enkapsulacji i długotrwałej stabilności. Dostosowane amfifilowe ELP łączą się w struktury supramolekularne, obejmujące zakres od sferycznych koacerwatów i wysoce uporządkowanych skręconych wiązek włókien do pęcherzyków jednowarstwowych, w zależności od zastosowanego protokołu i związanych z nim warunków środowiskowych. Duże pęcherzykowe przedziały białkowe oparte na błonie białkowej (PMBC) ujawniają wszystkie główne fenotypy, takie jak fuzja błonowa i separacja faz, analogiczne do liposomów. PMBC skutecznie hermetyzują chemicznie zróżnicowane fluorescencyjne cząsteczki ładunku, które można monitorować za pomocą prostej mikroskopii epifluorescencyjnej. Powtarzające się domeny ELP użyte w tym badaniu są atrakcyjnymi elementami budulcowymi dla architektur supramolekularnych opartych na białkach18. Wiadomo, że jednostka powtórzeń pentapeptydu ELP (VPGVG) toleruje różne aa oprócz proliny na czwartej pozycji (walina, V), zachowując przy tym swoje właściwości strukturalne i funkcjonalne19. Projekt amfifilowych ELP zawierających charakterystyczne domeny hydrofilowe i hydrofobowe został zrealizowany poprzez wstawienie reszt gościa aa (X) do powtórzenia VPGXG z wyraźną hydrofobowością, polarnością i ładunkiem20. Amfifilowe domeny ELP były wyposażone w hydrofobową fenyloalaninę (F) lub izoleucynę (I), podczas gdy domena hydrofilowa zawierała naładowany kwas glutaminowy (E) lub argininę (R) jako reszty gości. Listę kwalifikujących się amfifilowych konstruktów ELP i odpowiadających im sekwencji aa można znaleźć w informacjach uzupełniających i odniesieniach8,21. Wszystkie elementy składowe zostały wyposażone w małe barwniki fluorescencyjne lub białka fluorescencyjne do wizualizacji za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej. mEGFP i inne białka fluorescencyjne zostały N-końcowo połączone z hydrofilowymi domenami amfifilów ELP. Barwniki organiczne sprzężono za pomocą cykloaddycji alkinowo-azydkowej promowanej przez szczep bez miedzi (SPAAC) do kotranslacyjnie wprowadzonego nienaturalnego aminokwasu (UAA). Jednoczesna inkorporacja para-azydofenyloalaniny UAA (pAzF)22 pozwala na N-końcową modyfikację hydrofilowej domeny ELP. W ten sposób jako sondę fluorescencyjną można użyć zielonego barwnika fluorescencyjnego BDP-FL-PEG4-DBCO (BDP) lub dowolnej małej cząsteczki fluorescencyjnej z naprężoną cyklooktyną. Pomyślne włączenie UAA pAzF i cykloaddycja barwnika za pomocą SPAAC może być łatwo potwierdzona za pomocą LC-MS/MS dzięki wydajnej jonizacji odpowiednich peptydów tryptycznych8. Ten mały barwnik organiczny został zastosowany w celu poszerzenia wyboru rozpuszczalników do protokołów składania, ponieważ białka fluorescencyjne są niekompatybilne z większością rozpuszczalników organicznych. Poniżej opisano dwa najbardziej efektywne protokoły składania struktur supramolekularnych opracowane w naszym laboratorium. Metoda pęcznienia THF jest kompatybilna tylko z amfifilowym ELP modyfikowanym barwnikiem organicznym. Natomiast metoda ekstruzji 1-butanolu (BuOH) jest kompatybilna z wieloma białkami jako sonda fluorescencyjna, np. mEGFP, ponieważ opisana metoda w pełni zachowuje fluorescencję tych białek fuzyjnych. Ponadto enkapsulacja małych cząsteczek i zachowanie fuzji pęcherzykowej działa najlepiej przy zastosowaniu metody ekstruzji BuOH.
