Analiza rezonansu Förstera (FRET) oparta na mikroskopii pozwala na ocenę interakcji między białkami w żywych komórkach. Dostarcza informacji przestrzennych i czasowych, w tym informacji o tym, gdzie w komórce i w którym przedziale subkomórkowym zachodzi interakcja i czy ta interakcja zmienia się w czasie.
Theodor Förster położył teoretyczne podstawy FRET w 1948 roku1. FRET to bezpromieniowy transfer energii od wzbudzonego donora do cząsteczki akceptora i zależy od odległości cząsteczek i względnej orientacji ich dipoli przejściowych, a także nakładania się widm emisji donorowej i absorpcji akceptora. Szybkość transferu energii jest odwrotnie proporcjonalna do szóstej potęgi odległości donor-akceptor. Dzięki temu FRET może być używany do pomiaru bliskości molekularnej w zakresie 1-10 nm.
FRET konkuruje z innymi procesami de-wzbudzenia cząsteczki donorowej i powoduje tzw. wygaszanie donorów i uwrażliwianie emisji akceptora. Wygaszanie donorów to zmniejszenie liczby emitowanych fotonów donorowych, podczas gdy emisja uwrażliwiona to wzrost emitowanych fotonów akceptorowych. Wiele mikroskopowych analiz FRET wykorzystuje pomiary intensywności fluorescencji, w tym fotowybielanie akceptorowe2, fotowybielanie przez dawcę2 lub fotowybielanie uwrażliwione na FRET dla acceptor3.
Tutaj przedstawiono krok po kroku eksperymentalny protokół i algorytm matematyczny do ilościowego oznaczania FRET za pomocą hartowania donorów i emisji uwrażliwionej na akceptor4,5, metoda często określana jako ratiometryczny FRET. Opublikowano wiele protokołów dotyczących przybliżania emisji uczulonej, ale niewiele z nich określiło ilościowo bezwzględną wydajność FRET6,7,8,9. Kwantyfikacja wydajności FRET w żywej komórce wymaga określenia (i) przesłuchu (rozlanie spektralne lub krwawienie) białek fluorescencyjnych, a także (ii) skuteczności wykrywania układu mikroskopowego. Podczas gdy przesłuchy można ocenić poprzez obrazowanie komórek wyrażających tylko jeden z fluoroforów, ocena względnej skuteczności wykrywania fluorescencji dawcy i akceptora jest bardziej skomplikowana. Wymaga to znajomości co najmniej stosunku liczby cząsteczek donorowych i akceptorowych powodujących powstanie mierzonych sygnałów. Liczba fluoroforów ulegających ekspresji w żywych komórkach różni się jednak w zależności od komórki i jest nieznana. Tak zwany czynnik α charakteryzuje względną siłę sygnału z pojedynczej wzbudzonej cząsteczki donora i akceptora. Znajomość tego czynnika jest warunkiem wstępnym ilościowych pomiarów ratiometrycznych FRET w próbkach o zmiennym stosunku cząsteczek akceptorowych do donorowych, jakie występują podczas obrazowania żywych komórek za pomocą białek fluorescencyjnych. Użycie białka fuzyjnego 1 do 1 donor-akceptor jako sondy kalibracyjnej pozwala na określenie czynnika α, a także służy jako kontrola pozytywna. Ta genetycznie sprzężona sonda ulega ekspresji przez komórki w nieznanych ilościach całkowitych, ale w stałej i znanej względnej ilości jeden do jednego. Poniższy protokół określa, jak skonstruować sondę 1 do 1 i jak jej używać do ilościowego określania wydajności FRET. Arkusz kalkulacyjny, który zawiera wszystkie formuły, znajduje się w suplemencie i może być używany przez czytelników do wprowadzania własnych pomiarów w odpowiednich kolumnach, jak opisano poniżej.
Podczas gdy protokół wykorzystuje parę dawca/akceptor GFP-Cherry, przedstawione podejście można wykonać z dowolną inną parą FRET. Plik uzupełniający 1 zawiera szczegółowe informacje na temat par niebieskozielo-żółtych.