设计磁响应稀土离子螯合磷脂组件的制备方法及双折射测量

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Summary

介绍了高磁响应稀土离子螯合多组件的制备方法。磁响应由装配尺寸决定, 它是通过纳米膜的挤压而定制的。采用双折射测量、核磁共振和小角度中子散射技术对组件的磁 alignability 和温度诱发的结构变化进行监测。

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Isabettini, S., Baumgartner, M. E., Fischer, P., Windhab, E. J., Liebi, M., Kuster, S. Fabrication Procedures and Birefringence Measurements for Designing Magnetically Responsive Lanthanide Ion Chelating Phospholipid Assemblies. J. Vis. Exp. (131), e56812, doi:10.3791/56812 (2018).

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Abstract

Bicelles 是可调谐的圆盘状多组件, 由大量的脂质混合物组成。应用范围从膜蛋白结构研究的核磁共振 (NMR), 以纳米的发展, 包括形成光学活性和磁性可转换凝胶。这些技术需要对装配尺寸、磁响应和热阻进行高度控制。混合物 12-二-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) 及其镧系离子 (Ln3 +) 螯合磷脂共轭, 12-二-snglycero-3-phospho-ethanolamine-diethylene triaminepentaacetate (甲醚-DTPA), 组装成高磁响应的组件, 如 DMPC/甲醚-DTPA/Ln3 + (摩尔比率 4:1: 1) bicelles。在双层中引入胆固醇 (-OH) 和类固醇衍生物会导致另一组提供独特物理化学性质的组件。对于某一特定的脂质成分, 磁性 alignability 与 bicelle 大小成正比。在3 +中的络合结果在大小和对准方向方面都产生了前所未有的磁响应。热可逆崩溃的圆盘状结构成泡后, 加热允许裁剪装配的尺寸, 通过挤出膜过滤器的定义孔径大小。磁性 alignable bicelles 通过冷却到5° c 再生, 导致装配尺寸由囊泡前体定义。在此, 解释了这个制造过程, 并通过在 5.5 T 磁场下的双折射测量来量化组件的磁性 alignability。双折射信号, 源自磷脂双层, 进一步使监测的多变化发生在双层。这种简单的技术是互补的核磁共振实验, 通常用于表征 bicelles。

Introduction

Bicelles 是从许多脂质混合物中获得的圆盘状多组件。1,2,3,4,5广泛应用于膜生物分子的核磁共振波谱结构表征。6,7然而, 最近的努力旨在扩大可能的应用领域。5,8,9最受研究的 bicelle 系统由 12-二-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) 组成, 构成组件的平面部分, 12-己-snglycero-3-phosphocholine (DHPC)磷脂覆盖边缘。1,2,3组成双层磷脂的分子几何决定了自组装多结构的结构。4,5用甲醚-DTPA 替换 DHPC, 生成高磁响应和可调谐的 bicelle 系统。10,11 DMPC/甲醚-DTPA/Ln3 + (摩尔比 4:1: 1) bicelles 与更多的顺磁性镧系离子 (Ln3 +) 在双层表面上相关联, 从而增强了磁响应。10此外, 用甲醚-DTPA/Ln3 +取代水溶性 DHPC 分子, 可以形成耐稀释的 bicelles。11

平面多组件的磁性 alignability 是由它们的整体磁场能量决定的,

Equation 1(1)

其中 B 是磁场强度, 磁常数, n 的聚合数和分子磁性的易感性各向异性组成双层的脂质. Equation 2 Equation 3因此, DMPC/甲醚-DTPA/Ln3 + bicelles 对磁场的响应是根据它们的大小 (集合数 n) 和分子磁性磁化率各向异性Δχ来调整的。后者很容易通过改变螯合物的性质在3 +中实现。12,13,14,15在双层中引入胆固醇 (铁-OH) 或其他甾体衍生物, 可以调节聚合数 n 和Δχ的磁化率。11,16,17,18,19对于给定的脂质组合, 较大的组件含有更多的脂类, 能够对 Emag (更大的聚合数 n) 做出贡献, 从而导致更多的 alignable 物种。DMPC/DHPC bicelles 的大小, 例如, 是常规控制通过优化的组成脂质比或总浓度。20,21,22虽然这在 DMPC/甲醚-DTPA/Ln3 + bicelles 中是可能的, 但在加热时, 它们从 bicelle 到泡的热可逆转换提供了更多的剪裁选项。机械手段, 如挤压通过膜过滤器, 可以形成的囊泡。磁性 alignable bicelles 在冷却到5° c 时再生, 并且他们的维度从泡前体被口授。11在这里, 我们专注于机械制造过程的潜力, DMPC/甲醚-DTPA/tm3 + (摩尔比率 4:1: 1) 或 DMPC/, OH/甲醚-DTPA/tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 作为参考系统。在使用其他 Ln3 +而不是 Tm3 +时, 该进程工作类似。这些技术提供的各种可能性在图 1中得到了突出显示, 并在其他地方进行了广泛的讨论。23