1. Projektowanie i klonowanie amfifilowych białek elastynopodobnych (ELP)
2. Ekspresja, oczyszczanie i przygotowanie białek
3. Modyfikacja barwnika ELP za pomocą SPAAC
4. Protokół pęcznienia THF
5. Protokół ekstruzji BuOH
6. Hermetyzacja barwnika za pomocą protokołu ekstruzji BuOH
7. Analiza struktur supramolekularnych za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej
Opracowanie protokołu do produkcji pęcherzyków
Rysunek 1 przedstawia dwie różne metody przygotowania pęcherzyków. Metoda pęcznienia THF po lewej stronie składa się z trzech następujących po sobie etapów i skutkuje różnymi zespołami supramolekularnymi ELP w zależności od temperatury. W klasie Rysunek 1A obrazy z mikroskopii epifluorescencyjnej pokazują pęcherzyki złożone z BDP-R20F20 i struktury fibrylarne złożone z BDP-R40F20. Metoda BuOH, zilustrowana po prawej stronie, prowadzi wyłącznie do tworzenia pęcherzyków ELP, dając około dwóch rzędów wielkości więcej pęcherzyków w porównaniu z metodą pęcznienia THF. Schemat przedstawia proces przygotowania pęcherzyków BuOH. Do przygotowania pęcherzyków w klasie Rysunek 1B BDP-R40F20 zmieszano z 10-15% (v/v) BuOH, a pęcherzyki przygotowano przez ekstruzję mieszaniny.
Prowadzenie samoorganizacji supramolekularnej w różne struktury
Rysunek 2 pokazuje schematyczną ilustrację i obrazy epifluorescencyjne różnych struktur supramolekularnych złożonych z BDP-R40F20 za pomocą protokołu pęcznienia THF. W tym przypadku zastosowano liofilizowany BDP-R40F20 do różnych protokołów montażu. pH buforu i temperaturę procesu składania dostosowano tak, aby tworzyły koacerwaty, fibryle lub pęcherzyki. Koacerwaty przedstawione na Rysunek 2A mają średnicę 1–2 μm i zostały złożone z BDP-R40F20 w temperaturze 20 °C i pH 13. Dostosowanie temperatury montażu do 90 °C powoduje powstanie wiązek nanowłókien ( Rysunek 2B) o pH 4–13 testowane za pomocą BDP-R40F20. Stabilne pęcherzyki mogą być składane z ELP w temperaturze 50 °C i pH 7 (Rysunek 2C). Drobne błędy na jednym z kluczowych etapów protokołu montażu mogą prowadzić do powstania agregatów przedstawionych w Rysunek 2D.
Hermetyzacja różnych ładunków
Rysunek 3 pokazuje hermetyzację różnych ładunków w świetle pęcherzyków złożonych z F20R20-mEGFP metodą ekstruzji BuOH. W celu enkapsulacji dodatnio naładowanego barwnika Atto Rho13 w Rysunek 3A, barwnik zmieszano z wodnym roztworem ELP przed dodaniem (15% v/v) BuOH i wytłaczaniem mieszaniny przez strzykawkę. Obrazy z mikroskopii konfokalnej pokazują pęcherzyki utworzone z F20R20-mEGFP w kanale zielonym, czerwony barwnik AttoRho13 w kanale czerwonym, a powstały połączony kanał pokazuje udaną enkapsulację wewnątrz światła pęcherzyka.
Polisacharyd Dextran Red 3000 został pomyślnie zamknięty przy użyciu metody ekstruzji BuOH, jak opisano powyżej. Obrazy zarejestrowane w kanale zielonym przedstawiają pęcherzyki utworzone z F20R20-mEGFP, podczas gdy kanał czerwony pokazuje ładunek polisacharydowy. Połączony zielony i czerwony obraz w Rysunek 3B potwierdza udaną enkapsulację czerwieni Dekstran 3000 w świetle pęcherzyka.
Kompatybilność komponentów membrany i separacja fazowa mieszanych pęcherzyków BuOH przed/po wytłaczaniu
Rysunek 4 pokazuje separację faz i zachowanie fuzji amfifilów ELP po zmieszaniu pojedynczych bloków budulcowych PMBC w porównaniu z złożonymi populacjami PMBC. Mieszanie amfifilowych bloków budulcowych ELP (F20R20-mEGFP i F20R20-mCherry) przed montażem PMBC prowadzi do jednorodnego rozmieszczenia cząsteczek w zmontowanej membranie PMBC. Jednorodny rozkład fluoroforów i związanych z nimi amfifilów ELP jest widoczny po połączeniu kanału czerwonego i zielonego odpowiednich obrazów fluorescencyjnych. Mieszając populacje pęcherzyków złożone z F20R20-mEGFP lub F20R20-mCherry, natychmiast po zmieszaniu widoczne są wyraźnie widoczne plamy błony o czerwonej lub zielonej fluorescencji. Oznacza to, że zachodzą zdarzenia fuzji PMBC inaczej oznakowanych PMBC i że te błony łączące i ich składniki pozostają oddzielone fazowo przez co najmniej 20 minut. Podobne zachowanie fazowe jest znane z tratw lipidowych, w obrębie błon lipidowych23.

