-1::1
Simple Hit Counter
Skip to content

Products

Solutions

×
×
Sign In

PL

EN - EnglishCN - 简体中文DE - DeutschES - EspañolKR - 한국어IT - ItalianoFR - FrançaisPT - Português do BrasilPL - PolskiHE - עִבְרִיתRU - РусскийJA - 日本語TR - TürkçeAR - العربية
Sign In Start Free Trial

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

Behavior
Biochemistry
Bioengineering
Biology
Cancer Research
Chemistry
Developmental Biology
View All
JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

Biological Techniques
Biology
Cancer Research
Immunology
Neuroscience
Microbiology
JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

EDUCATION

JoVE Core

Video textbooks for undergraduate courses

Analytical Chemistry
Anatomy and Physiology
Biology
Calculus
Cell Biology
Chemistry
Civil Engineering
Electrical Engineering
View All
JoVE Science Education

Visual demonstrations of key scientific experiments

Advanced Biology
Basic Biology
Chemistry
View All
JoVE Lab Manual

Videos of experiments for undergraduate lab courses

Biology
Chemistry

BUSINESS

JoVE Business

Video textbooks for business education

Accounting
Finance
Macroeconomics
Marketing
Microeconomics

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Authors

Teaching Faculty

Librarians

K12 Schools

Biopharma

Products

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

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

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Solutions

Authors
Teaching Faculty
Librarians
K12 Schools
Biopharma

Language

pl_PL

EN

English

CN

简体中文

DE

Deutsch

ES

Español

KR

한국어

IT

Italiano

FR

Français

PT

Português do Brasil

PL

Polski

HE

עִבְרִית

RU

Русский

JA

日本語

TR

Türkçe

AR

العربية

    Menu

    JoVE Journal

    Behavior

    Biochemistry

    Bioengineering

    Biology

    Cancer Research

    Chemistry

    Developmental Biology

    Engineering

    Environment

    Genetics

    Immunology and Infection

    Medicine

    Neuroscience

    Menu

    JoVE Encyclopedia of Experiments

    Biological Techniques

    Biology

    Cancer Research

    Immunology

    Neuroscience

    Microbiology

    Menu

    JoVE Core

    Analytical Chemistry

    Anatomy and Physiology

    Biology

    Calculus

    Cell Biology

    Chemistry

    Civil Engineering

    Electrical Engineering

    Introduction to Psychology

    Mechanical Engineering

    Medical-Surgical Nursing

    View All

    Menu

    JoVE Science Education

    Advanced Biology

    Basic Biology

    Chemistry

    Clinical Skills

    Engineering

    Environmental Sciences

    Physics

    Psychology

    View All

    Menu

    JoVE Lab Manual

    Biology

    Chemistry

    Menu

    JoVE Business

    Accounting

    Finance

    Macroeconomics

    Marketing

    Microeconomics

Start Free Trial
Loading...
Home
JoVE Journal
Biochemistry
Mikroskopia fluorescencyjna z jednoczesnym odbiciem interferencyjnym i całkowitym odbiciem wewnęt...

Research Article

Mikroskopia fluorescencyjna z jednoczesnym odbiciem interferencyjnym i całkowitym odbiciem wewnętrznym do obrazowania dynamicznych mikrotubul i powiązanych białek

DOI: 10.3791/63730

May 3, 2022

Yazgan Tuna1, Amer Al-Hiyasat1, Jonathon Howard1,2

1Department of Molecular Biophysics & Biochemistry,Yale University, 2Department of Physics,Yale University

Cite Watch Download PDF Download Material list
AI Banner

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

In This Article

Summary Abstract Introduction Protocol Representative Results Discussion Disclosures Acknowledgements Materials References Reprints and Permissions

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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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

.

Protocol

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.

