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Biochemie

Einzelmolekül-Bildgebung der lateralen Mobilität und Ionenkanalaktivität in Lipiddoppelschichten mittels Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF)

Published: February 17, 2023
doi:
10.3791/64970
,
1Biophysics Department, Institute of Biomaterials and Biomolecular Systems,University of Stuttgart

Summary

Dieses Protokoll beschreibt, wie die TIRF-Mikroskopie verwendet werden kann, um einzelne Ionenkanäle zu verfolgen und ihre Aktivität in geträgerten Lipidmembranen zu bestimmen, wodurch das Zusammenspiel zwischen lateraler Membranbewegung und Kanalfunktion definiert wird. Es beschreibt, wie die Membranen vorbereitet, die Daten aufgezeichnet und die Ergebnisse analysiert werden.

Abstract

Hochauflösende bildgebende Verfahren haben gezeigt, dass viele Ionenkanäle nicht statisch sind, sondern hochdynamischen Prozessen unterliegen, darunter die vorübergehende Assoziation von porenbildenden und Hilfsuntereinheiten, laterale Diffusion und Clusterbildung mit anderen Proteinen. Der Zusammenhang zwischen lateraler Diffusion und Funktion ist jedoch nur unzureichend verstanden. Um dieses Problem anzugehen, beschreiben wir, wie die laterale Beweglichkeit und Aktivität einzelner Kanäle in geträgerten Lipidmembranen mit Hilfe der Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF) überwacht und korreliert werden kann. Die Membranen werden auf einem ultradünnen Hydrogel-Substrat unter Verwendung der Droplet-Interface-Doppelschicht-Technik (DIB) hergestellt. Im Vergleich zu anderen Arten von Modellmembranen haben diese Membranen den Vorteil, dass sie mechanisch robust sind und sich für hochempfindliche Analysetechniken eignen. Dieses Protokoll misst den Ca 2+-Ionenfluss durch einzelne Kanäle, indem die Fluoreszenzemission eines Ca2+-empfindlichen Farbstoffs in unmittelbarer Nähe der Membran beobachtet wird. Im Gegensatz zu klassischen Einzelmolekül-Tracking-Ansätzen werden keine fluoreszierenden Fusionsproteine oder Markierungen benötigt, die die laterale Bewegung und Funktion in der Membran stören können. Mögliche Änderungen des Ionenflusses, die mit Konformationsänderungen des Proteins einhergehen, sind nur auf die laterale Bewegung des Proteins in der Membran zurückzuführen. Repräsentative Ergebnisse werden mit dem mitochondrialen Proteintranslokationskanal TOM-CC und dem bakteriellen Kanal OmpF gezeigt. Im Gegensatz zu OmpF ist das Gating von TOM-CC sehr empfindlich gegenüber molekularem Einschluss und der Natur der lateralen Diffusion. Daher sind unterstützte Droplet-Interface-Doppelschichten ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Verbindung zwischen lateraler Diffusion und der Funktion von Ionenkanälen zu charakterisieren.

Introduction

Das vorliegende Protokoll zielt darauf ab, zu beschreiben, wie die Korrelation zwischen Membranmobilität und Ionenkanalpermeabilität von Membranproteinen in polymergestützten Droplet-Interface Bilayer (DIB)-Membranen untersucht werden kann 1,2,3.

Die vorliegende Technik ergänzt eine beeindruckende Reihe fortschrittlicher optischer und oberflächenanalytischer Werkzeuge, wie z. B. die Einzelpartikelverfolgung 4,5, die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie6,7 und die Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie 8,9,10. Diese liefern wertvolle Einblicke in die dynamische Zusammensetzung und Struktur von Membranen, die membranbasierte Reaktionen beeinflussen11,12,13. Während die Bewegung und laterale Diffusion von Proteinen von der lokalen Dichte der Proteine in der Membran abhängt, können einzelne Proteinmoleküle auch in Lipid Rafts14 und durch Protein-Protein-Wechselwirkungen15,16 gefangen werden. Abhängig von den Proteindomänen, die aus der Membran in die extrazelluläre Umgebung oder das Zytosol ragen, kann die Proteinmobilität von hochmobil bis völlig unbeweglich variieren. Aufgrund der Komplexität der Membran und ihrer peripheren Strukturen ist es jedoch oft schwierig, das Zusammenspiel zwischen der Natur der lateralen Beweglichkeit und der Proteinfunktion zu entschlüsseln17.

