这里介绍了冷冻样品低温传输到动态核极化 (DNP) 神奇角度旋转 (MAS) 核磁共振 (NMR) 探测器的协议。该协议包括实验前转子存储方向和实验前后可行性测量方向。
动态核极化 (DNP) 可显著提高神奇角度旋转 (MAS) 核磁共振 (NMR) 光谱的灵敏度。这些灵敏度随着温度的降低而增加,并且足够大,能够在大多数商用 DNP 配备的 NMR 光谱仪的运行温度 (+100 K) 下对浓度非常低的分子进行研究。这导致细胞内结构生物学的可能性,冷冻保存的细胞大分子在其内源水平在其本地环境中。但是,在 DNP MAS NMR 的典型样品处理过程中,细胞低温保存所需的冻结率超过,这导致细胞完整性和生存能力的丧失。本文描述了将哺乳动物细胞冷冻样本制备和低温转移到MAS NMR光谱仪的详细方案。
引入动态核极化用于神奇角度旋转核磁共振光谱,可将MAS NMR的灵敏度提高几个数量级。这使得生物分子在生理浓度或接近其生理浓度时能够检测。DNP可以而且确实提供在复杂生物环境中内源性(+1 μM)浓度下检测同位素标记蛋白所需的灵敏度。由于有成熟的协议,将同位素标记分子引入未标记的哺乳动物细胞,而不影响其生存能力,这为研究同位素丰富的生物分子在其原生环境中的内生水平开辟了可能性。此外,由于DNP增强在2、3、4的低温下效率更高,DNP MAS NMR的实验温度与长期储存可存活哺乳动物细胞5所需的温度完全一致。然而,将样品转移到DNP MAS NMR光谱仪的传统方法使其受制于破坏哺乳动物细胞的温度波动率。
MAS NMR实验要求样品以等于或大于同向相互作用的幅度的频率旋转,使其平均为零,通常至少为4千赫,通常高得多的6,7,8,9。因此,样品被包装成转子,其中有一个鳍尖,用于通过气体流驱动转子的旋转,并在另一端有一个标记,以便旋转频率可以通过转速计进行监控。大多数 MAS NMR 仪器的样品传输是通过将仪器外部的转子注入 NMR 探头末端的支架,并注入干燥空气或氮气流来完成的。转子到达以神奇角度容纳转子的天体后,样品旋转由空气涡轮机制推动。单独的气体支持流,推动和控制转子的温度。将转子插入 NMR 光谱仪并实现稳定的 MAS 旋转需要精细加工的驱动尖端和严格控制单独气体流的温度和压力。尽管有这些技术要求,但用于室温应用的商业 MAS NMR 探头的插入和实现稳定的 MAS 基本上实现了自动化。
然而,对于低温应用来说,情况更为复杂。用于低温应用的样品通常在室温下插入光谱仪,并冻结在天线器中。在第一分钟,样品温度迅速下降(> ±100 °C/分钟),系统温度需要几分钟才能平衡。由于温度和压力的相互作用,所需 MAS 的插入和接近通常用于低温应用手动处理。尽管需要人工干预,但冻结仪器内部的转子是有益的,因为它最大限度地减少了水和冷凝到探针中,这对成功旋转至关重要。环境湿气产生的凝结和结冰不仅能阻断转子本身的气体线、凝结或霜冻,还能机械地防止 MAS。因此,低温 MAS NMR 样品通常以超过 -100 °C/分钟的速率冻结在仪器内部。
如果冷却速度慢于5、10、11、12,则哺乳动物细胞可以通过冻结-解冻周期保持完整性,速率等于或慢于 1°C/分钟。或者,如果冷却速率超快13、14、15,则电池也会保持其完整性,冷却速率高于 104 °C/分钟。率中间到这两个极端破裂和杀死哺乳动物细胞由于冰晶形成内外的细胞,即使在低温保护剂16的存在。预冷却探针内室温转子的样品冷却速率在这两个极端之间下降,因此,为了研究低温保存完好的哺乳动物细胞,样品必须在转移到仪器之前冷冻并转移到仪器中,而不会出现温度波动,从而损害转子上的样品或霜冻积累,从而阻止转子旋转。该协议描述了一种无霜、预冷转子插入低温MAS NMR系统的方法,用于研究低温保存完好的存活哺乳动物细胞样本。此处描述的低温样本转移是为活体完整细胞的 NMR 特征而开发的。但是,它适用于温度波动可能损害样品完整性的任何系统。这包括任何复杂的系统,如冷冻淬火反应的化学和结构特征的被困反应中间体17,18,酶19,20或蛋白质折叠21,22。
冷冻样品低温转移到NMR光谱仪中,通过NMR数据采集成功地保持了冷冻哺乳动物细胞的生存能力。该方法的成功表现在 MAS NMR 生存能力测量的前期和后期。这种方法是成功的,可概括到任何温度波动可能损害样品完整性的系统。当前提交的协议是与 HEK 293 电池线一起执行的。由于许多哺乳动物细胞系的低温保存条件非常相似,因此这里报告的条件很可能可以翻译成其他细胞系统:然而,它们可能需要进一步优化低温保护剂、样本量和冷冻率才能达到相同的结果。