  1. Przygotowanie kanałów PDMS
    1. Przygotować oczyszczone i/lub funkcjonalizowane szkła nakrywkowe o składzie chemicznym powierzchni odpowiednim do konkretnego obrazowanego testu.
      UWAGA: Do testów ruchliwości kinezyny stosuje się silanizowane szkła nakrywkowe oczyszczone piranią. Są one przygotowywane zgodnie z opisem w Gell et. al.1 Alternatywnie, prostszą procedurą jest sonikacja szkieł nakrywkowych w izopropanolu, a następnie metanolu przez 3 cykle po 20 minut.
    2. Aby przygotować formę główną, przytnij paski jednostronnej taśmy stacjonarnej do żądanego rozmiaru kanału przepływowego. Przyklej paski do dna 10 cm szalki Petriego, układając je na boki z zachowaniem co najmniej 1 cm odstępu między paskami.
      UWAGA: Jeśli wymagane są dokładne wymiary kanału, forma może być wykonana na płytkach krzemowych za pomocą fotolitografii14.
    3. Aby przygotować polimer PDMS, należy połączyć utwardzacz i elastomer bazowy w stosunku masowym 1:10. Mieszaj przez 2 min.
      UWAGA: Ten stosunek mieszania można zmieniać, aby dostroić sztywność polimeru. Wyższy stosunek bazy do utwardzacza skutkuje bardziej miękkim polimerem.
    4. Odgazuj mieszaninę w komorze próżniowej, aż wszystkie pęcherzyki znikną.
    5. Wylej mieszaninę na formę wzorcową warstwą o grubości ~0,5 cm, uważając, aby nie tworzyć bąbelków.
    6. Piecz masę w piekarniku nagrzanym do 70 °C przez 40 min.
      UWAGA: Może być wymagany dłuższy czas utwardzania, jeśli blok PDMS jest gruby (>1 cm). Kontynuuj podgrzewanie w odstępach 5-minutowych, aż do całkowitego utwardzenia.
    7. Wytnij strukturalne obszary polimeru. Przebij otwory na każdym końcu kanału za pomocą dziurkacza PDMS.
      UWAGA: W tym protokole średnica otworu jest ustawiona na 0,75 mm i można ją regulować zgodnie z wymaganymi natężeniami przepływu. Kanały PDMS mogą być przechowywane w suchym środowisku przez dłuższy czas, ale należy je wyczyścić przed użyciem.
    8. Oczyść strukturalną stronę bloku PDMS. Użyj taśmy stacjonarnej, aby usunąć duże cząstki. Spłucz izopropanolem, a następnie metanolem. Powtórz te płukania 3 razy, spłucz ultraczystą wodą i wysusz powierzchnię suszarką.
    9. Plazma oczyść PDMS za pomocą tlenu lub plazmy powietrznej.
      UWAGA: W tym protokole używana jest plazma powietrzna o mocy 18 W.
    10. Umieść oczyszczony plazmowo PDMS na odpowiednio oczyszczonej szkle nakrywkowej i podgrzewaj na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C przez 15 min.
      UWAGA: Żywicę epoksydową można nakładać na boki bloku PDMS, aby lepiej przylegać do szkła osłonowego.
    11. Włóż do otworów rurki z polietylenu o niskiej gęstości (LDPE) o odpowiedniej wielkości. Podłącz rurkę wylotową do strzykawki 0.5 ml.
      UWAGA: W tym protokole rurki o średnicy wewnętrznej 0,023 cala są połączone z PDMS za pomocą metalowego adaptera o średnicy zewnętrznej 0,025 cala.
    12. Wlać roztwory do mikrokanalików, zanurzając rurkę wlotową w roztworze i pobierając wymaganą objętość za pomocą strzykawki.

