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
Research Article
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Przedstawiamy protokół do implementacji mikroskopii interferencyjno-refleksyjnej i mikroskopii totalno-wewnętrznej-refleksyjno-fluorescencyjnej do jednoczesnego obrazowania dynamicznych mikrotubul i fluorescencyjnie znakowanych białek związanych z mikrotubulami.
Zastosowano kilka technik do bezpośredniej wizualizacji włókien cytoszkieletu i związanych z nimi białek. Mikroskopia TIRF (Total internal-reflection-fluorescence) ma wysoki stosunek sygnału do tła, ale cierpi z powodu fotowybielania i fotouszkodzenia białek fluorescencyjnych. Techniki bezznacznikowe, takie jak mikroskopia interferencyjna i refleksyjna (IRM) i interferometryczna mikroskopia rozpraszania (iSCAT), omijają problem fotowybielania, ale nie są w stanie łatwo uwidocznić pojedynczych cząsteczek. W artykule przedstawiono protokół łączenia IRM z komercyjnym mikroskopem TIRF do jednoczesnego obrazowania białek związanych z mikrotubulami (MAP) i dynamicznych mikrotubul in vitro. Protokół ten pozwala na szybką obserwację MAP oddziałujących z dynamicznymi mikrotubulami. Stanowi to ulepszenie istniejących dwukolorowych konfiguracji TIRF, eliminując zarówno potrzebę znakowania mikrotubul, jak i potrzebę stosowania kilku dodatkowych komponentów optycznych, takich jak drugi laser wzbudzający. Oba kanały są obrazowane na tym samym chipie kamery, aby uniknąć problemów z rejestracją obrazu i synchronizacją klatek. Ten układ jest demonstrowany poprzez wizualizację pojedynczych cząsteczek kinezyny chodzących po dynamicznych mikrotubulach.
Mikroskopia TIRF (Total-internal-reflection-fluorescence) jest powszechnie stosowana do wizualizacji pojedynczych cząsteczek fluorescencyjnych. W porównaniu z obrazowaniem epifluorescencyjnym, TIRF osiąga lepszą supresję tła, umożliwiając lokalizację i śledzenie pojedynczych fluoroforów w wysokiej rozdzielczości. Z tego powodu TIRF jest preferowaną metodą wizualizacji znakowanych fluorescencyjnie białek związanych z mikrotubulami i jest często używana do obrazowania mikrotubul1,2.
Aby zbadać regulację dynamiki mikrotubul przez MAP, często konieczne jest jednoczesne obrazowanie zarówno mikrotubul, jak i MAP. Większość istniejących metod do tego celu jest kosztowna lub ma wady techniczne. Na przykład jednoczesny dwukolorowy TIRF wymaga dwóch laserów wzbudzających i dwóch kamer. Oprócz wysokich kosztów, konieczność stosowania oddzielnych kamer stwarza problemy z synchronizacją klatek i rejestracją obrazu. Tę potrzebę można obejść, jeśli obracająca się kostka filtrująca jest używana do fizycznego przełączania między laserami wzbudzenia w kolejnych klatkach3. W takiej konfiguracji można użyć pojedynczego układu kamery, a klatki naprzemiennie zmieniają się między obrazami mikrotubul i MAP. Ta technika jest jednak ograniczona przez szybkość wymiany filtra, która zazwyczaj ogranicza liczbę klatek na sekundę do mniej niż 0,5 klatki na sekundę3 (fps). Taka liczba klatek na sekundę jest niewystarczająca do rozwiązania szybkich procesów dynamicznych, takich jak kurczenie się mikrotubuli zachodzące z prędkością do 500 nm/s, chodzenie kinezyny z prędkością rzędu 800 nm/s, czy dyfuzja MAP zachodząca ze współczynnikami dyfuzji przekraczającymi 0,3 μm2/s4. Jest to szczególnie problematyczne podczas śledzenia względnych pozycji dwóch ruchomych celów w każdym kanale, takich jak położenie MAP względem położenia ruchomej końcówki mikrotubul5.
Oprócz tych ograniczeń optycznych, dwukolorowa mikroskopia TIRF wymaga, aby MAP i mikrotubule były oznaczone różnymi fluoroforami, których widma emisyjne są wystarczająco oddzielone. Fluorescencyjne znakowanie tubuliny może zmienić dynamikę mikrotubul6, a fotowybielanie fluoroforów ogranicza szybkość obrazowania7. Z powodu tych problemów opracowano techniki obrazowania bez znaczników w celu wizualizacji mikrotubul. Należą do nich: interferometryczna mikroskopia rozpraszania (iSCAT)8,9, mikroskopia rotaccyjno-koherentno-rozpraszająca (ROCS)10, przestrzenna mikroskopia interferencyjna światła (SLIM)11, oraz mikroskopia interferencyjna (IRM)12,13. Techniki te umożliwiają szybkie obrazowanie mikrotubul bez znaczników bez wad obrazowania fluorescencyjnego, ale nie można ich używać do wizualizacji pojedynczych MAP.