Figure 1
图 1: 可能的制造过程的示意图概述.所研究的磁性 alignable 在3 +螯合多组件是由 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 或 DMPC/, OH/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 组成。干脂膜是水合的50毫米磷酸缓冲液 pH 值为 7.4, 总脂质浓度为15毫米。有效的脂质膜水化需要的是冻融循环 (FT) 或加热和冷却循环 (H & #38; C)。H 和 #38; C 周期是必要的, 以再生样品后, 最后冻结解冻步骤, 或再生样品保持长期冻结超过一段时间, 如果他们要使用不进一步挤压。Isabettini et al广泛讨论了这些步骤。23最大的 alignable 多组件实现, 根据脂质组成提供不同的组件体系结构。通过纳米膜过滤器, 挤出 (Ext) 可调节 bicelle 尺寸和磁性 alignability。所呈现的对齐系数f是从2D 小角中子散射 (san) 模式 (DMPC/甲醚/DTPA/Tm3 + (摩尔比率 16:4: 5:5) 中计算的, 通过800、400、200或 100 nm 孔隙进行拉伸。san 度量是量化 bicelle 对齐的补充方法, 此处不会详细介绍。11,16一个f范围从-1 (平行中子散射或垂直对准的 bicelles 与磁场方向) 到0的各向同性散射。请点击这里查看更大版本的这个数字。

bicelles 的结构在广泛的表征技术中得到了广泛的研究。13使用核磁共振波谱法或小角度中子散射 (san) 实验对暴露在磁场中的 bicelles 的对准进行了量化。5,10,11,12,13,16,17,18,19,24,25但是, 在 Ln3 +的情况下发生的核磁共振峰值的移位和展宽是对该方法的严重限制。15,26,27,28尽管 san 实验不受此限制的影响, 但在解决方案中对组件的磁致对准的常规定量化方面, 还是可取的替代方法。双折射测量是一个可行的和比较简单的选择。类似核磁共振实验, 双折射测量揭示了有价值的信息, 脂质重和脂质相发生在双层。此外, 多组件中发生的几何变换, 如温度等变化的环境条件进行了监测。11,12,13,16磁致双折射Δn′用于研究各种类型的磷脂系统。13,29,30基于磁场相位调制技术的双折射测量是检测 bicelles 方位的可行方法。12,16,18,29,31,32在高磁场中 bicelles 的双折射率高达 35 T 的可能性也由 m. Liebi et al.显示13

当偏振光进入一个各向异性物质时, 它会在一个普通的和特殊的波中折射。11两个波具有不同的速度, 并在相位上由一个迟滞δ转移。延迟δ的程度被测量并且转换成双折射信号来量化材料中各向异性的程度Equation 5

Equation 6(2)

其中λ是激光的波长, d 是样品的厚度。磷脂是光学的各向异性, 它们的光轴与它们的长分子轴重合, 与烃尾平行。11,12如果磷脂在溶液中是随机定向的, 则不测量延迟。当磷脂相互平行时, 就会测量迟钝。磁致双折射可根据磁场中分子的取向, 产生正负符号; Equation 5请参见图 2。与 x 轴平行的磷脂将导致一个负的, 而那些沿 z-axis 对齐结果为正值的. Equation 5 Equation 5 当与 y-axis 平行时, 当光学轴与光传播的方向重合时, 不观察到双折射。

Figure 2
图 2: 磷脂的对准和磁致双折射的对应符号 Equation 12 .测量的的符号取决于在磁场中磷脂的方向. Equation 12虚线表示分子的光轴。光在45°上极化, 并在 y 方向传播。磁场 B 在 z 方向。这一数字已从 m Liebi 中修改。11 请单击此处查看此图的较大版本.

在 bicelles 的各向同性胶体悬浮的情况下, 磷脂在双层中的排列所诱导的取向将会丢失, 使迟滞δ零化。bicelles 还必须对准, 以便在它们的双层中定位光学活性磷脂, 导致偏振光δ。因此, 双折射是一个敏感的工具, 量化的磁性 alignability 的多组件。垂直于磁场的 Bicelles 将产生一个正的, 而那些对齐的平行将产生一个负的. Equation 5 Equation 5 该符号取决于设置的对齐方式, 并且可以使用引用示例进行检查。

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Protocol

1. DMPC/甲醚-DTPA/tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 和 DMPC/-OH/甲醚-DTPA/tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 多组件的制作程序

