electroformation, और जेल की सहायता की सूजन – विशाल unilamellar पुटिकाओं (GUVs) में transmembrane प्रोटीन, KvAP, के पुनर्गठन दो निर्जलीकरण-पुनर्जलीकरण तरीकों के लिए प्रदर्शन किया है। दोनों तरीकों में, प्रोटीन युक्त छोटे unilamellar पुटिकाओं तो प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी और पैच दबाना इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी द्वारा अध्ययन किया जा सकता है कि GUVs फार्म करने के लिए एक साथ जुड़े हुए हैं।
विशालकाय unilamellar पुटिकाओं (GUVs) झिल्ली जुड़े घटना के अध्ययन के लिए एक लोकप्रिय biomimetic व्यवस्था कर रहे हैं। हालांकि, आमतौर पर GUVs कार्यात्मक transmembrane प्रोटीन युक्त GUVs फार्म के क्रम में संशोधित किया जाना चाहिए विकसित करने के लिए प्रोटोकॉल का इस्तेमाल किया। Electroformation और जेल की सहायता की सूजन – – वोल्टेज gated पोटेशियम चैनल, KvAP युक्त GUVs फार्म करने के लिए यह लेख दो निर्जलीकरण-पुनर्जलीकरण विधियों का वर्णन है। दोनों तरीकों में, प्रोटीन युक्त छोटे unilamellar vesicles के एक समाधान तो एक पुनर्जलीकरण बफर में प्रफुल्लित करने के लिए अनुमति दी है जो झिल्ली का एक ढेर, फार्म करने के लिए आंशिक रूप से निर्जलित है। एक एसी मैदान फिल्म पुनर्जलीकरण के दौरान लागू किया जा सकता है, ताकि electroformation विधि के लिए, फिल्म प्लैटिनम इलेक्ट्रोड पर जमा किया जाता है। इसके विपरीत, जेल की सहायता की सूजन विधि फिल्म पुनर्जलीकरण को बढ़ाने के लिए एक agarose जेल सब्सट्रेट का उपयोग करता है। दोनों तरीकों (जैसे, 5 मिमी) कम और शारीरिक (जैसे, 100 मिमी) नमक सांद्रता में GUVs उत्पादन कर सकते हैं। जिसके परिणामस्वरूप GUVs प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी के माध्यम से की विशेषता है, और पुनर्गठन चैनलों के समारोह के अंदर-बाहर पैच दबाना विन्यास का उपयोग करके मापा। एक बारी बिजली के क्षेत्र (electroformation) की उपस्थिति में सूजन दोष मुक्त GUVs की एक उच्च उपज देता है, वहीं जेल की सहायता की सूजन विधि एक और अधिक सजातीय प्रोटीन वितरण पैदा करता है और कोई विशेष उपकरणों की आवश्यकता है।
रहने वाले सिस्टम को नियंत्रित करने वाले भौतिक सिद्धांतों का अध्ययन करते हैं, तो नीचे अप दृष्टिकोण एक experimentalist प्रणाली संरचना और आसानी से सेल आधारित सिस्टम एक में हेरफेर नहीं कर रहे हैं कि अन्य मानकों को नियंत्रित करने के लिए अनुमति देते हैं। – 10 वे माइक्रोस्कोपी अध्ययन और micromanipulation 8 के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं के रूप में 7 – झिल्ली आधारित प्रक्रियाओं के लिए, विशालकाय unilamellar पुटिकाओं (GUVs, व्यास ~ 1-100 माइक्रोन) एक बहुत ही उपयोगी biomimetic प्रणाली 2 साबित किया है। GUVs निर्माण करने के लिए कई अलग अलग प्रोटोकॉल रहे हैं, सबसे दो श्रेणियों में आते हैं – 16 – आधारित पायस एक लिपिड फिल्म 13 rehydrating के आधार पर 11,12 और तकनीक दृष्टिकोण। पायस आधारित विधियों में, guv झिल्ली के भीतर और बाहर पत्रक