DIB-Membranen haben sich als effiziente Plattform für biophysikalische Einzelmolekülanalysen von Membranproteinen erwiesen 18,19,20,21,22. Sie entstehen durch Selbstorganisation von Lipiden durch den Kontakt von wässrigen Tröpfchen mit hydrogelgestützten Substraten in einer Lipid/Öl-Phase. Ähnlich wie die üblicherweise verwendeten geträgerten Lipiddoppelschichten (SLBs)1,23,24,25 ermöglichen DIBs eine lokale Abstimmung der lateralen Beweglichkeit durch temporäre oder permanente Bindung von Proteinen an die Polymermatrix, wenn sie mit geeigneten Liganden funktionalisiertwerden 17. Letzteres kann als Modellsystem für biochemische Prozesse in Zellmembranen mit heterogener Proteinverteilung dienen10.

Der hier beschriebene experimentelle Ansatz beruht auf der Fluoreszenz von Ca 2+-sensitiven Farbstoffen, um den Ca 2+-Ionenfluss durch einzelne Kanäle in unmittelbarer Nähe der Membran 2,22 mittels TIRF-Mikroskopie zu messen. Dieser optische Ansatz begrenzt die Beleuchtung der Probe auf einen Abstand nahe der Membran, was aufgrund der physikalischen Eigenschaften des evaneszenten Anregungslichts zu einer deutlichen Reduzierung des Fluoreszenzhintergrunds führt. Letzteres ist eine Voraussetzung, wenn eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung für die Detektion einzelner Moleküle erforderlich ist. Im Gegensatz zu klassischen elektrophysiologischen Methoden26,27 sind keine Membranspannungen erforderlich, um den Ionenfluss durch einzelne Kanäle zu untersuchen. Darüber hinaus erfordert die Methode keine Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen oder Molekülen, die die laterale Bewegung der Kanäle in der Membran stören könnten.

Die Methode eignet sich besonders für die Untersuchung von Proteinkanälen, die in die Membran eingebettet sind, auf Einzelmolekülebene, ohne die klassische Elektrophysiologie zu verwenden. Mit Hilfe des mitochondrialen proteinleitenden Kanals TOM-CC von Neurospora crassa28,29,30 und OmpF, der die Diffusion kleiner hydrophiler Moleküle durch die äußere Membran von Escherichia coli17,31 unterstützt, zeigen wir, wie die Membranmobilitäten und Kanalaktivitäten der beiden Proteine untersucht und korreliert werden können. Wir vermuten, dass dieser Ansatz, obwohl er für TOM-CC und OmpF optimiert ist, leicht auf andere Proteinkanäle angewendet werden kann.