2. Konfiguracja optyczna

  1. Modyfikacja mikroskopu (Rysunek 1)
    1. Zmodyfikuj mikroskop TIRF, aby włączyć obrazowanie IRM13. Wymień rozdzielacz wiązki 50/50 (Odbicie (R)/Transmisja (T)) używany w kole filtrów mikroskopu na rozdzielacz wiązki 10/90 (R/T).
    2. Wstaw rozdzielacz obrazu między aparatem a mikroskopem.
    3. W kostce filtra rozdzielacza obrazu wstaw rozdzielacz wiązki 10/90 (R/T). Umieść filtr długoprzepustowy o długości fali 600 nm przed wiązką odbitą, a odpowiedni filtr emisji fluorescencji przed wiązką transmitowaną.
      UWAGA: Rozdzielacze wiązki o różnych współczynnikach R/T mogą być używane do dostrajania frakcji zbieranego światła emisyjnego IRM i TIRF.
    4. Wyrównaj rozdzielacz obrazu zgodnie ze specyfikacją producenta, aby przestrzennie oddzielić sygnały TIRF i IRM na chipie aparatu.
      UWAGA: Przestrzenna separacja sygnałów jest wymagana, ponieważ sygnał TIRF typowych fluoroforów jest znacznie słabszy niż sygnał IRM mikrotubuli i nie byłby wykrywalny, gdyby te dwa sygnały zostały nałożone
    5. na siebie.

