Summary

Fabrication de réseaux de nanotubes lipidiques multi-composants à l’aide du test de motilité de la kinésine glissante

Published: July 26, 2021
doi:

Summary

Ce protocole décrit un processus de fabrication de réseaux de nanotubes lipidiques en utilisant la motilité de la kinésine glissante en conjonction avec des vésicules lipidiques unilamellaires géantes.

Abstract

Les réseaux de nanotubes lipidiques (LNT) représentent un système modèle in vitro pour l’étude du transport moléculaire et de la biophysique des lipides en rapport avec les tubules lipidiques omniprésents présents dans les cellules eucaryotes. Cependant, les LNT in vivo sont des structures hautement non équilibrées qui nécessitent l’assemblage, la maintenance et la réorganisation de l’énergie chimique et des moteurs moléculaires. De plus, la composition des LNT in vivo est complexe, comprenant plusieurs espèces de lipides différentes. Les méthodes typiques d’extrusion des LNT sont à la fois chronophages et laborieuses, et nécessitent une pince optique, des microbilles et des micropipettes pour extraire de force des nanotubes de vésicules lipidiques géantes. Présenté ici est un protocole pour le test de motilité de glissement (GMA), dans lequel des réseaux LNT à grande échelle sont rapidement générés à partir de vésicules unilamellaires géantes (GUV) en utilisant la motilité de microtubule alimentée par la kinésine. En utilisant cette méthode, les réseaux LNT sont formés à partir d’un large éventail de formulations lipidiques qui imitent la complexité des LNT biologiques, ce qui les rend de plus en plus utiles pour les études in vitro de la biophysique des lipides et du transport associé à la membrane. De plus, cette méthode est capable de produire de manière fiable des réseaux LNT en peu de temps (<30 min) à l’aide d’équipements de laboratoire couramment utilisés. Les caractéristiques du réseau LNT telles que la longueur, la largeur et le partitionnement lipidique sont également accordables en modifiant la composition lipidique des GUV utilisés pour fabriquer les réseaux.

Introduction

La fabrication de réseaux de nanotubes lipidiques (LNT) présente un intérêt croissant pour l’examen in vitro des structures lipidiques non équilibrées 1,2,3. Les cellules utilisent des tubules lipidiques pour le transport diffusif des protéines4 et des acides nucléiques5 ainsi que pour la communication de cellule à cellule 6,7. Le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi sont particulièrement intéressants, car ces organites liés à la membrane sont les principaux emplacements pour la synthèse des lipides et des protéines ainsi que pour le transport de ces biomolécules intégrales dans le cytoplasme d’une cellule 8,9. Les membranes de ces organites sont composées de plusieurs espèces lipidiques, y compris les sphingolipides, le cholestérol et les phospholipides10 qui aident finalement à définir leur fonctionnalité. Ainsi, pour répliquer et étudier plus étroitement ces organites, les LNT in vitro doivent être fabriqués à partir de vésicules avec des formulations lipidiques de plus en plus complexes11.

Les vésicules unilamellaires géantes (GUV) sont utilisées de manière omniprésente pour étudier le comportement de la membrane lipidique, car elles peuvent être synthétisées de manière fiable avec des formulations complexes comprenant le cholestérol, la phosphatidylcholine (PC), la phosphatidyléthanolamine (PE), la phosphatidylsérine (PS) et le phosphatidylinositol (PI)12,13. Décrit ici est une méthode pour fabriquer des LNT à partir de GUV avec différentes formulations lipidiques en utilisant le test de motilité de glissement (GMA), dans lequel les LNT sont extrudés en fonction du travail effectué par les moteurs de kinésine et les filaments de microtubules agissant sur les GUV. Dans ce système, les protéines motrices de la kinésine adsorbées à une surface propulsent des microtubules biotinylés, convertissant l’énergie chimique de l’hydrolyse de l’ATP en un travail utile (en particulier, l’extrusion de LNT à partir de vésicules biotinylées)11. Le réseau LNT qui en résulte fournit une plate-forme modèle pour étudier les effets des différences dans les phases lipidiques sur les changements dans la morphologie des LNT.

En bref, les protéines motrices de la kinésine sont introduites dans une chambre d’écoulement dans une solution contenant de la caséine, ce qui permet l’adsorption des moteurs sur la surface vitrée de la chambre. Ensuite, les microtubules biotinylés dans une solution contenant de l’ATP circulent à travers la chambre et sont autorisés à se lier aux moteurs de kinésine et à commencer la motilité. Une solution de streptavidine est ensuite introduite dans la chambre et laissée se lier de manière non covalente aux microtubules. Enfin, les GUV contenant un lipide biotinylé sont introduits dans la chambre et se lient aux microtubules recouverts de streptavidine, puis extrudent les LNT pour former des réseaux à grande échelle pendant 15 à 30 minutes. Cette méthode produit de grands réseaux LNT ramifiés en utilisant des équipements de laboratoire standard et des réactifs à faible coût11.