Rysunek 1: Ilustracja metody pęcznienia THF i metody wytłaczania BuOH do sterowanego samoorganizowania amfifilowych ELP w struktury supramolekularne, takie jak pęcherzyki lub włókna. Schematyczny przebieg pracy i reprezentatywne obrazy epifluorescencji (A) metody pęcznienia THF z BDP-R20F20 i BDP-R40F20 skutkującej różnymi strukturami supramolekularnymi w zależności od temperatury i pH oraz (B) metody ekstruzji BuOH dającej wyłącznie pęcherzyki z BDP-R40F20 (podziałka 2 μm). Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Schreiber et al. 20198. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: dzięki zastosowaniu metody pęcznienia THF BDP-R40F20 samoorganizuje się w różne struktury supramolekularne. Warunki środowiskowe zastosowane podczas protokołu montażu (np. temperatura lub pH) determinują dominującą powstałą strukturę supramolekularną. Reprezentatywne struktury supramolekularne w odpowiednich warunkach podczas składania monitorowano za pomocą mikroskopii epifluorescencyjnej i wahały się od (A) koacerwatów i (B) włókienek do (C) stabilnych pęcherzyków. (D) Niepowodzenie w montażu określonych struktur podczas protokołu pęcznienia THF prowadzi do powstania niespecyficznych agregatów (podziałka 2 μm). Ten rysunek został zmodyfikowany z8. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Różne ładunki mogą być zamknięte w pęcherzykach ELP przy użyciu metody ekstruzji BuOH. (A) pokazuje reprezentatywne obrazy konfokalne pęcherzyków F20R20-mEGFP z enkapsulowanym dodatnio naładowanym barwnikiem AttoRho13 i (B) enkapsulację czerwieni polisacharydowej dekstranu (podziałka 5 μm). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Kompatybilność składników membrany i zachowanie podczas fuzji błon pęcherzykowych złożonych z F20R20 metodą wytłaczania BuOH. (A) Mieszanie fluorescencyjnego roztworu białka F20R20-mEGFP i F20R20-mCherry przed ekstruzją strzykawką prowadzi do powstania błon PMBC z jednorodnie rozmieszczonymi białkami amfifilowymi widocznymi w kanale zielonym (zdjęcie po lewej), kanale czerwonym (zdjęcie środkowe) i kanale scalonym (zdjęcie po prawej). (B) PMBC złożone z F20R20-mEGFP lub F20R20-mCherry, a następnie zmieszane za pomocą wytłaczania strzykawki, prowadzą do oddzielenia łat amfifilowych ELP w błonach PMBC. Oddzielone amfifile ELP w błonie są widoczne po fuzji PMBC przez co najmniej 20 minut w kanale zielonym (zdjęcie po lewej), kanale czerwonym (zdjęcie środkowe) i kanale scalonym (zdjęcie po prawej). Podziałka odpowiada 5 μm. Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Schreiber et al. 20198. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Na styku rozpuszczalników organicznych i wodnych, dostosowane do potrzeb amfifilowe białka podobne do elastyny łączą się w złożone struktury supramolekularne, takie jak pęcherzyki, włókna i koacerwaty wywołane parametrami środowiskowymi. Opisane protokoły montażu pozwalają uzyskać kompartmenty oparte na błonach białkowych (PMBC) o przestrajalnych właściwościach, umożliwiające enkapsulację różnych ładunków.
Autorzy dziękują BMBF za wsparcie finansowe oraz Centrum Analiz Systemów Biologicznych (ZBSA) za udostępnienie obiektu badawczego. Jesteśmy wdzięczni firmie P. G. Schultz, TSRI, La Jolla, Kalifornia, USA za dostarczenie plazmidu pEVOL-pAzF. Dziękujemy personelowi Centrum Obrazowania Życia (LIC) w Centrum Analiz Systemów Biologicznych (ZBSA) Uniwersytetu Alberta Ludwigsa we Freiburgu za pomoc w udostępnieniu zasobów mikroskopii konfokalnej oraz doskonałe wsparcie w rejestrowaniu obrazu.