Spośród tych technik bez etykiet, IRM wyróżnia się niskim kosztem i skromnymi wymaganiami dotyczącymi oprzyrządowania. Niedawno zaprezentowaliśmy protokół łączenia IRM z komercyjnym mikroskopem TIRF, umożliwiający obrazowanie mikrotubul i fluorescencyjnych MAP w naprzemiennych ramkach3,13. W tym artykule przedstawiono protokół modyfikacji tej konfiguracji w celu jednoczesnego przechwytywania obrazów TIRF i IRM na jednym chipie kamery. Polega to na dodaniu niedrogiego rozdzielacza wiązki na ścieżce wzbudzenia, aby jednocześnie oświetlić próbkę za pomocą lasera TIRF i źródła światła LED IRM. Zmodyfikowany komercyjny rozdzielacz obrazu służy do spektralnego oddzielania sygnałów TIRF i IRM i rzutowania ich na oddzielne połówki tego samego układu kamery. Stosujemy również system mikroprzepływowy, który pozwala na szybką wymianę odczynników podczas obrazowania. Ten protokół opisuje, w jaki sposób ta konfiguracja może być używana do obrazowania dynamicznych mikrotubul i MAP. Możliwości aparatu zostały zademonstrowane poprzez przedstawienie pierwszej wizualizacji białek kinezyny-1 chodzących po kurczących się mikrotubulach, która jest rejestrowana z szybkością 10 klatek na sekundę
.1. Przygotowanie komór przepływowych
UWAGA: Mikroprzepływowe komory przepływowe zostaną zbudowane poprzez przyklejenie mikrokanalików polidimetylosiloksanu (PDMS) do oczyszczonego i funkcjonalizowanego szkła nakrywkowego. Mikrokanaliki zostaną odlane w formie wzorcowej.
2. Konfiguracja optyczna
3. Obrazowanie dynamicznych mikrotubul i pojedynczych cząsteczek kinezyny
4. Przetwarzanie i analiza obrazu
UWAGA: Przetwarzanie obrazu zostało przeprowadzone przy użyciu NIH ImageJ2 (imagej.nih.gov/ij/). Opracowano makro w celu zautomatyzowania dzielenia i wyrównywania kanałów TIRF i IRM. To makro wymaga zainstalowania wtyczki GaussFit_OnSpot (dostępnej w repozytorium wtyczek ImageJ).
Układ optyczny jest schematycznie opisany w Rysunek 1. Zarówno oświetlenie IRM, jak i światło wzbudzające TIRF są kierowane na tylną aperturę obiektywu (100x, NA: 1,49) za pomocą rozdzielacza wiązki 10/90 (R/T) (BS1). Emitowany sygnał przechodzi przez ten sam rozdzielacz wiązki (BS1) i jest odbijany do rozdzielacza obrazu za pośrednictwem lustra (M1). Elementy składowe rozdzielacza obrazu (ujęte liniami przerywanymi w Rysunek 1) rozdzielają sygnały IRM i TIRF za pomocą rozdzielacza wiązki 90/10 (R/T) (BS2) wraz z odpowiednimi filtrami spektralnymi. Na koniec podzielone obrazy są rzutowane na układ kamery w celu wizualizacji. Wyrównanie rozdzielacza obrazu jest takie, że sygnały TIRF i IRM są rzutowane na oddzielne połówki chipa.
W dobrze ustawionym mikroskopie, obraz z kamery powinien wyświetlać obraz podzielony na pół, jak pokazano w Rysunek 2. Mikrotubule związane z powierzchnią powinny być dobrze widoczne w kanale IRM13, a kinezyna fluorescencyjna powinna być widoczna w kanale TIRF.
Mikrokulki używane do wyrównywania i rejestrowania dwóch kanałów pojawiają się jako jasne punkty na obrazach TIRF i ciemne plamy na obrazach IRM. Chociaż koraliki są widoczne w surowych danych, odejmowanie tła znacznie poprawia kontrast (Rysunek 2). Obraz tła używany do odejmowania to mediana czasowa filmu nagranego z ruchomą sceną. Zgodnie z opisem w protokole, wyrównanie obrazu zostało wykonane poprzez wybranie kolekcji koralików w pobliżu obszaru zainteresowania i wykonanie dostarczonego makra (imageSplitterRegistration.ijm). Makro dopasowuje punkty do gaussianów i wyrównuje obrazy, minimalizując średnią odległość między punktami środkowymi pasowań w każdym kanale. Proces ten jest reprezentowany przez Rysunek 2, który pokazuje dobre ułożenie mikrokulek fluorescencyjnych (zielony w kanale TIRF, w kanale IRM).