पानी / तेल इंटरफेस में लिपिड monolayers से क्रमिक रूप से इकट्ठा कर रहे हैं। इस दृष्टिकोण के साथ घुलनशील प्रोटीन encapsulating के लिए आदर्श हैGUVs में, और असममित पत्रक लिपिड रचना के साथ GUVs बनाने के लिए। हालांकि, emulsions के गठन से GUVs झिल्ली के यांत्रिक गुणों 17 बदलने कि विलायक के निशान रखने कर सकते हैं, और दृष्टिकोण पार झिल्ली प्रोटीन पुनर्गठन करने के लिए विशेष रूप से अच्छी तरह से अनुकूल नहीं है।
फिल्म पुनर्जलीकरण तरीकों (निर्जलीकरण) सुखाने झिल्ली का एक बहु तहदार स्टैक फार्म के लिए कई लिपिड मिश्रण का कारण बनता है कि इस तथ्य पर भरोसा करते हैं। यह स्टैक तो एक जलीय बफर के साथ संपर्क में रखा जाता है, तो ढेर में झिल्ली उन दोनों के बीच और स्टैक की सतह पर अलग विलायक के रूप में बहती कदम होगा, व्यक्तिगत झिल्ली GUVs 13,18 (के रूप में अच्छी तरह से एक सत्य चिड़ियाघर के फार्म करने के लिए अलग कर सकते हैं अन्य lipídic वस्तुओं)। हालांकि, यहां तक इष्टतम बफर और लिपिड रचनाओं के लिए, इस शास्त्रीय "सहज सूजन" विधि दोष मुक्त GUVs की एक अपेक्षाकृत कम उपज है। दोष मुक्त GUVs की पैदावार को बढ़ावा देने के लिए एक व्यापक रूप से इस्तेमाल विधि "electroformation हैएक बारी वर्तमान (एसी) क्षेत्र फ़िल्म पुनर्जलीकरण के दौरान लागू किया जाता है, जिसमें 221 ;,। तंत्र खराब समझ बनी हुई है, "electroformation" शानदार guv पैदावार दे सकते हैं (> अनुकूल परिस्थितियों में 90%) कम नमक एकाग्रता buffers के लिए (<5 मिमी) 14,19, और यहां तक कि (~ 100 मिमी) शारीरिक बफ़र्स में काम कर सकते हैं का उपयोग कर एक उच्च आवृत्ति (10 हर्ट्ज बनाम 500 हर्ट्ज) एसी क्षेत्र और प्लैटिनम इलेक्ट्रोड 15। दोष मुक्त GUVs की पैदावार को बढ़ावा देने के लिए एक वैकल्पिक दृष्टिकोण जिसमें लिपिड समाधान (जैसे, ग्लास, PTFE) substrates के शास्त्रीय "सहज सूजन में इस्तेमाल किया बल्कि निष्क्रिय से एक polymeric जेल सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है," जेल की सहायता की सूजन है " "। परिणामी लिपिड / जेल फिल्म rehydrated है, जब GUVs तेजी से भी शारीरिक बफ़र्स 16,20 के लिए फार्म कर सकते हैं।
इन सभी तरीकों जैसे झिल्ली जुड़े घटनाओं का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है जो लिपिड केवल GUVs उत्पादन कर सकते हैंघुलनशील प्रोटीन और झिल्ली के बीच बातचीत। हालांकि, GUVs में एक पार झिल्ली प्रोटीन को शामिल करने, महत्वपूर्ण संशोधनों प्रोटीन पुनर्गठन प्रक्रिया के दौरान एक कार्यात्मक राज्य में रहता है कि यह सुनिश्चित करने की जरूरत है। कार्बनिक सॉल्वैंट्स (जैसे, क्लोरोफॉर्म, cyclohexane) में लिपिड का समाधान लिपिड फिल्मों का निर्माण करने के लिए आदर्श होते हैं, जबकि उनके हाइड्रोफोबिक पार झिल्ली डोमेन एक लिपिड bilayer में एम्बेडेड, या एक साबुन मिसेल से घिरा हुआ है, जब पार झिल्ली प्रोटीन आम तौर पर केवल स्थिर रहे हैं ( जैसे, प्रोटीन शुद्धि के दौरान)। इस प्रकार, एक पुनर्गठन के लिए शुरू सामग्री आम तौर पर में डिटर्जेंट हटाने का गठन करके देशी झिल्ली, एक साबुन के घोल में शुद्ध प्रोटीन, या छोटे unilamellar प्रोटीन युक्त पुटिकाओं (Proteo-एसयूवी) और / या बहु तहदार पुटिकाओं (Proteo-MLVs) है लिपिड की उपस्थिति। GUVs में इन झिल्ली प्रोटीन को शामिल करने के लिए सबसे तरीकों को तीन श्रेणियों में गिर जाते हैं।