| 1 &mikro; m oraz 0,2 i mikro; m Filtr sterylny | VWR | ||
| 1,4-Ditiothreitol | Merck | ||
| 1-butanol. >99,5% rocznie | Roth | ||
| 2log DNA drabinka | NEB | ||
| 2-merkaptoetanol | Roth | ||
| 50 ml Probówki Falcon | VWR | ||
| 79249 Alkine Mega Stokes barwnik | Sigma Aldrich | ||
| Kwas octowy lodowaty | VWR | ||
| Acetonitryl, bezwodny, 99,8% | Sigma-Aldrich | ||
| Sól sodowa ampicyliny, 99% | Roth | ||
| BDP-FL-PEG4-DBCO | Jena Bioscience | ||
| Biofuge | Heraeus | ||
| Filtr butelkowy z membraną PES (45 &mikro; m, 22 i mikro; m) | Thermo Scientific | ||
| Brillant Blue G250 (Coomassie) | Roth | ||
| BspQI | NEB | ||
| Kamera DS Qi1 | Wirówka Nikon | ||
| 5417r | Wirówka Eppendorf | ||
| 5810r | Eppendorf | ||
| CF-400-Cu siatka miedziana o kwadratowej siatce | EMS | ||
| Chloramfenikol | Roth | ||
| CompactStar CS 4 | VWR | ||
| Dextran, Texas Red, 3000 MW, neutralny | Life Technologies | ||
| Cyfrowy sonifier | Branson | ||
| Dimethylsulfoxide (DMSO) | Applichem | ||
| Dnase I | Applichem | ||
| EarI | NEB | ||
| EcoRI-HF | NEB | ||
| Inkubator z wytrząsarką środowiskową ES-20 | Biosan | ||
| Etanol absolutny | Roth | ||
| Roztwór bromku etydyny | Roth | Wsporniki filtracyjne Avanti||
| Płytki szklane | Bio-Rad | ||
| Glicerol Proteomika Klasa | Amresco | ||
| Glycin | Applichem | ||
| H4-Azido-Phe-OH | Bachhem | ||
| Płyta grzewcza MR HeiTec Heidolph | |||
| HindIII | NEB | ||
| HisTrap FF kolumna surowa | GE Life Sciences Kolumna | niklowa | |
| Chlorowodorek dymiący kwas, 37%, p.a. | Merck | ||
| Illuminator ix 20 | INTAS | ||
| Illuminator LAS-4000 | Fujifilm | ||
| Imidazole | Merck | ||
| Immersions olejek do mikroskopii | Merck | ||
| Inkubatory Wytrząsarki Unimax 1010 | Heidolph | Inkubator 1000 Heidolph||
| IPTG, >99% | Roth | ||
| Kanamycinsulfate | Roth | ||
| L(+)-Arabinoza | Wagi | laboratoryjne Roth||
| Extend ed2202s/224s-OCE | Sartorius | ||
| LB-Medium | Roth | ||
| Liofilizator Alpha 2-4 LSC | Christ | ||
| Lizozym, 20000 U/mg | Mikroskop Roth | ||
| CM 100 | Mikroskop Philips | ||
| Eclipse TS 100 | Nikon | ||
| Okulary nakrywkowe do mikroskopii (15 x 15 mm) | Szkiełka mikroskopowe VWR | ||
| mikrofalowego VWR | |||
| Avanti Polar Lipids | |||
| NaCl, >99,5%, rocznie | Roth | ||
| Granulki wodorotlenku sodu | Roth | ||
| Ni-NTA Agaroza, PerfectPro | 5 Prime | ||
| Nucleopore Track-Etch Membrane | Avanti | ||
| miernik pH 766 calimatic | Knick | ||
| Phenylmethylsulfonylflourid (PMSF) | Kolumny | polipropylenowe Roth||
| (1 mL) | Qiagen | ||
| PowerPac basic | BioRad | ||
| Propanol-2-ol | Emplura | ||
| Drabinka białkowa 10-250 kDa | NEB | ||
| Chłodnica recyrkulacyjna F12 | Julabo | ||
| Pierścienie wzmacniające | Herma | ||
| SacI HF | NEB | ||
| SDS Granulki | Roth | ||
| Dihydrat diwodorofosforanu sodu, NaH2PO4 | VWR | ||
| Sterylny filtr strzykawkowy 0,2 mm Octan celulozy | VWR | ||
| T4 Ligaza DNA | NEB | ||
| TEMED | Roth | ||
| TexasRed Sondy | molekularne | z dekstranem||
| Thermomix komfort | Eppendorf | ||
| THF, >99.5% rocznie | Acros | ||
| Triton X 100 | Roth | ||
| Trypton/Pepton z kazeiny | Roth | ||
| Myjka ultradźwiękowa | VWR | ||
| Mocznik p.a. | Roth | ||
| Pompa próżniowa 2.5 | Vacuubrand | ||
| XbaI | NEB | ||
| XhoI | NEB | ||
| ZelluTrans membrana rurowa z regenerowanej celulozy (12.0 S/ 3.5 S/ 1.0 V) | Roth |