  1. 初步准备
    1. 用乙醇稳定的氯仿 (#62; 99% 氯仿) 冲洗所有的玻璃器皿, 用压缩空气烘干。
    2. 在乙醇稳定氯仿 (#62 中生产2种不同的10毫克/毫升的 DMPC 和甲醚-DTPA 的库存溶液; 99% 氯仿), 在乙醇稳定的氯仿 (和 #62; 99% 氯仿) 和10毫米的 TmCl 的库存溶液中, 有一个10毫米的电液.3甲醇.
    3. 在100毫升的超纯 H2O 中, 在 pH 值为7.4 的磷酸二氢钠和0.599 克无水磷酸氢磷酸钠中混合0.121 克, 制备50毫米磷酸盐缓冲液。
  2. 干脂膜的制备
    1. 称量所需数量的分子 (DMPC, 甲醚-DTPA, 并可选的, 哦) 和在3 +库存解决方案在单独的3毫升玻璃杯与2.5 毫升玻璃注射器。
      1. 对于3毫升的 DMPC/DMPE-DTPA/Tm3+ (摩尔比 4:1: 1, 总脂浓度为 15 mM), 重3.6435 克的 DMPC 股票溶液, 1.4731 克的甲醚 DTPA 库存溶液和0.7126 克 TmCl3股票解决方案。
      2. 对于3毫升的 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比率 16:4: 5:5、总脂浓度为 15 mM), 重2.9148 克的 DMPC 库存溶液, 1.4731 克甲醚-DTPA 库存溶液, 1.0749 克-OH 股票溶液和0.7126 克TmCl3库存解决方案。
        注意: 氯仿和甲醇在室温下具有毒性和挥发性。在通风罩下工作, 并及时进行质量测量。
    2. 把杯的内容转移到一个25毫升的圆底烧瓶。将每个杯状水冲洗成圆底烧瓶, 大约2.5 毫升的相应溶剂。
    3. 在40° c 的旋转式蒸发器中, 将溶剂在真空下除去。将初始压力设置为 30 000 Pa, 直到大部分溶剂被除去。将压力降至 100 Pa, 并在旋转条件下将试样干燥至少2小时. 在烧瓶的玻璃墙上获得均匀的干脂膜。
    4. 在稳定的氩气流下将干性脂质膜放置1分钟, 以避免空气中的脂质氧化, 并将样品储存在冷冻前。
  3. 干脂膜的水化
    1. 将3毫升磷酸缓冲液添加到圆底烧瓶, 达到总脂浓度为15毫米。
    2. 进行冻融 (FT) 循环, 将烧瓶在液氮中旋转, 直到彻底冷冻 (液氮停止沸腾), 然后将样品放在水浴中5分钟, 然后再加热到60° c, 不断地旋转烧瓶以帮助熔化过程。应用三十年代的涡流之前, 每个冻结周期, 当样品是液体, 以帮助水合的脂质膜。
      注: 第二次冻融循环后, 在烧瓶壁上不应可见脂质膜。
    3. 重复1.3.2 总共五次。在样品热时, 用瓶盖盖上瓶子以避免不必要的磷酸盐缓冲液的蒸发。在冻结样本时, 可以暂停该协议。
    4. 进行两次加热和冷却 (H 和 #38; C) 循环以稳定从最后一个冻结步骤中出来的样品, 或者保持冷冻长达两个月。将样品加热到40或60° c 用于 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 或 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5), 在冷却到5° c/分钟之前分别为1°/分. 保持样品5分钟的最大和最小值循环的温度。
    5. 现在, 要么确定在外部磁场中样品的双折射信号 (步骤 2), 要么进一步挤出样品来定制 bicelle 尺寸和磁性 alignability (步骤 1.4)。
      注: DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 样品主要由 bicelles 和 70 nm 的平均水动力直径 DH组成, 由在5° c 的动态光散射 (dl) 测量得到的数分布所揭示。这些示例还包含更大的多程序集, 其平均 DH为 500 nm, 显示为强度分布。DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 样品是高度多的大小与典型的强度分布, 揭示了平均 DH的 700 nm, 而数字分布显示的人口占主导地位较小bicelles 在 200 nm 的大小范围内。Isabettini et al.报告了这些样品的更详细的尺寸分布和低温透射电镜图像。23
  4. 多组件的挤出。
    1. 组装挤出机, 如图 3所示。使用手套和镊子保护硅胶管处理。用几滴缓冲液将滤纸 (5) 浸湿, 使膜过滤器 (6) 的最佳位置。在顶部放置 o-ring (7) 后, 请确保纸张没有褶皱。
      注: 在膜过滤器 (6) 上对挤出过程进行了测试, 孔径为800、400、200和 100 nm;请参见图 7
    2. 设置水浴到40° c 为 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 样品或60° c 的 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 样品, 以保证形成可囊泡。
    3. 将挤出机与加压氮气瓶连接, 使用高压 PVC 管 (#62; 4 MPa), 配有 serto 适配器, 并通过膜挤压液体材料。通过膜过滤器 (6) 进行挤出, 通常需要1兆帕斯卡的压力, 孔径为 200 nm 以上。1.5-2.5 MPa 是需要的较小的膜过滤器 (6) 与孔径 100 nm。
      注: 如果要求挤出样品 (这是堵塞的第一个迹象), 则需要改变膜过滤器, 如果异常高压 (和 #62; 2.5 MPa)。
    4. 打开盖子 (10) 和插入样品使用2毫升玻璃吸管。然后关闭盖子 (10), 打开压力阀 (12), 同时保持样品出口管 (2)。关闭压力阀 (12), 在挤出循环完成后, 放空并继续下一循环。
      注意: 不要把样品留在接触太长的热套管容器 (8), 以避免过多的样品损失的蒸发。
30-60 s 是足够的时间为3毫升样品平衡在挤出机前打开压力阀 (12)。
  • 对给定的膜孔尺寸进行10挤出循环, 如图 3所示。大多数的 bicelle 系统通过膜的10倍, 孔直径为200和另10倍, 通过膜的孔径为 100 nm, 保证样品的可比性。
  • 现在, 在外部磁场中确定样品的双折射信号 (步骤 2)。
  • Figure 3
    图 3: 用于 bicelle 和囊泡制剂的实验室挤出机.挤出机从底部组装: (1) 安装, (2) 样品收集空间与2.4 毫米 (内径) 塑料出口管和 o-ring, (3) 和 (4) 大和小稳定网, (5) 滤纸, (6) 膜过滤器, (7) o-ring, (8) 夹套容器, (9) 顶盖与进口和压力连接, (10) 盖, (11) 蝶形螺丝, (12) 压力阀。装配式挤出机的示意图显示在右手边。氮气 (N2) 由压力容器提供, 套管容器 (9) 连接到水浴以进行温度控制。样品经过10挤出循环, 任何给定的膜过滤孔径 (样品路径显示蓝色)。请单击此处查看此图的较大版本.