डायरेक्ट insertioN: डिटर्जेंट में निलंबित कर दिया ट्रांस-झिल्ली प्रोटीन पूर्व गठित, लिपिड केवल हल्का डिटर्जेंट solubilized GUVs के साथ मिश्रित है, और डिटर्जेंट तो biobeads 21 का उपयोग कर निकाल दिया जाता है। धारणात्मक सरल है, इस विधि भी एक उच्च डिटर्जेंट एकाग्रता एक एकाग्रता प्रोटीन प्रकट करना या कुल करने के लिए पैदा कर सकता है बहुत कम है, जबकि GUVs भंग कर सकते हैं, के रूप में डिटर्जेंट एकाग्रता की सटीक नियंत्रण की आवश्यकता है।
Guv / Proteo-एसयूवी संलयन: Proteo-एसयूवी में प्रोटीन पूर्व गठित, लिपिड केवल GUVs के साथ संयुक्त है और फ्यूजन विशेष fusogenic पेप्टाइड्स 22 या डिटर्जेंट 21 के साथ मदद की है। आमतौर पर संलयन की हद तक कम प्रोटीन घनत्व के साथ GUVs के लिए अग्रणी सीमित है।
निर्जलीकरण / पुनर्जलपूरण: एक प्रोटीन युक्त लिपिड फिल्म आंशिक एक Proteo-एसयूवी की निर्जलीकरण (या Proteo-MLV) समाधान और GUVs द्वारा बनाई है तो एक शुद्ध लिपिड फिल्म के लिए के रूप में बड़े हो रहे हैं। स्पष्ट चुनौती आंशिक dehydrati दौरान प्रोटीन की रक्षा के लिए है25 – कदम 23 है, लेकिन विधि पर सफलतापूर्वक GUVs 7,23 में ऐसे Bacteriorhodopsin, कैल्शियम-ATPase, Integrin से और VDAC के रूप में ट्रांस-झिल्ली प्रोटीन पुनर्गठित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है।
यह लेख हाइपर-थर्मोफिलिक आर्किया, Aeropyrum pernix से वोल्टेज gated पोटेशियम चैनल, KvAP युक्त GUVs बनाने के लिए निर्जलीकरण / पुनर्जलीकरण प्रोटोकॉल का वर्णन है। KvAP यूकेरियोटिक वोल्टेज निर्भर पोटेशियम चैनल 26 अनुरूपता के एक उच्च डिग्री और एक ज्ञात क्रिस्टल संरचना है 27 वोल्टेज gating के तंत्र के अध्ययन के लिए यह एक अच्छा मॉडल बना रही है। Proteo-एसयूवी का उत्पादन पहले से विस्तार से वर्णित है और इस ट्यूटोरियल 26,28,29 का हिस्सा नहीं है किया गया है। महत्वपूर्ण बात है, KvAP Proteo-एसयूवी वे समय की विस्तारित अवधि (> 1 वर्ष) के लिए -80 डिग्री सेल्सियस पर छोटे (उदाहरण के लिए, 10 μl) aliquots में संग्रहित किया जा सकता है, के रूप में प्रत्येक guv तैयार करने के लिए उत्पादन किया जा करने के लिए नहीं है। Electroformationया जेल की सहायता की सूजन तब KvAP Proteo-एसयूवी से GUVs विकसित करने के लिए प्रयोग किया जाता है (या Proteo-MLVs) किया जा सकता है।