3. Obrazowanie dynamicznych mikrotubul i pojedynczych cząsteczek kinezyny

  1. Funkcjonalizacja i pasywacja powierzchni
    1. Przelać bufor BRB80 (80 mM Na-PIPES, 1 mM EGTA, 1 mM MgCl2, miareczkowany do pH 7,8 za pomocą NaOH) do komory reakcyjnej.
    2. Przepływowy roztwór antybiotyny rozcieńczony do 0,025 mg/ml w BRB80 i inkubować w temperaturze pokojowej przez 10 minut.
    3. Umyj kanał za pomocą BRB80.
    4. Przepłynąć w roztworze F-127 (1% Pluronic F-127 (w/v) rozpuszczony w BRB80 przez noc) i inkubować przez co najmniej 20 minut w celu pasywacji powierzchniowej.
      UWAGA: Jeśli zamiast silanizowanych szkieł nakrywkowych stosuje się łatwe do czyszczenia szkła nakrywkowe, pasywację przy użyciu 2 mg/ml kazeiny w BRB80 przez >20 minut w temperaturze pokojowej.
    5. Umyj kanał za pomocą BRB80.
  2. Przygotowanie do obrazowania
    1. Jeśli wymagana jest regulacja temperatury, użyj grzejnika obiektywowego i ustaw go na odpowiednią temperaturę.
      UWAGA: W tym protokole wszystkie eksperymenty są wykonywane w temperaturze 28 °C.
    2. Umieścić próbkę na stoliku mikroskopu i włączyć źródło światła epiiluminacji (>600 nm) do obrazowania IRM.
      UWAGA: W tym protokole używane jest białe źródło światła LED z filtrem długoprzepustowym 600 nm.
    3. Ustaw ostrość mikroskopu na powierzchni próbki. Poszukaj właściwej płaszczyzny ogniskowej w pobliżu interfejsu rozwiązania PDMS.
      UWAGA: W IRM wodne wnętrze kanału powinno wydawać się znacznie jaśniejsze niż polimer PDMS.
    4. Wybierz pole widzenia w pobliżu środka kanału.
    5. Przygotować roztwór 0,1 μm fluorescencyjnych mikrokulek w BRB80 (gęstość: 109 kulek/ml, co odpowiada 200-krotnemu rozcieńczeniu kulek stosowanych w tym protokole).
    6. Przepływ w co najmniej jednej objętości kanału roztworu mikrogranulek.
    7. Monitorowanie reakcji za pomocą usługi IRM. Poczekaj, aż mikrogranulki stopniowo "wylądują" na powierzchni. Po osiągnięciu pożądanej gęstości mikrogranulek zmyj nadmiar BRB80.
  3. Uprawa biotynylowanych nasion mikrotubul stabilizowanych 5'-α,β-metylenodifosfonianem guanylylu (GMPCPP)
    1. W probówce wirówkowej o pojemności 0,6 ml przygotuj 50 μl roztworu zawierającego 1 mM GMPCPP, 1 mM MgCl2 i 2 μM biotynylowanej tubuliny (5-10% oznaczania stechiometrii) w BRB80.
      UWAGA: Prawidłową stechiometrię znakowania można uzyskać, łącząc biotynylowaną tubulinę o dużej gęstości z nieznakowaną tubuliną bydlęcą w odpowiednim stosunku.
    2. Inkubować roztwór na lodzie przez 5 minut, następnie inkubować w temperaturze 37 °C przez 12,5 min.
      UWAGA: Długość nasion można kontrolować, dostrajając czas polimeryzacji.
    3. Zatrzymaj polimeryzację, dodając 100 μl BRB80 o temperaturze pokojowej.
    4. Odwirować roztwór w ultrawirówce w temperaturze pokojowej (126 000 x g, 5 min). Odrzucić supernatant za pomocą pipety w celu usunięcia niespolimeryzowanej tubuliny.
      UWAGA: W tym protokole używana jest ultrawirówka napędzana powietrzem.
    5. Do granulatu dodać 200 μl BRB80 o temperaturze pokojowej. Zawiesić osad przez delikatne, ale dokładne pipetowanie. Użyj pipety o pojemności 200 μl z odciętą końcówką, aby zmniejszyć ścinanie mikrotubul.
  4. Rosnące dynamiczne "rozszerzenia" tubuliny difosforanu guanozyny (GDP)
    UWAGA: Nasiona zostaną unieruchomione na powierzchni antybiotyny kanału przepływowego. Dynamiczne "przedłużenia" GTP/GDP będą wyrastać z końców unieruchomionych nasion.
    1. Rozcieńczyć nasiona 20x w BRB80. Przelej rozcieńczone nasiona do komory reakcyjnej.
    2. Monitorowanie reakcji za pomocą usługi IRM. Poczekaj, aż nasiona stopniowo "wylądują" na powierzchni i zwiążą się z nią. Po osiągnięciu pożądanej gęstości nasion zmyj nadmiar BRB80.
    3. Przygotować mieszaninę do przedłużania mikrotubul: 12 μM nieznakowanej tubuliny, 1 mM GTP, 5 mM ditiotreitolu (DTT) w buforze BRB80.
    4. Przepływ w co najmniej jednej objętości kanału mieszaniny przedłużającej. Upewnić się, że temperatura reakcji wynosi 28 °C.
    5. Poczekaj, aż z czasem z nasion wyrosną rozszerzenia mikrotubul.
      UWAGA: Długość w stanie ustalonym jest zwykle osiągana w czasie krótszym niż 20 minut.
    6. Użyj dynamicznych mikrotubul do obrazowania. Dodaj i zwizualizuj fluorescencyjne MAP na mikrotubulach, jak opisano w kroku 3.5 dla kinesin-1.
      UWAGA: Ponieważ mikrotubule są związane z powierzchnią, są łatwo widoczne dla TIRF.
  5. Test ruchliwości kinezyny
    UWAGA: W tym kroku opisano protokół wizualizacji ruchliwej kinezyny-1 znakowanej zielonym białkiem fluorescencyjnym (GFP) na kurczących się mikrotubulach. Skrócony konstrukt kinezyny-1 szczura połączony z eGFP (rKin430-eGFP) został poddany ekspresji i oczyszczeniu, jak opisano wcześniej15,16.
    1. Przygotować bufor do pomiaru ruchliwości: 1 mM ATP i 0,2 mg/ml kazeiny w BRB80.
    2. Rozcieńczyć kinezynę-eGFP w buforze ruchliwości do 10 nM.
    3. Przygotuj 2x roztwór pochłaniacza tlenu, aby przeciwdziałać oksydacyjnemu fotowybielaniu (80 mM glukozy, 80 mg/ml oksydazy glukozowej, 32 mg/ml katalazy, 0,2 mg/ml kazeiny, 20 mM DTT) uzupełniony 2 mM ATP.
    4. Połącz 10 części pochłaniacza tlenu, 9 części BRB80 i 1 część 10 nM kinezyny-eGFP, aby uzyskać końcowe stężenie kinezyny 0,5 nM.
      UWAGA: Całkowita głośność powinna być co najmniej 1.5 raza większa niż głośność kanału.
    5. Skonfiguruj ustawienia obrazowania w oprogramowaniu mikroskopu.
      UWAGA: W tym protokole filmy są nagrywane z szybkością 10 kl./s i czasem naświetlania 100 ms. Natężenie lasera wynosi ~0,05 kW/cm2.
    6. Rozpocznij obrazowanie i wlej roztwór kinezyny do komory.
    7. Po zakończeniu pomiaru nagraj krótki (~5 s) film, w którym stolik jest powoli przesuwany ruchem okrężnym lub bocznym. Użyj mediany projekcji tego filmu jako obrazu tła i odejmij ją od surowych pomiarów.