Protocol

1. Préparation de solutions de microtubules mères ATTENTION : Des lunettes de sécurité, des gants et une blouse de laboratoire doivent toujours être portés tout au long du protocole. Préparer 5x tampon BRB80 : ajouter 24,19 g de PIPES (pipérazine-N,N′-bis[acide 2-éthanesulfonique]) et 0,38 g d’EGTA (éthylène glycol-bis[β-aminoéthyléther]-N,N,N′,N′-tétraacétique) dans une bouteille en verre de 1 L. Ajouter 1 mL de 1 M MgCl2 et ajuster le pH à 6,9 av…

Representative Results

Les réseaux LNT (Figure 4) ont été fabriqués à l’aide du protocole décrit, qui utilise le travail effectué par le transport de kinésine de microtubules pour extruder des LNT à partir de GUV. En bref, les GUV ont été préparés à l’aide d’une réhydratation en gel d’agarose à l’aide d’une solution de saccharose, et les microtubules ont été polymérisés dans une solution GPEM et stabilisés dans BRB80T. Ensuite, des moteurs à kinésine ont été introduits dans une…

Discussion

Les réseaux LNT sont un outil utile pour les études in vitro des propriétés membranaires et du transport de biomolécules telles que les protéines transmembranaires. De plus, l’utilisation de formulations lipidiques complexes pour fabriquer des réseaux de LNT permet des études plus pertinentes sur le plan biologique. D’autres études de fabrication ont utilisé soit 1) des formulations lipidiques simples et des vésicules multilamellaires, soit 2) des techniques de motilité plus lourdes pour fabriquer des ré…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par le Département de l’énergie des États-Unis, Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering (BES-MSE). La synthèse de la kinésine et la microscopie à fluorescence ont été réalisées dans le cadre d’un projet utilisateur (ZIM) au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation d’utilisateurs du Bureau des utilisateurs du Bureau des sciences du Bureau des sciences du Département de la science des États-Unis ( DOE).

Materials

100x/1.4 Numerical Aperture Oil Immersion Objective Olympus 1-U2B836 Olympus UPlanSApo 100x/1.40 Oil Objective Infinity Corrected, RMS Thread
Working Distance 0.12mm
3.0 ND Filter Olympus Neutral Density Filter
AMP-PNP Sigma-Aldrich A2647 (β,γ-imidoadenosine 5′-triphosphate)
ATP Sigma-Aldrich A7699 Adenosine 5'-triphosphate disodium salt hydrate BioXtra
Brightline Pinkel DA/FI/TR/Cy5/Cy7-5X-A000 filter set Semrock LED-DA/FI/TR/Cy5/Cy7-5X-A-000
BrightLine Pinkel filter set, optimized for DAPI, FITC, TRITC, Cy5 & Cy7 and other like fluorophores, illuminated with LED-based light sources
Casein Sigma-Aldrich 22090 Casein hydrolysate for microbiology
Catalase Sigma-Aldrich C9322 Catalase from Bovine Liver
Chloroform Sigma-Aldrich 288306 Chloroform anhydrous contains 0.5-1.0% ethanol as stabilizer
Cholesterol Avanti 700000P cholesterol (ovine wool, >98%) (powder)
D-Glucose Sigma-Aldrich G7021 D-(+)-Glucose powder, BioReagent, suitable for cell culture, suitable for insect cell culture, suitable for plant cell culture, ≥99.5%
DOPC Avanti 850375C 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (in chloroform)
DOPE-Biotin Avanti 870282C 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(biotinyl) (sodium salt)
DPPC Avanti 850355P 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (powder)
DPPE-Biotin Avanti 870285P 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(biotinyl) (sodium salt)
DTT Sigma-Aldrich 43816 DL-Dithiothreitol solution 1 M
EGTA Sigma-Aldrich E4378 EGTA, Egtazic acid, Ethylene-bis(oxyethylenenitrilo)tetraacetic acid, Glycol ether diamine tetraacetic acid
Glucose Oxidase Sigma-Aldrich G6125 Glucose Oxidase from Aspergillus niger
Type II, ≥10,000 units/g solid (without added oxygen)
Glycerol Fisher G33 Glycerol (Certified ACS), Fisher Chemical
GTP Sigma-Aldrich G8877 Guanosine 5′-triphosphate sodium salt hydrate
IX-81 Olympus Microscope Olympus N/A IX81 Inverted Microscope from Olympus
KOH Sigma-Aldrich 1050121000 Potassium Hydroxide
Magnesium Chloride Sigma-Aldrich M1028 1.00 M magnesium chloride solution
Orca Flash 4.0 Digital Camera Hamamatsu C13440-20CU ORCA-Flash 4.0 V3 Digital CMOS camera
Oregon Green-DHPE Invitrogen O12650 Oregon Green 488 1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine
Paclitaxel ThermoFisher P3456 Paclitaxel (Taxol Equivalent) – for use in research only
PIPES Sigma-Aldrich P6757 1,4-Piperazinediethanesulfonic acid, Piperazine-1,4-bis(2-ethanesulfonic acid), Piperazine-N,N′-bis(2-ethanesulfonic acid)
Texas Red-DHPE Invitrogen T1395MP Texas Red 1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine,
Triethylammonium Salt
Trolox Sigma-Aldrich 238813 (±)-6-Hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid
Tubulin, Biotin Cytoskeleton T333P Tubulin protein (biotin) porcine brain
Tubulin, Hy-Lite 488 Cytoskeleton TL488M Tubulin protein (fluorescent HiLyte 488) porcine brain
Tubulin, Unlabeled Cytoskeleton T240 Tubulin protein porcine brain

References

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Cite This Article
Imam, Z. I., Bachand, G. D. Fabricating Multi-Component Lipid Nanotube Networks Using the Gliding Kinesin Motility Assay. J. Vis. Exp. (173), e60899, doi:10.3791/60899 (2021).

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