Protocol

1. Proteinproduktion HINWEIS: In diesem Abschnitt wird das Verfahren zur Isolierung von OmpF aus Escherichia coli BE BL21(DE3) omp631,32, dem LamB und OmpC fehlen, und dem TOM-Kernkomplex aus Neurospora crassa beschrieben (Abbildung 1)28,29. Letzteres erfordert Mitochondrien, die aus einem N. crassa-Stamm 28 isoliert wurden, der eine 6xHis-markierte Form der TOM-Untereinheit Tom22 enthält (Abbildung 1A), die wie beschrieben28 isoliert werden kann. Die folgenden Protokolle ergeben in der Regel 1-2 mg N. crassa TOM-CC und 10 mg E. coli OmpF. Wenn die Menge angepasst werden soll, ist es wichtig, dass das Protein-Waschmittel-Verhältnis genau eingehalten wird. Sofern nicht anders angegeben, sollten alle Schritte bei 4 °C durchgeführt werden. Isolierung des TOM-KernkomplexesSolubilisieren Sie gereinigte N. crassa-Mitochondrien (2 g Protein), die durch differentielle Sedimentation aus ca. 1,5 kg (Nassgewicht) Hyphen gemäß Bausewein et al.30 erhalten wurden, bei einer Proteinkonzentration von 10 mg/ml in 20 mM Tris-HCl (pH 8,5), 1 % (w/v) DDM, 20 % (v/v) Glycerin, 300 mM NaCl, 20 mM Imidazol und 1 mM Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF) für 30 min bei 4 °C.VORSICHT: PMSF ist giftig. Tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung. Die solubilisierten Mitochondrien werden in Ultrazentrifugenröhrchen überführt und die nicht solubilisierten Membranen von den solubilisierten Membranproteinen durch Ultrazentrifugation bei 130.000 x g für 40 min bei 4 °C und Filtration mit Standardfilterpapier getrennt. Eine vorgepackte Ni-NTA-Säule (Volumen von 5 ml) mit etwa 5 Säulenvolumina (CV) des Puffers A1 (Tabelle 1) wird unter Verwendung eines automatisierten Proteinreinigungssystems ausgeglichen. Lassen Sie die Ni-NTA-Säule während aller Schritte mit einer konstanten Flussrate von 1 ml/min laufen. Verwenden Sie eine Säule mit geringerem Volumen (1 ml), wenn die Proteine aus weniger als 2 g Mitochondrien isoliert wurden. Laden Sie die solubilisierte Proteinprobe mit einer Flussrate von 1 ml/min auf die Ni-NTA-Säule. Waschen Sie die Ni-NTA-Säule mit 5 CV Puffer A1 (Tabelle 1), um ungebundene Proteine zu entfernen. Elutet His-markiertes TOM-CC mit 30% Puffer A2 (Tabelle 1; 300 mM Imidazol) und sammelt den Proteinpeak, wie er im 280-nm-Chromatogramm erscheint (Abbildung 1B). Für die weitere Aufreinigung von TOM-CC wird die vorgepackte Anionenaustauschsäule (1 ml) mit je 5 CV Puffer B1, B2 und B1 (Tabelle 1) unter Verwendung des automatisierten Proteinreinigungssystems ausgeglichen. Lassen Sie die Anionenaustauschsäule in allen Schritten mit einer konstanten Flussrate von 1 ml/min laufen. Laden Sie die TOM-CC-Peakfraktion (Schritt 1.1.6) auf die Anionenaustauschsäule (Flussrate von 1 ml/min). Die ungebundenen Proteine werden entfernt, indem die Säule mit 5 CV Puffer B1 (Tabelle 1) und einem linearen Salzgradienten von 0%-20% Puffer B2 (Tabelle 1) gewaschen wird. Elutet TOM-CC mit einem linearen Salzgradienten von 20%-35% Puffer B2 und sammelt den Proteinpeakanteil, wie er im 280-nm-Chromatogramm erscheint (Abbildung 1C). Beurteilen Sie die Reinheit der Probe mit SDS-PAGE (Abbildung 1D) und bestimmen Sie die Proteinkonzentration mit einem handelsüblichen Proteinassay gemäß dem Protokoll des Herstellers (siehe Materialtabelle). Frieren Sie die Proteinproben in flüssigem Stickstoff ein und lagern Sie sie bis zur weiteren Verwendung bei -80 °C.ACHTUNG: Flüssiger Stickstoff sollte in gut belüfteten Räumen gehandhabt werden. Tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung.   Isolation von OmpFDer E. coli-Stamm BE BL21(DE3) omp6 ohne LamB undOmpC 32 wird aus einem gefrorenen Glycerinvorrat unter sterilen Bedingungen gewonnen und auf eine Luria-Bertani (LB)-Agarplatte gestreift (Tabelle 2). Verteilen Sie dazu die Probe nach und nach gleichmäßig über die gesamte Platte. Lassen Sie die Probe 5 Minuten lang in den Agar einweichen, bevor Sie die Platte bei geschlossenem Deckel umdrehen und über Nacht bei 37 °C inkubieren. Wählen Sie eine einzelne E. coli-Kolonie aus, beimpfen Sie 7,5 ml LB-Medium (Tabelle 2) mit dieser Einzelkolonie mit einem sterilen Zahnstocher und lassen Sie sie über Nacht (14 h) unter Rühren (170 U/min) bei 37 °C wachsen. 