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).

  1. Z nagrania w tle utwórz projekcję mediany w ImageJ, klikając Obraz | Stosy | Projekt Z.
  2. Odejmij medianę projekcji tła od surowych danych obrazu, klikając Procesowy | Kalkulator obrazów.
    UWAGA: Upewnij się, że zaznaczyłeś opcję "Wynik 32-bitowy (zmiennoprzecinkowy)".
  3. Aby zarejestrować obraz, wybierz kolekcję mikrokulek w pobliżu interesującej nas mikrotubuli i użyj ich do wyrównania obrazów TIRF i IRM.
  4. Dla każdego ściegu w tej kolekcji użyj narzędzia do zaznaczania wielopunktowego, aby zaznaczyć przybliżone położenie w kanale TIRF, a następnie odpowiadające mu położenie w kanale IRM.
    UWAGA: Na przykład, jeśli istnieją dwa koraliki (1 i 2), zaznaczenie wielopunktowe będzie miało cztery punkty w następującej kolejności: (1) koralik 1 w TIRF, (2) koralik 1 w IRM, (3) koralik 2 w TIRF, (4) koralik 2 w IRM.
  5. Uruchom dostarczone makro ImageJ (ImageSplitterRegistration.ijm).
    UWAGA: Automatyzuje to następujące kroki: i) oszacowanie środkowego położenia każdego ściegu poprzez dopasowanie do gaussa; ii) dla każdego koralika, obliczając wektor przemieszczenia oddzielający środek w kanale TIRF od środka w kanale IRM; iii) uśrednienie tego wektora przemieszczenia na wszystkich koralikach; iv) rozdzielenie kanałów TIRF i IRM na osobne obrazy; v) przełożenie obrazu TIRF za pomocą średniego wektora przemieszczenia obliczonego w punkcie iii; vi) nakładanie obrazów TIRF i IRM na wielokanałowy plik .tiff.

Representative Results

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
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
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
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.

Discussion

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Disclosures

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.

Acknowledgements

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.).