这种方法可以通过在NMR实验后更快地拆开转子来改进。此步骤目前处于次优状态,其执行会影响细胞的生存能力。在将电池重新悬用于介质之前,必须从转子中取出驱动尖端和硅塞。当转子在拆卸驱动尖端时保持不均匀解冻,硅塞因此缩短转子处理时间会导致更高的振动。转子支架或其他工具的开发,以促进均匀解冻和快速去除驱动尖端和硅塞将有助于使NMR后可行性评估更准确。
本文中描述的低温样品加载方法仅限于支持在 NMR 磁体孔中放置探头的样品插入和弹出的 NMR 探头。虽然外部样品插入和弹出是商业 DNP 系统的标准配置,但自定义探头并不总是有此选项。此外,这种低温样品加载方法可能需要对构建与不同尺寸转子兼容的 NMR 探头进行一些修改。此协议已优化为 3.2 mm 转子,如果样品捕手的外径超过微中心管的内径(例如第 3.4.2 步),则可能需要修改。
随着DNP在MAS NMR中的应用,现在有可能在内源生理浓度24、25、26中检测蛋白质和其他生物分子。这为研究其原生环境中的生物分子开辟了可能性。在整个实验过程中保持细胞完整性和生存能力对于将光谱学的实验结果与生物现象联系起来可能至关重要。含有纯化蛋白或细胞解剖剂的样品不受控制冻结通常不会损害样品质量7,27,虽然有迹象表明,即使在纯化系统28中,冷冻率也可能是一个重要变量。然而,如果保持细胞完整性和生存能力对于解释很重要,哺乳动物细胞的样本需要以受控的速度冷冻。在这里,我们提出了一个协议,冻结和转移哺乳动物细胞的冷冻样本到预冷却的DNP MAS NMR仪器,以避免潜在的破坏性温度波动,并支持对可行的细胞的测量。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了德克萨斯州癌症研究预防研究所[RR150076]、国家科学基金会[1751174]的资助;国家卫生研究院 [NS-111236], 韦尔奇基金会 [1-1923-20170325];卢佩·默奇森基金会、泰德·纳什长寿基金会和金氏基金会(西尔学者计划)
0.4% Trypan blue stain | Invitrogen | T10282 | |
100 mm cell culture dish | Thomas Scientific | 430167 | |
150 mm cell culture dish | Nunc | 157150 | |
3.2 mm sapphire rotor | Bruker | ||
45 ° angled forceps | Hampton Research | HR4-859 | |
AMUPol | Cortecnet | C010P005 | |
Black and Silver marker | Sharpie | ||
Cap removing tool | Bruker ? | ||
Cell culture grade water | HyClone | SH30529.03 | |
Ceramic cap | Bruker | ||
CoolCell | Corning/ Biocision | UX-04392-00 (Corning) / BCS-405 (Bioscion) | |
Countess Cell Counting Chamber Slides | Invitrogen | C10288 | |
Countess II automated cell counter | Invitrogen | AMQAF1000 | |
Cryogen tubes | Nalgene | 03-337-7Y | |
d8-glycerol | Aldrich | 447498 | |
Deuterium oxide, 99.8 % atom D | Aldrich | 756822-1 | |
DMEM | Gibco | 10569-010 | |
DNP NMR system with 1.7 T cryogen free gyrotron | Bruker | ||
Foam dewar | Spearlab | FD-800 | |
Kimwipes | Kimwipes | ||
Packaging tool | Bruker ? | ||
Pen-Strep | Gibco | 15140-122 | |
Powdered PBS | VWR | VWRRV0780 | |
Protonated PBS | Gibco | 10010-023 | |
Silicon plug | Bruker | ||
Standard Vessel forceps | |||
Tryp-L | Gibco | 12605010 |