Na koniec, możliwości tego systemu do jednoczesnego obrazowania są demonstrowane poprzez obserwację pojedynczych cząsteczek kinezyny idących w kierunku kurczących się końców mikrotubul. Rysunek 3 pokazuje kymograf cząsteczek kinezyny znakowanych eGFP (zielony) chodzących po kurczącej się mikrotubuli (szary). Zaprezentowana została również seria migawek z nagrania, z którego został wygenerowany kimograf.

Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie układu optycznego do jednoczesnego obrazowania IRM i TIRF ruchliwości kinezyny. Epiiluminacja ze źródła światła LED przechodzi przez membranę apertury i dociera do rozdzielacza wiązki 10/90 (R/T) (BS1). Rozdzielacz wiązki częściowo odbija czerwone światło świetlne IRM i światło wzbudzające TIRF 488 nm aż do obiektywu, aby oświetlić próbkę. Sygnał z próbki jest zbierany przez ten sam obiektyw i kierowany do zespołu rozdzielającego obraz, w którym obrazy IRM i TIRF są przestrzennie oddzielone rozdzielaczem wiązki 90/10 (R/T) (BS2). Sygnały są następnie filtrowane spektralnie przed dotarciem do układu kamery. Skróty: IRM = mikroskopia interferencyjna refleksyjna; TIRF = całkowite-wewnętrzne-odbicie-fluorescencja; LED = dioda elektroluminescencyjna; ITIRF = oświetlenie TIRF; IGFP = fluorescencja GFP; Iinc = oświetlenie IRM; Iref = rozproszone światło na granicy faz szkło/woda; Iscat = rozproszone światło z mikrotubuli; IIRM = sygnał IRM (Interferencja Iref iI scat); R/T = odbity/przepuszczony; LP600: filtr długoprzepustowy (600 nm); DM = zwierciadło dichroiczne; BS1 i BS2 = rozdzielacze wiązki 1 i 2; M1, M2, M3, M4 = lusterka; BP535/50 = pasmo przepustowe (535/50 nm); GFP = białko zielonej fluorescencji; GMPCPP = 5'-α,β-metylenodifosfonian guanylylu; GDP = difosforan guanozyny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Odejmowanie tła i wyrównanie obrazu. Obrazy TIRF (lewa połowa) i IRM (prawa połowa) pojawiają się jednocześnie na dwóch połówkach tego samego układu kamery (obraz z kamery). Odejmowanie mediany czasowej tła zwiększa kontrast koralików (obraz odejmowany przez tło), które wydają się ciemne na obrazach IRM i jasne na obrazach TIRF. Obrazy IRM i TIRF są wyrównywane przez translację (po prawej) na podstawie lokalizacji wybranych koralików (białych prostokątów). Podziałka = 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Kymogram i migawki ruchu kinezyn podczas kurczenia się mikrotubul. Kymograf (po lewej) pokazuje eGFP-kinezinę-1 (zieloną) idącą w kierunku dodatniego końca mikrotubuli (ciemnoszary). Migawki z odpowiednich szeregów czasowych są wyświetlane (po prawej). Białe strzałki pokazują pojedyncze cząsteczki kinezyny-1. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
ImageSplitterRegistration File: Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Przedstawiamy protokół do implementacji mikroskopii interferencyjno-refleksyjnej i mikroskopii totalno-wewnętrznej-refleksyjno-fluorescencyjnej do jednoczesnego obrazowania dynamicznych mikrotubul i fluorescencyjnie znakowanych białek związanych z mikrotubulami.
Dziękujemy laboratorium Thierry'ego Emoneta za udostępnienie sprzętu do pomieszczeń czystych. Dziękujemy Yin-Wei Kuo za przygotowanie oczyszczonej eGFP-kinezyny użytej w tym badaniu. Y.T. dziękuje za wsparcie Fundacji Alexandra von Humboldta za pośrednictwem stypendium badawczego Feodora Lynena. Praca ta była wspierana przez NIH Grant R01 GM139337 (dla J.H.).