2 x 1 ml E. coli-Zellen werden mit sterilen Pipetten in 2 x 500 ml LB-Medium (Tabelle 2) überführt und über Nacht (~14 h) bei 37 °C unter Rühren (~170 U/min) in einem Schüttler wachsen gelassen. Die Zellen werden durch Zentrifugation bei 5.000 x g für 20 min bei 4 °C geerntet, das Pellet in flüssigem Stickstoff eingefroren und bis zur weiteren Verwendung bei -80 °C gelagert.Anmerkungen: Das Nassgewicht des Zellpellets beträgt in der Regel 5 g pro 1 l Kultur. An dieser Stelle kann das Protokoll pausiert werden. Die Zellen werden aufgetaut und resuspendiert (2 g) in 20 ml Lysepuffer C1 (Tabelle 2) und die Suspension dreimal bei 1.000 psi durch ein vorgekühltes (4 °C) Hochdruck-Zellaufschlusssystem mit einem maximalen Probenvolumen von 35 ml gemäß den Anweisungen des Herstellers geleitet.ACHTUNG: Die Verwendung einer French Press kann zu schweren Verletzungen führen. Überschreiten Sie niemals die Druckgrenze der verwendeten Zelle. Tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung. Ungebrochene Zellen werden durch Zentrifugation bei 4.000 x g für 15 min aus dem Lysat entnommen und der Überstand aufgefangen. Sammeln Sie die Membranen durch Ultrazentrifugation bei 100.000 x g für 1 h. Das Membranpellet wird in 10 ml Puffer C2 (Tabelle 2) resuspendiert und mit einem kugelgelagerten Glashomogenisator mit einem gleichen Volumen SDS-Puffer C3 (Tabelle 2) gemischt.ACHTUNG: β-Mercaptoethanol im Puffer C3 ist giftig. Befolgen Sie alle relevanten Sicherheitsvorschriften. Die Suspension wird im Wasserbad bei 50 °C für 30 min inkubiert. Zentrifugieren Sie die Probe bei 100.000 x g bei 20 °C für 1 h. Das Membranpellet wird in 10 ml SDS-Puffer C4 (Tabelle 2) unter Verwendung eines kugelgelagerten Glashomogenisators resuspendiert und die Suspension 30 min lang in einem Wasserbad bei 37 °C inkubiert.Anmerkungen: Wenn das Pellet nicht resuspendiert werden kann, fügen Sie mehr SDS-Puffer C4 bis zu einem Volumen von 20 ml hinzu. Zentrifugieren Sie die Probe bei 100.000 x g bei 20 °C für 30 min und sammeln Sie den Überstand. Mischen Sie den Überstand mit Octylpolyoxyethylen (Octyl POE) bis zu einer Endkonzentration von 0,5 % (w/v) und dialysieren Sie die Probe zweimal gegen Puffer C5 (Tabelle 2) bei 4 °C für 24 h. Verwenden Sie dazu Dialyseschläuche mit einem Cut-off von 20 kDa gemäß den Anweisungen des Herstellers und geben Sie die Probe in den Dialyseschlauch oder das Dialysegerät.HINWEIS: Der Abschnitt des Dialyseschlauchs muss angepasst werden, wenn Proteine mit anderen Molekülmassen dialysiert werden. Beurteilen Sie die Reinheit der Probe mit SDS-PAGE und bestimmen Sie die Proteinkonzentration mit einem handelsüblichen Proteinassay gemäß dem Protokoll des Herstellers (Table of Materials).HINWEIS: Auf 95 °C erhitzte Proben weisen monomere OmpF auf. Nicht erhitzte Proben zeigen OmpF in seiner trimeren Form (Abbildung 1F). Schockgefrieren Sie dialysiertes OmpF in Aliquoten in flüssigem Stickstoff und lagern Sie es bis zur weiteren Verwendung bei -20 °C.ACHTUNG: Flüssiger Stickstoff sollte in gut belüfteten Räumen gehandhabt werden. Tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung. 2. Optische Einkanalaufzeichnung von Ionenkanälen in DIB-Membranen ANMERKUNG: In diesem Abschnitt wird das Verfahren zur Herstellung von DIB-Membranen in mikrofabrizierten Polymethylmethacrylat (PMMA)-Kammern2 beschrieben, um die laterale Proteinbewegung und den Ionenfluss durch einzelne Ionenkanäle17 zu überwachen. Die Maße und genauen Zeichnungen für die Herstellung der Kammer finden Sie in Lepthin et al.2. Abbildung 2 gibt einen Überblick über den Aufbau der PMMA-Kammer2 und die Ausbildung der DIB-Membranen. Sofern nicht anders angegeben, werden alle Schritte bei Raumtemperatur (RT) durchgeführt. Abbildung 3 zeigt eine schematische Darstellung einer DIB-Membran und wie der Ca2+ -Fluss durch ein Einkanalprotein verwendet wird, um sowohl die Bewegung in der Membran als auch den offen-geschlossenen Zustand des Kanals zu überwachen. Herstellung von LipidenDie in Chloroform gelöste Lipidstammlösung mit 1,2-Diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (25 mg/ml DPhPC) aus dem Gefrierschrank bei -20 °C entnehmen und auf RT erwärmen. Dazu reicht es in der Regel aus, die Probe einige Minuten lang langsam von Hand zu erwärmen.ACHTUNG: Chloroform ist giftig. Tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung und führen Sie alle Verfahren mit Chloroform unter einem Abzug durch. 