    2. 双折射测量 DMPC/甲醚-DTPA/tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 和 DMPC/-OH/甲醚-DTPA/tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 多组件。

    1. 生成并连接图 4中所示的双折射设置, 并为各自的电子元素提供电源。在这个阶段不要将 PEM、样品和第二偏振器放在激光路径中。避免通过覆盖反射面 (例如铝镜架) 和黑色纸张来检测后向散射激光。
    2. 调整镜像以使探测器的激光强度最大化, 这由从Equation 7 图 4B中的低通入筛选器获得的直流强度表示。
      注意: 在调整镜像时要佩戴适当的护眼, 并在第一次操作激光器时与激光安全指导师协商。
    3. 打开第一个交叉的线性偏振器 (与入射激光光束保持垂直) 以最大化. Equation 7

    Figure 4
    图 4: 双折射设置和光学信号连接的示意图表示.a)超导电磁铁提供 5.5 T 磁场。二极管激光器在 635 nm 的光被两个交叉的偏振极化。光弹调制器 PEM-90 操作在50赫与振幅一个0 2.405 rad 和放置在两个偏振。样品位于 PEM 和第二偏振器之间的磁铁上。非偏光镜引导光线通过不同的元素, 最后通过一个光电探测器检测到。监测交流信号的第一和第二谐波和, 允许计算在 Ln Equation 10 Equation 11 3 +螯合多组件的磁性 alignability 上提供信息的双折射信号。样品试管连接到外部水浴为温度控制 (蓝色)。用温度探头 (红色) 监测样品的温度。B)通过±12 V 直流电源 braded 电缆 (3), 来自照片探测器的信号被送入第二阶 Sallen 键低通滤波器 (24 v 交流电源), 其截止频率为360赫兹。低通滤波器提取 DC 组件, 并通过 BNC 50 Ω缆线将其传递给 PC 接口 (4). Equation 7通过 BNC 50 Ω缆线 (1) 和 #38 将照片探测器发出的信号传送到两个锁定放大器 (以提取第一个和第二个谐波和); (2). Equation 10 Equation 11 谐波强度检测的相位敏感检测。因此, pem 信号被用作锁定放大器的参考信号 (pem 的 1 f-输出到第一个锁相放大和 2 f 输出到第二, 与 BNC 50 Ω电缆连接)。输出信号通过 BNC 50 Ω缆线传送到 PC 接口单元。模拟采集单元 cFP-AI-110 和 cFP-CB-1 数字化通过 RS 232 缆线传输到计算机的信号进行监视。类型 K 温度探头还连接到 PC 接口单元, 其中模拟采集单元 cFP-CB-3 和 cFP-TC-120 数字化信号, 然后通过 RS 232 缆线将其传送到计算机以进行监测。C) 在 b. 关键要素中提出的示意图设置的图片从1到4对应的数字进行识别。请单击此处查看此图的较大版本.

