We present a protocol to rapidly form giant polymer vesicles (pGVs). Briefly, polymer solutions are dehydrated on dried agarose films adhered to coverslips. Rehydration of the polymer films results in rapid formation of pGVs. This method greatly advances the preparation of synthetic giant vesicles for direct applications in biomimetic studies.
Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier properties, chemical versatility and tunable physical characteristics. Typical methods used to prepare giant-sized (> 4 µm) vesicles, however, are both time and labor intensive, yielding low numbers of intact polymersomes. Here, we present for the first time the use of gel-assisted rehydration for the rapid and high-yielding formation of giant (>4 µm) polymer vesicles (polymersomes). Using this method, polymersomes can be formed from a wide array of rehydration solutions including several different physiologically-compatible buffers and full cell culture media, making them readily useful for biomimicry studies. This technique is also capable of reliably producing polymersomes from different polymer compositions with far better yields and much less difficulty than traditional methods. Polymersome size is readily tunable by altering temperature during rehydration or adding membrane fluidizers to the polymer membrane, generating giant-sized polymersomes (>100 µm).
合成细胞大小,巨单层囊泡(GUVs)的创建是在不同的细胞过程的体外重建越来越大的兴趣,以建立用于人造细胞样系统1,2的产生的框架。而脂膜组成GUVs是天然的,生物膜的优良模拟物,它们对环境波动的不稳定,并具有相当短的货架寿命。由于这些限制,两亲性嵌段共聚物已经被用作脂质模拟物以形成聚合物囊泡,或聚合物囊泡。在此范围内,聚合物囊泡是在仿生细胞系统的发展有利,因为它们增加的稳定性3,化学多功能4,5和修改的物理性状6 – 8。
以形成目前的方法巨型的聚合物囊泡包括electroformation 9和模板补液10,两个W的HICH是费时,劳动强度大,需要专门的设备和产生完好巨型聚合物囊泡的产量低。一个简单的凝胶辅助补液方法最近被用于生产脂质GUVs 11的研制。这里,我们描述了凝胶辅助补液技术的适应来创建具有不同的聚合物组合物巨聚合物囊泡,受控的大小,和在各种缓冲组合物。
简言之,将1%w / v的标准DNA凝胶电泳琼脂糖膜脱水到玻璃盖玻片。在氯仿制备的聚合物溶液然后通过脱水琼脂糖膜扩散并且使其蒸发。以下完全去除溶剂,聚合物膜被再水化中选择的,在温和加热(40-70℃)和巨(> 4微米)大小的聚合物囊泡都在30分钟内形成的缓冲。这种方法产生快速使用标准实验室设备和reagen数百完全完好,结构良好的聚合物囊泡TS以最低的成本。
图1原理图描绘了凝胶辅助补液方法。二嵌段共聚物组成的巨聚合物囊泡是补液的约30分钟后形成的。亲水块表示在品红和疏水块在绿色表示。 请点击此处查看该图的放大版本。
聚合物囊泡正在成为广泛地探讨作为生物膜模仿。聚合物的稳健和灵活的性能使得它们对需要膜功能化,长寿和调整的响应研究广泛的吸引力。形成巨型的聚合物囊泡9,10(> 4微米),传统的方法是劳动密集和需要昂贵和专用设备。这里,我们提出的第一次中,用于形成使用标准便宜实验室试剂和设备巨尺寸聚合物囊泡一种快速,灵活和可靠的方法。
使用凝胶辅助补液,单层聚合物囊泡可以迅速地形成(<30分钟),在各种补液溶液(包括细胞培养基)中,用各种不同的聚合物(未示出数据)。多层或不对称囊泡的形成使用这种技术,没有观察到。贯穿本工作中,我们使用的聚(氧化乙烯) – B-聚(丁二烯)(PEO-PBD,EO 22 -BD 37)中性二嵌段共聚物。许多不同的聚合物组合物(包括带电嵌段共聚物)工作良好使用此方法(未示出)。然而,一些可商购的三嵌段共聚物和较高分子量的二嵌段共聚物(〜> 5,000道尔顿)不形成不同的聚合物囊泡。对于所有在此手稿的实验中,标记的脂质的低浓度掺杂到仅用于可视化目的的聚合物溶液。还可以用于可视化的其他方法,包括直接官能化用荧光染料的聚合物。聚合物囊泡同样可以用亮视野显微镜成像,虽然荧光显微镜提供更高的分辨率。