380 μl DPhPC-Stammlösung (25 mg/ml DPhPC) werden in eine Durchstechflasche aus Glas überführt. Vermeiden Sie Pipetten mit Gummidichtungen. Verwenden Sie stattdessen Mikroliter-Glasspritzen mit Edelstahlkolben. Nachdem Sie die Lipidstammlösung gehandhabt haben, überlagern Sie die Lipidstammlösung mit Ar- oderN2-Gas , um eine Lipidoxidation zu verhindern. Verwenden Sie einen möglichst geringen Gasstrom, um ein Verdampfen des organischen Lösungsmittels, in dem die Lipide gelöst werden, oder ein Spritzen der Lösungsmittelsprays aus der Durchstechflasche zu vermeiden. Achten Sie darauf, dass die Deckel der Glasfläschchen, die Lipide mit organischem Lösungsmittel enthalten, auf der Innenseite mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtet sind. Die Lipidprobe (Schritt 2.1.2) wird unter einemN2-Strom getrocknet und das restliche organische Lösungsmittel über Nacht unter Vakuum (2,0 mbar) mit einer ölfreien Vakuumpumpe aus der Lipidprobe entfernt. Lösen Sie den Lipidfilm in einer Hexadecan/Silikonöl-Lösung auf, indem Sie mit einer Mikroliter-Glasspritze gleiche Mengen Hexadecan- und Silikonöl (jeweils 500 μl) auf eine endgültige Lipidkonzentration von 9,5 mg/ml zugeben.HINWEIS: Die Lipidlösung ist bei RT mehrere Wochen stabil. Herstellung von Agarose-HydrogelBereiten Sie ca. 1 ml niedrigschmelzende Agaroselösung (0,75 % [w/v]) in doppelt deionisiertem Wasser vor und erhitzen Sie sie 20 Minuten lang in einem Heizblock auf 85 °C, um sie für die Schleuderbeschichtung von Glasdeckgläsern zu verwenden.HINWEIS: Die Agaroselösung kann mehrere Wochen bei RT aufbewahrt und mehrmals aufgewärmt werden. Niedrigschmelzende 2,5%ige (w/v) Agaroselösung in 0,66 MCaCl2 und 8,8 mM HEPES (pH 7,2) herstellen und in einem Heizblock 20 min auf 85 °C erhitzen. Achten Sie darauf, dass die Agarose gut geschmolzen ist.Anmerkungen: Die Agaroselösung ist mehrere Wochen bei RT haltbar und kann mehrmals erhitzt werden, genau wie die Agarose (Schritt 2.2.1), die für die Schleuderbeschichtung verwendet wird. Kammeraufbau aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und Bildung von Lipidmonoschichten an der Grenzfläche zwischen Hydrogel Hexadecan/SilikonölLegen Sie einige Glasdeckgläser (40 mm x 24 mm x 0,13 mm) in einen Deckglashalter aus Edelstahl und reinigen Sie sie 10 Minuten lang in einem Glasbecher mit Aceton in einem Ultraschallreiniger. Verwenden Sie gerade genug Aceton, um die Deckgläser einzutauchen, und decken Sie das Becherglas locker mit einer Glasplatte ab, um ein druckloses, geschlossenes System zu schaffen, das das Entweichen von Dämpfen während des Reinigungsprozesses minimiert.ACHTUNG: Aceton ist ein leicht entzündliches Lösungsmittel mit niedrigem Flammpunkt. Dampf-Luft-Gemische sind explosiv. Betreiben Sie den Ultraschallreiniger in einem gut belüfteten Bereich. Tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung und beachten Sie die behördlichen Sicherheitsvorkehrungen (z. B. keine offenen Flammen und keine Funken). Spülen Sie die Glasdeckgläser mit doppelt deionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie unter einemN2-Strahl.HINWEIS: Auf diese Weise gereinigte Deckgläser können mehrere Wochen gelagert werden. Reinigen und hydrophilisieren Sie ein Deckglas in einem Plasmareiniger mit Sauerstoff (0,5 mbar) für 5 min.Anmerkungen: Führen Sie diesen Schritt unmittelbar vor dem Schleudern mit Agaroselösung durch, da die hydrophile Wirkung der Plasmareinigung mit der Zeit nachlässt. Montieren Sie ein plasmabehandeltes Deckglas auf einem Spin-Coater (Abbildung 2, Schritt 1). Beschichten Sie das Deckglas mit einer submikrometerdicken Agaroseschicht, indem Sie langsam 140 μl erhitzte 0,75 % (w/v) niedrigschmelzende Agarose (Schritt 2.2.1) bei 3.000 U/min für 30 s mit einer 200-μl-Pipette zugeben (Abbildung 2, Schritt 1).ANMERKUNG: Die Dicke des Agarosefilms kann durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) bestimmt werden, wie17 