electroformation प्रोटोकॉल के लिए महत्वपूर्ण कदम चित्रा 1 में सचित्र हैं। प्रोटीन युक्त एसयूवी की एक समाधान की बूंदों (चित्रा 2 में दिखाया गया है) प्लैटिनम तारों पर जमा कर रहे हैं। एसयूवी निलंबन की आंशिक निर्जलीकरण एसयूवी के विलय के माध्यम से एक लिपिड प्रोटीन फिल्म के गठन की ओर जाता है। पुनर्जलीकरण के दौरान, एक एसी क्षेत्र GUVs delaminate और फार्म के लिए लिपिड परतों की सहायता के लिए इलेक्ट्रोड के लिए लागू किया जाता है। "कम नमक" का उपयोग करते समय एक 10 हर्ट्ज क्षेत्र में अच्छी तरह से काम करता है (<5 मिमी) पुनर्जलीकरण बफर 28 और GUVs कई घंटे लग विकसित करने के लिए। इसके विपरीत, शारीरिक बफ़र्स एक कम वोल्टेज, 500 हर्ट्ज एसी क्षेत्र के साथ अच्छी तरह से काम करते हैं, लेकिन आवश्यकता होती है (नमक ~ 100 मिमी युक्त) एक लंबे समय तक (~ 12 घंटा) की अवधि 15 सूजन। इस विधि आईटीओ 24 स्लाइड का उपयोग करते हुए पहले के एक प्रोटोकॉल पर आधारित है, लेकिन एक कस्टम चैम्बर शेष भाग का उपयोग करता हैचित्रा 2 में दिखाया गया के रूप में दो प्लैटिनम तारों aining (सरल के लिए डिजाइन विवरण और सुझावों के लिए चर्चा देखते हैं, कक्षों तात्कालिक)।
चित्रा 3 जेल की सहायता की सूजन विधि दिखाता है। प्रोटोकॉल, शारीरिक नमक सांद्रता के साथ buffers के साथ अच्छी तरह से काम करता है तेजी से है, और एक अधिक सजातीय प्रोटीन वितरण के साथ GUVs पैदा करता है। हालांकि, पृथक, जाहिरा तौर पर दोष मुक्त GUVs की उपज है (यानी, guv झिल्ली वर्दी ऑप्टिकल लंबाई-तराजू पर है और किसी भी वस्तु लगा देना नहीं है) यह पैच दबाना और सूक्ष्म हेरफेर प्रयोगों के लिए पर्याप्त संख्या प्रदान करता है, कम है । इस विधि लिपिड केवल GUVs 16 उत्पादन और electroformation विधि से भी कम विशेष उपकरणों की आवश्यकता के लिए agarose जेल का उपयोग कर एक प्रोटोकॉल पर आधारित था।
प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी के साथ GUVs के लक्षण वर्णन के लिए एक मानक पैच दबाना सेट अप करने के लिए प्रयोग प्रक्रियाओं के रूप में के रूप में अच्छी तरह से वर्णित है"अंदर-बाहर" में KvAP गतिविधि को मापने झिल्ली पैच excised।
बढ़ रहा है प्रोटीन युक्त GUVs लिपिड केवल GUVs की तुलना में अधिक मुश्किल हो सकता है। विशेष रूप से, अंतिम guv उपज झिल्ली स्टैक के लिए फार्म बिल्कुल कैसे एसयूवी समाधान जमा किया जाता है और निर्जलित पर संवेदनशीलता निर्भर कर सकते हैं। GUVs के साथ किसी भी पिछले अनुभव के बिना किसी के लिए, यह पहली बार झिल्ली फिल्म एक कार्बनिक विलायक से लिपिड जमा करके बनाई है जिसमें एक पारंपरिक प्रोटोकॉल 15,16 निम्नलिखित लिपिड केवल GUVs विकसित करने के लिए सहायक हो सकता है। पारंपरिक प्रोटोकॉल अच्छी तरह से काम करता है एक बार, एसयूवी बयान और आंशिक निर्जलीकरण फिर एक नया लिपिड रचना के लिए प्रोटोकॉल का समायोजन जब भी बहुत मददगार रहे हैं जो लिपिड केवल एसयूवी का उपयोग कर महारत हासिल किया जा सकता है। GUVs लिपिड केवल एसयूवी से मज़बूती से बड़े होते हैं, यह Proteo-एसयूवी से प्रोटीन युक्त GUVs निर्माण करने के लिए केवल एक छोटा सा कदम तो है।
Biomimetic मॉडल प्रणाली प्रोटीन और झिल्ली के गुणों और बातचीत के अध्ययन के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है। BLMs या समर्थित लिपिड झिल्ली की तरह अन्य पुनर्गठन प्रणालियों की तुलना में, guv सिस्टम काफी झिल्ली रचना, तनाव औ?…
The authors have nothing to disclose.