    1. 将第二个交叉线偏振器垂直于入射激光光束, 如图 4A所示。通过将第二个偏光片设置为第一个90°角度来最小化. Equation 7
    2. 将光弹性调制器 (PEM) 置于两个交叉线性偏振之间的0°之间, 垂直于入射激光束, 如图 4A所示。如图 5A所示, 将 PEM 调整为50赫和振幅 A0 到 2.405 rad 的频率。这使得 DC 组件独立于双折射, 并增强了. Equation 7
      注意: 在测量任何样品之前, PEM 的光轴可以通过几度来调节, 以保持空气中的恒定的. Equation 7
    3. 在打开激光和电子设备后等待1小时, 以稳定信号。
    一旦锁定放大器的 auto-phasing 保持不变, 信号就会稳定。
  • 将样品放在温度控制的石英试管中, 路径长度为10毫米, 并将其连接到最初设置在5° c 的外部水浴。
  • 在样品中直接放置一个0.5 毫米厚的 K 型热电偶 (温度探头) 来监测样品的温度。通过在激光路径中放置一张白纸 (在试管后) 并寻找由探头引起的阴影, 验证探头是否不干扰激光光源。
    注: 水浴温度记录与样品温度之间有2-3 ° c 的差异。
  • 将试管置于磁体的孔中, 如图 4A所示。激光光通过样品水平传播, 被 non-polarizing 的反射镜所偏转, 并被照片探测器检测到。
    注: 激光被定向下来, 通过样品, 并备份相同的路径, 以解释法拉第的影响 (即在下降时, 磁场的极化平面的旋转被取消时, 返回在相反的方向)。
  • 在室温和 10000 Pa 的试管上采用稳定的压缩空气气流, 以避免在细胞壁上凝结水分, 从而降低信号强度, 增加噪音。这是特别重要的, 当测量在5° c。
  • 用两个锁定放大器检测交流信号的第一和第二谐波和. Equation 10 Equation 11通过按图 5B中所示的按钮 (2) 自动相位锁定放大器, 并按图 5B (1) 所示调整灵敏度。确保放大器上的红条不超过四, 如图 5B (3) 所示, 以避免信号过载。在程序Tesla_Magnet_Const_V092中记下两个锁定放大器的使用灵敏度, 如图 5C (8) 所示。该程序作为补充信息提供。
  • 通过程序Tesla_Magnet_Const_V092向磁铁提供电流, 从而使磁场上升到 5.5 T, 如图 5C (5) 所示。
  • 使用公式2获取双折射, 其中的延迟计算方法为Equation 5
    Equation 13(3)
    其中, 和是第一种的贝塞尔函数, 其中有和. Equation 14 Equation 15 Equation 16 Equation 17 11,13,18,33,34在程序Tesla_Magnet_Const_V092中绘制延迟, 如图 5C (4) 所示。
    注: 如果两个锁相放大器不以相同的灵敏度运行, 则不应使用程序提供的延迟来计算双折射信号 (参见步骤 2.12)。记录的谐波强度和必须乘以锁定放大器的灵敏度才能得到正确的尺寸. Equation 10 Equation 11此外, 在磁体场下测量的双折射信号必须通过减去 0 T 上获得的平均双折射信号进行归一化。
  • 通过调节连接到图 4中所示的试管的水浴的温度, 在恒定或变化的温度 (1 ° c/分钟) 内监控样品的双折射信号。
  • 通过在图 5C (8) 中填写实验说明来记录实验数据, 并在 (9) 中提供一个文件名, 并按下 "开始日志" 按钮 (10)。
  • Figure 5
    图 5: 使用的设置和程序截图的插图.A) PEM 设置: 延迟 2.405 rad, 波长 635 nm, 频率50赫兹. 白色圆圈表示要激活的设置 (用户定义的延迟, 即本地操作模式)。B)锁定放大器设置。灵敏度 (1) 必须在每个测量前选择, 如步骤2.11 所要求的那样。在显示器 (3) 上不应有超过四红条, 以避免信号过载。当 (1) 中的红色指示灯打开时, 就会发生过载, 使得测量变得不可能。在每次测量前按自动相位按钮 (2)。C)作为补充信息提供的程序Tesla_Magnet_Const_V092的屏幕截图。该程序允许控制的磁场和记录的所有信号输出作为一个时间的功能。在 (1) 中绘制了磁场强度和试样温度。在 (2) 中绘制了两个锁定放大器测量的交流信号的第一和第二谐波和. Equation 10 Equation 11直接电流的强度在 (3) 中绘制. Equation 7延迟计算如步骤2.13 所述, 并在 (4) 中绘制。磁场强度设置在 (5)。在 (6) 和 (7) 中的输出信号 (和) 中, 直接测量 K 型热电偶记录的温度.Equation 23 Equation 22 附加的样本信息可以插入 (8), 如放大器的使用灵敏度, 样品名称等。数据可能被记录并导出到 (9) 中提供的 .txt 文件中。使用 "开始日志" 按钮 (10) 启动和停止数据获取。请单击此处查看此图的较大版本.

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    Representative Results

    non-extruded DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 +的双折射信号 (摩尔比 4:1: 1) 在一个 5.5 T 磁场的加热和冷却循环期间, 从5到40° c 和背部以1° c/分钟 (图 6) 的速度监测样品。双折射结果在5° c 时确认了高磁对齐, 其值为 1.5 x 10-5, 为所报告的挤出系统的两倍强。6,7,23 DMPC 在24° c 以上的 Tm上的双折射信号的零化是由 non-alignable 泡的形成引起的。液体无序相的运动状态引发了多组件中的主要重。这些重是热可逆的。Alignable 种在冷却到 Tm以下时再生, 双折射信号跟随加热时的相同趋势。在 Tm周围出现的不同峰值标记了 non-alignable 囊泡对 alignable 组件的替换。23相对于1° c/分钟的应用加热和冷却速率, 分子重的缓慢动力学解释了为什么峰值不重合。相反, 两个峰值都是从 DMPC 的 Tm开始的, 这表明双层脂质必须有一定程度的顺序才能有利于 alignable 物种的形成。

    Figure 6
    图 6: 双折射信号作为温度函数的一个 non-extruded DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比率 4:1: 1) 在加热 (红色) 和冷却 (蓝色) 在1° c/分钟的样品.该示例是按照协议步骤1至1.3.5 编写的。在协议步骤2之后进行双折射测量。磁场强度上升到 5.5 T, 样品保持在 5, 实现了 1.5 x 10-5的双折射信号, 然后再继续加热和冷却循环。在35° c 以上的温度下, 双折射信号平平, 在没有对齐的情况下, 样品完全由囊泡组成。冷却后, bicelles 再生, 最后的双折射信号 7.2 x 10-6达到 5.5 T 和5° c。磁场强度降低到 0 T, 样品保持在5° c。请单击此处查看此图的较大版本.

    DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 样品是水合后的加热和冷却程序在步骤1.3.4 和随后挤压10次在60° c 通过不同孔径大小的膜过滤器, 参见步骤1.4。在60° c 时, 脂质混合物形成囊泡, 由挤压过程形成。16,35,36,37在完成挤压后, bicelles 通过冷却到5° c 进行再生, 并通过 dl 测量水动力直径 DH 。在5° c 的情况下, bicelles 的磁性 alignability 通过计算在 8 t 处具有无 san 的一个f , 并通过在 5.5 t 处测量双折射信号来进行评估;请参见图 7。双折射信号是通过将字段向上提升到 5.5 t, 然后返回到 0 t 来获得的, 如图 7A所示。峰值双折射发生在 5.5 T, 其中最高程度的对齐是预期根据公式1。bicelles 的水力直径 DH被连续的挤压通过膜被减少到 220, 190, 106 和91毫微米与孔大小的 800, 400, 200 和100毫微米分别。随着双折射信号的减少和绝对 Af的减少, 在图 7B中接近零时, 磁对准的相应减小得到了证实。研究结果证实, 通过在60° c 的挤压和冷却回5° c, 通过剪裁小泡来控制 bicelle 尺寸和磁对准的可能性。

    Figure 7
    图 7: DMPC/甲醚的磁对准-DTPA/Tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 通过各种孔隙尺寸的膜过滤器挤压试样。a)双折射信号Δn′作为磁场强度 B 的函数, 当向上和向下向上拉伸样品时, 通过800纳米孔隙。峰值双折射达到 5.5 T, 符合方程1。此最大双折射值在B)中报告。同样的样品通过400纳米孔挤压而成。磁对齐由双折射测量 (黑正方形) 在 5.5 t (类似对什么做了为早先挤压步在 A) 和通过计算对准线因素一个f (红色圈子) 在 8 T 绘作为一个作用由 dl.获取的水动力直径 DH在同一个样品上, 通过200纳米孔隙对类似进行了磁对准, 最后一次通过100纳米孔隙挤压。所有测量均在5° c 进行。请单击此处查看此图的较大版本.

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    Discussion

    详细介绍了双折射测量如何与 san 结合使用, 以评估产生高磁响应的方法在3 +螯合磷脂组件中的 Isabettini et al.23所建议的制造协议也适用于由较长的联邦和 DPPE-DTPA 磷脂组成的组件, 或用于含有其双层内化学工程类固醇衍生物的部件。11,12,17,18,19唯一的要求是, 样品被加热到足够高的温度步骤 1.3.2, 1.3.3, 1.3.4 和1.4.2。温度必须允许双层脂质进入液体紊乱阶段, 保证干脂膜的最佳水化或样品再生。联邦/DPPE-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 组件, 例如, 需要加热高于联邦的相变温度在42° c, 而类似的 DMPC-based 系统必须加热超过24° c。在1.4 步中, 当脂双层处于无序状态时, 也需要有足够的高温来保证可泡的形成。步骤1.3.2 的冻融循环可完全由 H 和 #38 取代; C 循环。23然而, 样品需要更多的时间来充分水合物的脂质膜与此程序, 必须 vortexed 20 分钟时, 在5° c 和2分钟时, 在60° c。额外的 H 和 #38; 如果在烧瓶的玻璃墙上仍然观察干脂膜的元素, 则进行 C 循环。

    本协议中提出的 Tm3 +螯合 bicelles 与磁场方向垂直对准。此对准方向来源于 Tm3 +的大正磁化磁化率。11,14其他镧系离子如 Dy3 +和 Yb3 +也可以应用。11,13,19 Ln3 +的不同磁性各向异性提供了其他方法来剪裁 bicelles 的磁性对准。例如, Dy3 +增强了双层磷脂的固有负磁化率, 从而使 bicelles 与磁场方向平行的高度对准。13这种对齐方向的变化是通过双折射信号和各向异性2D 无源模式计算的对准因子的符号变化来检测到的。重要的是要注意, 磁化率不完全由化学性质的 ln3 + , 但由螯合几何的 ln3 +磷脂复合物。19,38通过合成不同的 Ln-3 +螯合磷脂 headgroups, 可以设计磁化率, 从而定义产生的组件的磁响应。38