beschrieben. Befestigen Sie das schleuderbeschichtete Deckglas mit der dünnen Schicht des Agarose-Hydrogels sofort an der Unterseite der PMMA-Kammer2. Achten Sie darauf, dass das Agarose-Hydrogel nach oben zeigt (Abbildung 2, Schritt 2). Befestigen Sie die Kanten des Deckglases mit transparentem Klebeband an der mikrobearbeiteten PMMA-Vorrichtung. Stellen Sie das PMMA-Gerät auf eine auf 35 °C erhitzte Heizplatte (Abbildung 2, Schritt 3). Gießen Sie vorsichtig 200 μl 2,5%ige Agaroselösung (Schritt 2.2.2) mit einer Pipette (Abbildung 2, Schritt 3) in den Einlass der Kammer, ohne Luftblasen zu erzeugen, damit das dünne Hydrogel, das durch Schleuderbeschichtung aufgetragen wird, mit dem Puffer der 2,5%igen Agaroselösung gleichgewichtet werden kann und hydratisiert bleibt. Stellen Sie sicher, dass die 2,5%ige Agaroselösung um das spinbeschichtete Agarose-Hydrogel herum verteilt wird, aber nicht darüber (Abbildung 3A), was durch leichtes Drücken der PMMA-Kammer auf die Heizplatte vermieden werden kann. Die Vertiefungen der PMMA-Kammer (Abbildung 2, Schritt 4) werden sofort mit insgesamt 60 μl Lipid/Öl-Lösung (Schritt 2.1.5) abgedeckt, um die Bildung von Lipid-Monolagen an der Agarose-Öl-Grenzfläche einzuleiten und eine Austrocknung der spinbeschichteten Agarose in den Vertiefungen der PMMA-Kammer zu vermeiden. Bewahren Sie das Gerät auf einer heißen Platte bei 35 °C für ca. 2 h auf.HINWEIS: Die kreisförmigen Vertiefungen in der PMMA-Kammer haben einen Durchmesser von 0,5 mm und eine Tiefe von 1,8 mm, wie aus der zuvor veröffentlichten Arbeit2 hervorgeht. Herstellung von lipidbeschichteten wässrigen Tröpfchen in Hexadecan/Silikonöl-Lösung20 μl Lipidhexadecan/Silikonöl-Lösung (Schritt 2.1.5) werden in mehrere mikrofabrizierte Vertiefungen in einer Tröpfchen-Inkubationskammer gegeben (Abbildung 2, Schritt 4). Geeignete Behälter für die Lipidhexadecan/Silikonöl-Lösung sind kleine Aussparungen von 40 mm x 30 mm x 3,5 mm in einer dünnen PMMA-Platte2. Eine Mikrokapillarglasnadel mit einem Spitzenöffnungsdurchmesser von 20 μm wird mit einem vertikalen oder horizontalen Mikropipettenzieher (z. B. zur Herstellung von Patchpipetten oder scharfen Glaselektroden) hergestellt. Schätzen Sie den Öffnungsdurchmesser der Mikrokapillarglasnadel unter einem binokularen Stereomikroskop bei geringer Vergrößerung in einem Zoombereich zwischen 7,5x und 35x.HINWEIS: Die Einstellungen für den Vorheizmodus vor dem Ziehen der Glaskapillare, den Heizmodus für das Ziehen und die Zugkraft sollten im Voraus experimentell gemäß den Herstellerangaben der Zugvorrichtung und der Art der Kapillare ermittelt werden. Füllen Sie die Mikrokapillarglasnadel mit 5 μl wässriger Injektionslösung, die 8,8 mM HEPES (pH 7,2), 7 μM Fluo-8, 400 μM EDTA, 1,32 M KCl und 30 nM TOM-Kernkomplex enthält, oder alternativ 20 nM OmpF mit einer Mikrokapillarpipettenspitze. Verwenden Sie zur Herstellung der wässrigen Injektionslösung nur doppelt destilliertes Wasser, das zuvor mit einem chelatbildenden Harz behandelt wurde, das mehrwertige Metallionen (Ca2+) bindet. Montieren Sie die Mikrokapillarglasnadel mit der wässrigen Injektionslösung auf einem piezogetriebenen Nanoinjektor. 100-200 nL wässrige Tröpfchen (Abbildung 2, Schritt 4) mit 8,8 mM HEPES (pH 7.2), 7 μM Fluo-8, 400 μM EDTA, 1,32 M KCl und 30 nM TOM-Kernkomplex (Schritt 1.1.12) oder alternativ 20 nM OmpF (Schritt 1.2.16) werden mit dem Nanoinjektor in die Vertiefungen in der Tröpfcheninkubationskammer injiziert, die mit einer Lipidhexadecan/Silikonöl-Lösung (siehe 2.1.5) gefüllt sind. Achten Sie darauf, dass sich die Tröpfchen nicht berühren, indem Sie sie im Abstand von mehreren Millimetern (>10 mm) in die Vertiefungen geben. Wenn sich sonst noch keine Lipid-Monolagen an der Grenzfläche zwischen Öl und Puffer gebildet haben, verschmelzen sie zu größeren Tröpfchen.HINWEIS: Wenn keine Klassenkapillaren und keine Nanoinjektoren zur Verfügung stehen, können die Tröpfchen alternativ manuell mit Einkanal-Mikroliterpipetten für Volumina zwischen 0,1 μL und 0,5 μL präpariert werden, wie beschrieben2. In diesem Fall sind die Tröpfchenvolumina jedoch nicht so genau. Lassen Sie die Bildung einer Lipidmonoschicht an der Grenzfläche