最少量修改的协议通常不改变的结果。例如,在分散到盖玻片的聚合物溶液的浓度小的差异不改变聚合物f的形成ILM形成。虽然没有测定完整浓度范围内,将成功地用一个大范围的聚合物膜的浓度( 例如 ,1-10毫克/毫升)的发生聚合物囊泡形成。然而,也有一些协议改变那些聚合物囊泡的形成产生不利影响。最值得注意的是在形成非常差聚合物囊泡这一轮盖玻片(而不是正方形)的结果。我们认为这是极为甚至这实际上阻碍了聚合物囊泡形成的玻璃涂层琼脂糖。
一个该技术的最显着的挑战是要以高收率回收从表面聚合物囊泡的能力。有某些情况下,其中从原始表面去除聚合物囊泡可以是有利的。由于从脱水的聚合物膜的高背景荧光,移除个别的聚合物囊泡,并坚持他们打扫盖玻片将增加的成像质量和表征(汉邦FRAP分析过程中cularly)。要做到这一点,温和移液用移液管尖端,其中端已被切断将从表面解吸聚合物囊泡(虽然回收囊泡的数量比那些最初形成显著低级)。然后聚合物囊泡可以放置在修改盖玻片的表面,使聚合物囊泡与新盖玻片交互。通常情况下,为中性的PEO-PBD聚合物囊泡,盖玻片用臭氧处理15分钟,使聚合物囊泡向下落到表面用于成像。不同表面改性需要不同聚合物囊泡的组合物( 例如,带负电或带正电荷的聚合物)。
在这个协议中使用的大多数材料是成功地存储并用于天至数周。固化琼脂糖可再沸腾和重复使用,直到琼脂糖开始有聚集体即使煮沸后,或凝固琼脂糖开始干燥。用干燥的琼脂糖膜盖玻片可以存储和使用无限期D( 例如 ,月)。溶于氯仿的聚合物可以储存在-20℃下几个月。一旦聚合物薄膜上琼脂糖膜干燥,然而,膜需要房子在真空下被储存和使用的两个周(未直接测定长期贮存中,但也有在聚合物囊泡从聚合物膜年长超过两个形成明显的差异周)。
使用这里介绍的凝胶辅助补液协议,数百均匀状聚合物囊泡与使用标准设备和廉价的实验室试剂劳动短短几个小时内迅速形成。此外,可以以各种的生理缓冲溶液和从不同的聚合物组合物( 未示出)来形成聚合物囊泡。次要的改变的方法不负面改变聚合物囊泡的形成,呈现凝胶辅助补液一个通用和方便的技术来与科学家不同的技术电子xpertise。
容易地对细胞的大小尺度创建巨型聚合物囊泡的能力是用于构建人工细胞样系统是必不可少的。凝胶辅助补液的使用和多功能性的易用性使这些聚合物囊泡提供了仿生领域的巨大进步为建立强大的细胞膜模仿的。例如,使用这种技术,对于不同的细胞内成分,具有细胞膜蛋白和膜转运蛋白的掺入的聚合物的官能化,封装策略仅举几个,可以设计成基于聚合物囊泡人工细胞。
The authors have nothing to disclose.
We would like to gratefully acknowledge Dr. Ian M. Henderson, Andrew Gomez and Dr. Walter F. Paxton for their technical expertise, advice and help in this work. This work was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering (BES-MSE). ACG, DYS and GDB were supported by BES-MSE. This work was performed, in part, at the Center for Integrated Nanotechnologies, an Office of Science User Facility operated for the U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science (user project number RA2015A0004, PI: ACG).
125 mL Erlenmeyer flask | VWR | 89000-360 | |
18 guage needle | VWR | BD-305196 | |
25 mm square coverslips | VWR | 48366-089 | |
Agarose | Sigma | A9539 | A standard agarose for DNA gel electrophoresis |
Chloroform | Sigma | 288306-2L | |
Commerical coverwell | Electron Microscopy Sciences | 70336 | Press-to-Seal Silicone Isolators |
Fiji Image Analysis Software | ImageJ | Free Download: http://fiji.sc/Fiji | |
Glass vial with Teflon Lid | VWR | 66009-556 | 1.9mL capacity, case of 144 |
Liss-rhodamine B PE Lipid | Avanti Polar Lipids | 810150C | 1 mg of lipid at 1 mg/ml concentration in chloroform |
Parafilm | VWR | 52858-000 | 10.2 cm x 38.1 m |
poly(ethylene oxide)-b-poly(butadiene) or PEO-PBD (with a molecular weight of 2,940) | Polymer Source | P2904-BdEO | http://polymersource.com/dataSheet/P2904-BdEO.pdf |
Pastic Petri Dish | VWR | 25384-092 | |
Teflon tape | VWR | 300001-057 | 1/2" width |