Materials

Rozdzielacz wiązki 10/90 (R/T)ThorlabsBSN10RPłaski rozdzielacz wiązki stosowany w ścieżce wiązki wzbudzenia
Rozdzielacz wiązki 90/10 (R/T)ThorlabsBSX10RPłaski rozdzielacz wiązki stosowany w rozdzielaczu obrazu
Przeciwciało antybiotynoweSigma-AldrichB3640Służy do funkcjonalizacji powierzchni do klejenia biotynylowanych mikrotubul
ATPSigma-AldrichFLAASSłuży do przygotowania bufora ruchliwości
Filtr pasmowo-przepustowyNewportHPM535-50Filtr pasmowy z twardą powłoką jest używany w rozdzielaczu obrazu do obrazowania sygnału GFP
Biotynylowany cytoszkielet tubuliny, Inc.T333P-ASłuży do wiązania nasion mikrotubul z powierzchnią kanału przepływowego
KazeinaSigma-AldrichC8654Kazeina służy do blokowania oddziaływań niespecyficznych
KatalazaSigma-AldrichC9322Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu
Komora eksykatoraSouthern Labware55207Eksykator służy do odgazowywania żywicy
DTTSigma-AldrichD0632Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu
EGTASigma-AldrichE4378Służy do przygotowania buforu BRB80
GlukozaSigma-AldrichG7528Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu
Oksydaza glukozowaSigma-AldrichG7016Służy do przygotowania roztworu pochłaniacza tlenu
Nukleotydy GMPCPPJena BioscienceNU-405LSłuży do polimeryzacji stabilizowanych mikrotubul
Rozdzielacz obrazuTeledyne-Photometrics ImagingOptoSplit IIRozdzielacz obrazu służy do przestrzennego dzielenia obrazów. Kupując, upewnij się o kompatybilności z mikroskopem
ImajeJ2NIHImageJ2 służy do analizy obrazu
Kinezynaprzygotowana we własnym zakresie (patrz referencje w tekście)
Rurki LDPE ThomasScientific9565S22Nietoksyczna rurka z polietylenu o mniejszej gęstości z mikrootworem służy do przenoszenia płynów
Źródło światła LEDLumencorLumencor sola silnik świetlnyUżywany do obrazowania IRM
Filtry długoprzepustoweThorlabsFELH0600Filtry długoprzepustowe z twardą powłoką. Jeden jest używany jako filtr wzbudzenia, drugi jest używany w rozdzielaczu obrazu do obrazowania sygnału IRM
Chlorek magnezuSigma-Aldrich63068Służy do przygotowania bufora BRB80
Grzałka obiektywu mikoskopowegoOKOLABH401-T-DUAL-BLSłuży do utrzymywania stałej temperatury próbki poprzez ogrzewanie obiektywu
MikroskopNikonTi-EclipseOdwrócony mikroskop, który jest używany w eksperymentach
Na-PIPESSigma-AldrichP2949Służy do przygotowania bufora BRB80
Nikon CFI Apochromat TIRF 100XC Obiektyw olejowyNikonMRD01991Obiektyw do obrazowania ma aperturę numeryczną 1,49
PDMS i utwardzaczMikroskopia elektronowa SciencesSylgard 184 (24236-10)Służy do konstruowania kanałów przepływowych
Dziurkacz PDMSWorld Precision Instruments LLC504529Służy do wybijania otworów w PDMS
Środek do czyszczenia plazmowegoHarrick PlasmaDPC-32GPlazma powietrzna służy do usuwania zanieczyszczeń organicznych z powierzchni PDMS
Poloxamer 407 (nazwa handlowa Pluronic F-127)Sigma-aldrichP2443Służy do pasywacji powierzchni kanału w celu zminimalizowania niespecyficznego wiązania
Wodorotlenek soduSigma-Aldrich567530Używany do przygotowania Bufor BRB80
Stabilizowane mikrotubuleprzygotowane we własnym zakresie (patrz referencje w tekście)
Ultrawirówka stołowaBeckman Coulter340400Służy do odkręcania nasion mikrotubul
Koraliki TetraSpeckThermoFisher ScientificT7279Używany jako odniesienie do wyrównywania obrazów
Aparat fotograficzny Zyla 4.2AndorZyla 4.2Naukowa kamera CMOS ze specyfikacją: 2048 x 2048 pikseli (6,5 μ m rozmiar piksela) z wydajnością kwantową 72% i 16-bitowym zakresem dynamiki