zwischen Tröpfchen und Öl für ca. 2 h zu, indem Sie die PMMA- und Tröpfcheninkubationskammern (Abbildung 2, Schritt 4) auf einer auf 35 °C erhitzten Heizplatte halten. Präparation und Bildgebung einzelner Ionenkanäle in DIB-MembranenEinzelne wässrige Tröpfchen aus den Vertiefungen der Tröpfchen-Inkubationskammer unter einem Stereomikroskop werden mit einer Einkanal-Mikroliterpipette mit einer 10-μl-Einweg-Polypropylenspitze manuell in die Vertiefungen der PMMA-Kammer überführt (Abbildung 2, Schritt 5). Lassen Sie die Tröpfchen etwa 5 Minuten lang auf die Lipidmonoschichten sinken, die sich an den Hydrogel-Öl-Grenzflächen bilden, um eine Lipiddoppelschicht (Abbildung 3) zwischen den Tröpfchen und dem Agarose-Hydrogel zu bilden. Montieren Sie die PMMA-Kammer mit DIB-Membranen auf dem Probenhalter eines Inverslichtmikroskops und beurteilen Sie die Membranbildung mit einem 10-fachen Hoffman-Modulationskontrastobjektiv (Abbildung 2, Schritt 6). Die Bildung der DIB-Membran wird durch einen deutlichen weißen Ring an der Grenzfläche zwischen dem Tröpfchen und dem Hydrogel angezeigt (Abbildung 4A). Gebrochene DIB-Membranen zeigen diesen Ring nicht (Abbildung 4B).HINWEIS: Alternativ können die DIB-Membranen bei 10-facher Vergrößerung durch Phasenkontrast- oder DIC-Mikroskopie (Differential Interference Contrast) visualisiert werden. Wenn sich DIB-Membranen gebildet haben, montieren Sie die PMMA-Kammer auf dem Probenhalter eines TIRF-Mikroskops (Abbildung 2, Schritt 7), das mit einer konventionellen Lichtquelle für die Epifluoreszenzbeleuchtung, einem 488-nm-Laser (Pmax = 100 mW) und einer rückwärtig belichteten elektronenmultiplizierenden CCD-Kamera (512 x 512 Pixel; >95% QE) ausgestattet ist, um eine Pixelgröße von ~0,16 μm zu erreichen. Fokussieren Sie den Rand einer DIB-Membran mit einem Objektiv mit 10-facher Vergrößerung unter Epifluoreszenzbeleuchtung mit einer hochintensiven Lichtquelle unter Verwendung eines GFP-Filtersets. Fokussieren Sie den gleichen Rand der DIB-Membran bei hoher Vergrößerung mit einem 100x/N.A. 1.49 apochromaten Öl-TIRF-Objektiv, ebenfalls unter Epifluoreszenzbeleuchtung, mit der hochintensiven Lichtquelle unter Verwendung eines GFP-Filtersatzes, der die Visualisierung der schwachen Hintergrundfluoreszenz des Fluoreszenzfarbstoffs Fluo-8 im Tröpfchen ermöglicht (Abbildung 4C). Ändern Sie die Filtereinstellung von GFP auf den Quadband-TIRF-Filtersatz. Schalten Sie den 488 nm Laser ein und stellen Sie die Intensität des Lasers auf der Objektivlinse auf einen Wert zwischen 8 mW und 10 mW ein.HINWEIS: Da es oft keine quantitativen Informationen über die Laserintensität an der Objektivlinse gibt, sollten die Einstellungen der Laserintensität vorher in separaten Messungen am Objektiv kalibriert werden, wobei ein optisches Laserleistungsmessgerät mit einem Fotodiodensensor gemäß den Herstellerangaben ausgestattet ist.ACHTUNG: Um einen sicheren Betrieb des Lasers zu gewährleisten, muss sich der Bediener über die möglichen Gefahren der Laserstrahlung und die Unfallverhütungsvorschriften im Klaren sein. Um einzelne Ionenkanäle zu visualisieren, stellen Sie den TIRF-Winkel und die Verstärkung der EMCCD-Kamera (z. B. EM-Verstärkungsmultiplikator-Einstellung: 285) so ein, dass offene Ionenkanäle in der DIB-Membran als kontrastreiche Fluoreszenzflecken auf dunklem Hintergrund erscheinen (Abbildung 4D-G) und das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis bei visueller Inspektion ein Maximum erreicht. Achten Sie darauf, dass die Flecken, die dem Ca2+-Fluss durch einzelne Ionenkanäle entsprechen, scharf bleiben und eine runde Form haben, mit hoher Intensität in der Mitte und allmählich abnehmend zur Peripherie hin. Membranen ohne Kanäle zeigen nur Hintergrundfluoreszenz (Abbildung 4C). Bevor Sie die Bewegung und die Aktivität einzelner Kanäle im Laufe der Zeit aufzeichnen, überprüfen Sie, ob fluoreszierende Punkte scharf sind, um sicherzustellen, dass sich die Ionenkanäle in den DIB-Membranen rekonstituiert haben und sich seitlich in der Membranebene bewegen. Ist dies nicht der Fall, könnte dies darauf hindeuten, dass ein fluoreszierendes Molekül in das vom Laser in der Nähe der Membran erzeugte evaneszente