    每个样本都是光学上的不同, 这取决于所使用的脂质的性质。监测样品的浊度作为温度的函数是评价温度诱发的结构转换的一种补充方法。虽然这些测量通常是在没有一个磁场的分光光度计, 监测强度的激光的直流电与设置建议提供相同的信息在存在的磁性Equation 7字段.11,16 DMPC/甲醚-DTPA/tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 样品通常比它们的含 DMPC、甲醚、DTPA、tm3 + (摩尔比 16:4: 5:5) 对应在5° c 时更少浑浊。在5° c 下类似水的样品一般不 alignable 在磁场中。在室温下, 两个样品看起来都是透明的, 因为 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 的样品处于 bicelles 和小泡之间的过渡阶段, 而在 DMPC/-OH/甲醚-DTPA/tm3 + 中出现了大的同心孔。(摩尔比 16:4: 5:5) bicelles。11,16,23在 DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) 的 bicelles 到囊泡的过渡状态也伴随着样品在室温下的黏度增加。这种温度依赖性的浊度变化使得在步骤2.11 中选择正确的灵敏度变得困难。如果灵敏度在5° c 的混浊样品上调整得太高, 则在加热时样品的透明性质会导致放大器过载。此外, 高浊度的样品将大大增加噪声的信号比, 可能不适合双折射测量。激光灯必须能够通过样品, 以便被检测到。

    非挤压样品总是比较混浊的, 并倾向于在冰箱中的短期贮存中聚集。然而, 磁性反应样品容易地再生以 H 和 #38; C 周期。非挤压试样也可储存在冷冻状态, 并可随时由 H 和 #38 再生; C 循环。挤压样品保存在冰箱中, 并在样品制备后一周内进行一般测量。没有研究报告, 在液体或冰冻状态下, 长期储存挤压的物种。因此, 从挤出获得的组件的尺寸分布不能保证长时间贮存。

    类似对任何 bicelle 系统, 这些磁性 alignable 平面组件只存在于确定的范围内的脂质组成和浓度。改变脂质比将导致不同的组装结构, 包括形成胶束, 丝带, 和囊泡。5,11,16,18,20步骤1.1.3 中的磷酸盐缓冲液浓度和 pH 值对 bicelles 及其磁性反应的形成起着至关重要的作用。缓冲区定义了控制多组件周围亲水性环境的物理化学相互作用。较低的缓冲浓度导致不同的装配结构, 而较高的浓度导致样品聚集和沉淀, 由于过量的电荷筛选。在酸性条件下 pH 值介于3和4之间, 羧酸基作为配体在甲醚-DTPA/Ln3 +复合物中质子。这导致磁性反应的多汇编的破坏, 观察由汇集和降雨雪在样品。磁响应在3 +多组件有一个合理的阻力, 以更基本的 pH 值。然而, DMPC/甲醚-DTPA/Tm3 + (摩尔比 4:1: 1) bicelles 被证明分解成胶束在 pH 值为12.9。11这些样品绝不能暴露在自来水或其他盐类中。任何其他离子都会扰乱 Ln3 +螯合过程, 或导致由于电荷屏蔽而引起的组件聚合。对于 san 度量, 缓冲区是按照在 D2o 中的步骤1.1.3 中描述的, 而不是超纯 H2的, 请注意, pH 计读数将是 7.0 (对应于 pD 值 7.4)。

    在加热和冷却循环的多组件中发生的结构转换是热可逆的。因此, 在5° c 的最后双折射信号应与温度周期前相同。11,16如果在周期后双折射信号较高, 则在步骤1.3.4 中未正确重新生成该样本。这通常发生在存储了很长一段时间的样本中。在图 6中观察到的温度周期后的低双折射信号表示实验设置中存在问题。最常见的是, 激光光路被背部散射或其他物体干扰。这是特别有问题的温度探头直接插入到样品 (见步骤 2.8), 这应该放在不干扰直接路径的激光光。在双折射温度曲线中, 扰动光路会导致、噪声信号和/或异常峰值的下降. Equation 7 例如, 在图 6中, 在大约35° c 加热时发生的峰值是由水冷管扩展到激光光源的直接路径造成的。从那个点起, 双折射信号可能不可信。虽然冷却曲线的一般形状是正常的, 但在5° c 下获得的低双折射信号是由干扰引起的。

    从本协议中获得的双折射值不是绝对的, 而是用来比较样本之间的。为了与文献值进行比较, 需要使用参考系统进行校准。例如, 被测量的迟缓的标志取决于设置的对齐和可能被检查与甲苯, 有棉花桐常数 3.27 x 10−9 T239,40

    从样品磁性对准的变化产生的双折射信号可能与双层分子重所引起的信号分离。在磁场中获得的各向异性2D 无模式的对准系数只受多组件的大体积对准的影响。这两种方法是互补的, 并允许对双折射信号的贡献解耦。提出的双折射设置可以通过分裂激光束来完善, 允许对外部磁场和不暴露的样品同时进行监测。对样品在磁场中所得到的双折射结果, 可以用 0 T 的采样信号进行归一化, 有效地核算背景。

    双折射测量不限于量化 bicelles 的磁对准。由于其内部结构的有序性, 许多 soft-materials 产生双折射信号。该建议的设置允许监测的双折射的材料, 作为一个温度函数或没有一个外部磁场。蒽凝纤维, 蠕虫胶束在流动, 纳米晶纤维素和淀粉样蛋白 Fe3O4纤维是几个例子, 其双折射行为成功地评估与建议的设置。29,30,32,41