| Rozdzielacz wiązki 10/90 (R/T) | Thorlabs | BSN10R | Płaski rozdzielacz wiązki stosowany w ścieżce wiązki wzbudzenia |
| Rozdzielacz wiązki 90/10 (R/T) | Thorlabs | BSX10R | Płaski rozdzielacz wiązki stosowany w rozdzielaczu obrazu |
| Przeciwciało antybiotynowe | Sigma-Aldrich | B3640 | Służy do funkcjonalizacji powierzchni do klejenia biotynylowanych mikrotubul |
| ATP | Sigma-Aldrich | FLAAS | Służy do przygotowania bufora ruchliwości |
| Filtr pasmowo-przepustowy | Newport | HPM535-50 | Filtr pasmowy z twardą powłoką jest używany w rozdzielaczu obrazu do obrazowania sygnału GFP |
| Biotynylowany cytoszkielet tubuliny | , Inc. | T333P-A | Służy do wiązania nasion mikrotubul z powierzchnią kanału przepływowego |
| Kazeina | Sigma-Aldrich | C8654 | Kazeina służy do blokowania oddziaływań niespecyficznych |
| Katalaza | Sigma-Aldrich | C9322 | Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu |
| Komora eksykatora | Southern Labware | 55207 | Eksykator służy do odgazowywania żywicy |
| DTT | Sigma-Aldrich | D0632 | Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E4378 | Służy do przygotowania buforu BRB80 |
| Glukoza | Sigma-Aldrich | G7528 | Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu |
| Oksydaza glukozowa | Sigma-Aldrich | G7016 | Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu |
| Nukleotydy | GMPCPPJena Bioscience | NU-405L | Służy do polimeryzacji stabilizowanych mikrotubul |
| Rozdzielacz obrazu | Teledyne-Photometrics Imaging | OptoSplit II | Rozdzielacz obrazu służy do przestrzennego dzielenia obrazów. Kupując, upewnij się o kompatybilności z mikroskopem |
| ImajeJ2 | NIH | ImageJ2 służy do analizy obrazu | |
| Kinezyna | przygotowana we własnym zakresie (patrz referencje w tekście) | ||
| Rurki LDPE Thomas | Scientific | 9565S22 | Nietoksyczna rurka z polietylenu o mniejszej gęstości z mikrootworem służy do przenoszenia płynów |
| Źródło światła LED | Lumencor | Lumencor sola silnik świetlny | Używany do obrazowania IRM |
| Filtry długoprzepustowe | Thorlabs | FELH0600 | Filtry długoprzepustowe z twardą powłoką. Jeden jest używany jako filtr wzbudzenia, drugi jest używany w rozdzielaczu obrazu do obrazowania sygnału IRM |
| Chlorek magnezu | Sigma-Aldrich | 63068 | Służy do przygotowania bufora BRB80 |
| Grzałka obiektywu mikoskopowego | OKOLAB | H401-T-DUAL-BL | Służy do utrzymywania stałej temperatury próbki poprzez ogrzewanie obiektywu |
| Mikroskop | Nikon | Ti-Eclipse | Odwrócony mikroskop, który jest używany w eksperymentach |
| Na-PIPES | Sigma-Aldrich | P2949 | Służy do przygotowania bufora BRB80 |
| Nikon CFI Apochromat TIRF 100XC Obiektyw olejowy | Nikon | MRD01991 | Obiektyw do obrazowania ma aperturę numeryczną 1,49 |
| PDMS i utwardzacz | Mikroskopia elektronowa Sciences | Sylgard 184 (24236-10) | Służy do konstruowania kanałów przepływowych |
| Dziurkacz PDMS | World Precision Instruments LLC | 504529 | Służy do wybijania otworów w PDMS |
| Środek do czyszczenia plazmowego | Harrick Plasma | DPC-32G | Plazma powietrzna służy do usuwania zanieczyszczeń organicznych z powierzchni PDMS |
| Poloxamer 407 (nazwa handlowa Pluronic F-127) | Sigma-aldrich | P2443 | Służy do pasywacji powierzchni kanału w celu zminimalizowania niespecyficznego wiązania |
| Wodorotlenek sodu | Sigma-Aldrich | 567530 | Używany do przygotowania Bufor BRB80 |
| Stabilizowane mikrotubule | przygotowane we własnym zakresie (patrz referencje w tekście) | ||
| Ultrawirówka stołowa | Beckman Coulter | 340400 | Służy do odkręcania nasion mikrotubul |
| Koraliki TetraSpeck | ThermoFisher Scientific | T7279 | Używany jako odniesienie do wyrównywania obrazów |
| Aparat fotograficzny Zyla 4.2 | Andor | Zyla 4.2 | Naukowa kamera CMOS ze specyfikacją: 2048 x 2048 pikseli (6,5 μ m rozmiar piksela) z wydajnością kwantową 72% i 16-bitowym zakresem dynamiki |