We thank Susanne Fenz for discussing the possibility of reconstituting proteins by agarose swelling, Feng Ching Tsai for current measurements, and present and former members of the Bassereau group for support and assistance. The project was funded by the Agence Nationale de la Recherche (grant BLAN-0057-01), by the European Commission (NoE SoftComp), by the Université Pierre et Marie Curie (grant from the FED21, Dynamique des Systèmes Complexes). M.G. was supported by an Institut Curie International PhD Fellowship, S.A. by a fellowship from the Fondation pour la Recherche Médicale, G.E.S.T. by a Marie Curie Incoming International Fellowship from the European Commission and a grant from the Université Pierre et Marie Curie. The publication fees were covered by the Labex ‘CelTisPhyBio’ (ANR-11-LABX0038).
Name of the Material/Equipment |
Company | Catalog Number | Comments/ Description |
DPhPC (1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) | Avanti Polar Lipids | 850356P | |
Egg PC L-α-phosphatidylcholine (Egg, Chicken) | Avanti Polar Lipids | 840051P | |
Egg PA L-α-phosphatidic acid (Egg, Chicken) | Avanti Polar Lipids | 840101P | |
18:1 (Δ9-Cis) PC (DOPC) 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids | 850375P | |
cholesterol (ovine wool, >98%) | Avanti Polar Lipids | 700000P | |
TRed-DHPE | Invirtogen | T-1395MP | labeled lipid |
BPTR-Ceramide | Invirtogen | D-7540 | labeled lipid |
Choloroform | VWR | 22711.290 | AnalaR Normapur |
Acetone | VWR | 20066.296 | AnalaR Normapur |
Ethanol | VWR | 20821.330 | AnalaR Normapur |
Kimwipe | Kimtech | 7552 | |
Hamilton syringes | Hamilton Bonaduz AG | diverse | |
Amber vials and teflon cups | Sigma | SU860083 and SU860076 | |
Parafilm | VWR | 291-1214 | |
microcentrifuge tube | eppendorf | diverse | |
Agarose | Euromex | LM3 (1670-B, Tg 25.7C, Tm 64C) | |
Sucrose | Sigma | 84097-1kg | |
Glucose | Sigma | G8270-1kg | |
Trehalose | Sigma | T9531-25G | |
KCl | Sigma | P9333-1kg | |
Hepes | Sigma | H3375-100G | |
TRIS | Euromex | EU0011-A | |
Osmometer | Wescor | Vapro | |
pH meter | Schott instruments | Lab850 | |
Sonicator | Elmasonic | S 180 H | |
Syringe filter 0.2µm | Sartorius steim | Minisart 16532 | |
Function generator | TTi | TG315 | |
Platinum wires | Goodfellow | LS413074 | 99.99+%, d=0.5mm |
Polytetrafluoroethylene | Goodfellow | ||
Dow Corning 'high vacuum grease' | VWR | 1597418 | |
sealing paste | Vitrex medical A/S, Denmark | REF 140014 | Sigillum Wax |
Cover slides 22×40 mm No1,5 | VWR | 631-0136 | |
Cover slides 22×22 mm No1,5 | VWR | 631-0125 | |
plasma cleaner | Harrick | PDC-32G | airplasma, setting 'high' |
petri dishes | Falcon BD | REF 353001 | 3.5 cmx1cm |
patch clamp amplifier | Axon instruments | Multiclamp700B | |
DAQ Card | National Instruments | PCI-6221 | |
Labview | National Instruments | version 8.6 | |
Glass pipettes boro silicate OD 1mm ID 0.58mm | Harvard Apparatus | GC100-15 | |
Electrode holder | Warner Instruments | Q45W-T10P | |
Micromanipulator | Sutter | MP-285 | |
pipette puller | Sutter | P-2000 | |
Camera | ProSilica | GC1380 | |
Zeiss microscope | Zeiss | Axiovert 135 | |
Objective | Zeiss | 40x long working distance, Phase contrast | |
Objective | Zeiss | 100x Plan-Apochromat NA 1.3 | |
Filterset GFP (for Alexa-488) | Horiba | XF100-3 | |
Filterset Cy3 (for TexasRed) | Horiba | XF101-2 | |
beta-casein | Sigma | C6905-1G | |
confocal microscope | Nikon Eclipse TE 2000-E | D-Eclipse C1 confocal head | |
Objective | Nikon | Plan Fluor 100× NA1.3 | |
matlab | Mathworks | for image processing and analysis of the current traces |