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    Disclosures

    作者没有什么可透露的。

    Acknowledgments

    作者承认瑞士国家科学基金会资助 SMhardBi (项目编号 200021_150088/1)。在瑞士 Villigen 谢瑞 Instute 的瑞士散裂中子源 SINQ 进行了无 san 实验。作者热烈感谢 Dr. Kohlbrecher 的指导和无实验。在高磁场下的双折射测量装置是从荷兰奈梅亨型磁性实验室 HFML 的现有设置中得到启发的。我们感谢布鲁诺菲斯特的帮助, 开发的电子双折射设置, 1月 Corsano 和丹尼尔 Kiechl 为构建框架允许精细和轻便的激光对准, 和 Dr. 伯纳德科勒为持续的技术支持。

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) Avanti Polar Lipids 850345P >99%
    1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phospho-ethanolamine-diethylene triaminepentaacetate acid hexammonium salt (DMPE-DTPA) Avanti Polar Lipids 790535P >99%
    Thulium(III) chloride Sigma-Aldrich 439649 anhydrous, powder, 99.9% trace metals basis
    Dysprosium(III) chloride Sigma-Aldrich 325546 anhydrous, powder, 99.9% trace metals basis
    Ytterbium(III) chloride Sigma-Aldrich 439614 anhydrous, powder, 99.9% trace metals basis
    Chloroform Sigma-Aldrich 319988 contains ethanol as stabilizer, ACS reagent, ≥99.8%
    Methanol Sigma-Aldrich 34860 ≥99.9%
    Cholesterol Amresco 433 Ultra pure grade
    D2O ARMAR chemicals 1410 99.8 atom % D
    Ultrapure water Millipore Synergy pak2 (SYPK0SIX2), Millipack GP (MPGP02001)
    electronic pH meter Metrohm 17440010
    Whatmann Nuclepore 25 mm 100nm membrane filter VWR 515-2028
    Whatmann Nuclepore 25 mm 200nm membrane filter VWR 515-2029
    Whatmann Nuclepore 25 mm 400nm membrane filter VWR 515-2030
    Whatmann Nuclepore 25 mm 800nm membrane filter VWR 515-2032
    Whatmann Filter paper VWR 230600
    25 ml round bottom flask VWR 201-1352 14/23 NS
    3 ml glass snap-cup VWR 548-0554 ND18, 18x30mm
    2.5 ml glass syringe Hamilton
    Sodium dihydrogen phosphate dihydrate Merk 1.06342 Salt used to make phosphate buffer
    di-Sodium hydrogen phosphate Merk 1.06586 Salt used to make phosphate buffer
    Liquid Nitrogen Carbagas -
    Pressurized Nitrogen gas Carbagas - 200 bar bottle
    Lipid Extruder 10 ml Lipex - Fully equipped with thermobarrel
    High-pressure PVC tube GR NETUM - must resist more than 4 MPa
    Serto adaptors Sertot -
    Nitrile gloves VWR -
    2 ml glass pipettes VWR 612-1702 230 mm long
    Diode Laser Newport LPM635-25C
    DSP Dual Phase Lock-in Amplifier SRS SR830
    Photodiode Detector Silonex Inc. SLSD-71N5 5mm2, Silicon, photo-conductive
    5.5 T Cryogenic Magnetic Cryogenic/Oerlikon AG - 12 bar He-cooled. RW4000/6000 compressor, RGD 5/100 TA cryo-head
    Second order low pass filter home-built - Linear power supply 24V DC, second order, Sallen Key, cut-off frequency 360 Hz, +/- 12V, max 10 mA
    Photoelastic modulator Hinds instruments PEM-90
    Glan-Thompson Calcite Polarizer Newport 10GT04 25.4mm diameter
    Quartz sample cuvette Hellma 165-10-40 temperature controlled cell, 0.8 ml, 10mm path length
    Temperature probe Thermocontrol - Type K, 0.5mm diameter, Thermocoax
    Non-polarizing mirrors Newport 50326-1002 25.4mm
    RS 232 cables National Instruments 189284-02 For Connecting to the RS-232 Port on the front of Compact FieldPoint Controllers
    BNC 50 Ω cable and connectors National Instruments 763389-01
    cFP-AI-110 National Instruments 777318-110 8-Channel Analog Voltage and Current Input Module for Compact FieldPoint
    cFP-CB-1 National Instruments 778618-01 Integrated Connector Block for Wiring to Compact FieldPoint I/O
    cFP-CB-3 National Instruments 778618-03 Integrated Isothermal Connector Block for Wiring Thermocouples to the cFP-TC-120 Module
    cFP-TC-120 National Instruments 777318-120 8-Channel Thermocouple Input Module for Compact FieldPoint
    cFP-1804 National Instruments 779490-01 Ethernet/Serial Interface for NI Compact FieldPoint
    LabView 2010 National Instruments -
    Industrial power supply Traco Power TCL 060-124 100-240V AC
    Waterbath Julabo FP40-HE refrigerated/Heating Circulator

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    References

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