References

  1. Gell, C., et al. Microtubule dynamics reconstituted in vitro and imaged by single-molecule fluorescence microscopy. Methods in Cell Biology. 95, 221-245 (2010).
  2. Axelrod, D. Chapter 7: Total internal reflection fluorescence microscopy. Methods in Cell Biology. 89, 169-221 (2008).
  3. Kuo, Y. -. W., Trottier, O., Mahamdeh, M., Howard, J. Spastin is a dual-function enzyme that severs microtubules and promotes their regrowth to increase the number and mass of microtubules. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (12), 5533-5541 (2019).
  4. Hinrichs, M. H., et al. Tau protein diffuses along the microtubule lattice. The Journal of Biological Chemistry. 287 (46), 38559-38568 (2012).
  5. Al-Hiyasat, A., Tuna, Y., Kuo, Y. -. W., Howard, J. Herding of proteins by the ends of shrinking polymers. arXiv:. , (2021).
  6. Guo, H., et al. Mechanism and dynamics of breakage of fluorescent microtubules. Biophysical Journal. 90 (6), 2093-2098 (2006).
  7. Moerner, W. E., Fromm, D. P. Methods of single-molecule fluorescence spectroscopy and microscopy. Review of Scientific Instruments. 74 (8), 3597-3619 (2003).
  8. Taylor, R. W., Sandoghdar, V., Astratov, V. . Interferometric scattering (iSCAT) microscopy and related techniques. in Label-free super-resolution microscopy. , 25-65 (2019).
  9. Young, G., Kukura, P. Interferometric scattering microscopy). Annual Review of Physical Chemistry. 70 (1), 301-322 (2019).
  10. Koch, M. D., Rohrbach, A. Label-free imaging and bending analysis of microtubules by ROCS microscopy and optical trapping. Biophysical Journal. 114 (1), 168-177 (2018).
  11. Kandel, M. E., Teng, K. W., Selvin, P. R., Popescu, G. Label-free imaging of single microtubule dynamics using spatial light interference microscopy. ACS Nano. 11 (1), 647-655 (2017).
  12. Mahamdeh, M., Simmert, S., Luchniak, A., Schäffer, E., Howard, J. Label-free high-speed wide-field imaging of single microtubules using interference reflection microscopy. Journal of Microscopy. 272 (1), 60-66 (2018).
  13. Mahamdeh, M., Howard, J. Implementation of interference reflection microscopy for label-free, high-speed imaging of microtubules. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (150), e59520 (2019).
  14. Voldman, J., Gray, M. L., Schmidt, M. A. Microfabrication in biology and medicine. Annual Review of Biomedical Engineering. 1, 401-425 (1999).
  15. Rogers, K. R., et al. KIF1D is a fast non-processive kinesin that demonstrates novel K-loop-dependent mechanochemistry. The EMBO Journal. 20 (18), 5101-5113 (2001).
  16. Leduc, C., Ruhnow, F., Howard, J., Diez, S. Detection of fractional steps in cargo movement by the collective operation of kinesin-1 motors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (26), 10847-10852 (2007).
  17. Tuna, Y., Al-Hiyasat, A., Howard, J. Imaging dynamic microtubules and associated proteins by Simultaneous Interference-Reflection and Total-Internal-Reflection-Fluorescence Microscopy. arXiv. , (2022).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission

Play Video

Mikroskopia fluorescencyjna z jednoczesnym odbiciem interferencyjnym i całkowitym odbiciem wewnętrznym do obrazowania dynamicznych mikrotubul i powiązanych białek
JoVE logo
Contact Us Recommend to Library
Research
  • JoVE Journal
  • JoVE Encyclopedia of Experiments
  • JoVE Visualize
Business
  • JoVE Business
Education
  • JoVE Core
  • JoVE Science Education
  • JoVE Lab Manual
  • JoVE Quizzes
Solutions
  • Authors
  • Teaching Faculty
  • Librarians
  • K12 Schools
  • Biopharma
About JoVE
  • Overview
  • Leadership
Others
  • JoVE Newsletters
  • JoVE Help Center
  • Blogs
  • JoVE Newsroom
  • Site Maps
Contact Us Recommend to Library
JoVE logo

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. All rights reserved

Privacy Terms of Use Policies
WeChat QR code