Feld ein- und austaucht. Zeichnen Sie eine Reihe von Membranbildern auf, die eine ordnungsgemäße Verfolgung der Position und die Überwachung des offen-geschlossenen Zustands der einzelnen Ionenkanäle ermöglichen. Um die Art der lateralen Beweglichkeit (z. B. freie Bewegung vs. transiente Verankerung [als Referenz, siehe16]) und den Zustand der Kanalaktivität (z. B. offen oder geschlossen) zu bestimmen, erfassen Sie ausreichend lange (z. B. 30 s bis 1 min) und gut abgetastete Trajektorien (z. B. Bildrate von 48 s-1).ANMERKUNG: Die Beobachtung der kanalisierten, eingeschränkten oder Hopfendiffusion16 erfordert, dass die Abtastrate schnell genug ist, um die uneingeschränkte Diffusion innerhalb der Grenzen zu messen. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Abtastzeit der Daten ausreichend lang ist, um den Übergang von der uneingeschränkten zur eingeschränkten Diffusion zu messen (für Details siehe Jacobson et al.16). Bild- und DatenverarbeitungANMERKUNG: Open-Source-Bildverarbeitungspakete33 oder selbstgeschriebene Routinen17 , die auf kommerziellen Softwarepaketen basieren, können verwendet werden, um die raumzeitliche Dynamik einzelner Ionenkanäle in DIBs zu analysieren. Um die laterale Membranbeweglichkeit mit dem Ionenfluss durch die einzelnen Kanäle korrelieren zu können, sollten keine Filteralgorithmen angewendet werden.Korrigieren Sie Bildzeitreihen für das Bleaching, indem Sie Standardverfahren34 unter Verwendung selbst geschriebener Routinen anwenden, indem Sie die durchschnittliche Bildintensität des gesamten Bildes an anpassen, wobei t der Bildindex (Zeit) und akdie Anpassungsparameter ist. Korrigieren Sie dann die Zeitreihe nach , wobei I(t) die Intensität ist. Alternativ können Sie für erste Datenanalysen Hintergrundkorrekturen durchführen, indem Sie eine Open-Source-Software mit implementierten Rolling-Ball-Algorithmen33 und einem Rolling-Ball-Radius verwenden, abhängig vom Punkt und der Pixelgröße der Kamera (z. B. 50 Pixel). Bestimmen Sie die räumlichen Positionen und Amplituden eines Fluoreszenzflecks innerhalb einer definierten Region of Interest (ROI) (z. B. 30 x 30 Pixel), indem Sie I(t) zu einem bestimmten Zeitpunkt t an eine zweidimensionale Gaußsche Funktion mit planarer Neigung anpassen, die mögliche lokale Beleuchtungsgradienten gemäß berücksichtigt. Dabei ist x = (x, y) der ROI mit der Fluoreszenzintensitätsinformation, A und σ sind die Amplitude und Breite des Gauß-Spektrums, pk sind Parameter, die die Hintergrundintensität des ROI charakterisieren, und μ = (x 0, y 0) definiert die Position des Gauß-Betrags. Der Ionenfluss durch einen einzelnen Kanal ist durch den Parameter A gegeben. Die Trajektorie des Kanals ist durch x gegeben und ermöglicht es, die laterale Beweglichkeit des Kanals zu bestimmen. Alternativ ist es möglich, die Positionen und Intensitäten einzelner Spots unter Verwendung von Open-Source-Plattformen33 und Plug-Ins wiebeschrieben 35,36 zu bestimmen. Schätzen Sie die Positionsgenauigkeit37 nach Umrechnung der EMCCD-Kameraanzeige in Photonenzahlen38. Zeichnen Sie die Fluoreszenzamplitude A über der Zeit und die entsprechende Trajektorie x auf, um eine mögliche Korrelation zwischen der Kanaldiffusivität und dem Ionenfluss durch den Kanal zu bestimmen. Führen Sie dies mit einer beliebigen Grafiksoftware durch. Bei freier lateraler Kanalbewegung wird der laterale Diffusionskoeffizient D durch lineare Regression der Zeitverzögerung τ bestimmt und die mittlere quadratische Verschiebung der Punkte von x nach berechnet .HINWEIS: Typische Diffusionskoeffizienten17 für TOM-CC und OmpF, die sich in DIB-Membranen frei bewegen, liegen zwischen 0,5 und 1,5 μm2 s-1. Moleküle, deren Diffusionskonstante kleiner als 0,01 mm2·s-1 ist, werden als immobilisiert17 definiert.

Representative Results

Die elektrodenfreie optische Einkanalaufzeichnung in Echtzeit zeigt das Zusammenspiel zwischen lateraler Proteinbewegung und der Funktion einzelner Ionenkanäle in DIB-Membranen. Die Rekonstitution des mitochondrialen TOM-Core-Komplexes (Abbildung 1A) in eine DIB-Membran (Abbildung 4D) zeigt eine starke zeitliche Korrelation zwischen lateraler Mobilität und Ionenpermeabilität (Abbildung 5A). Die TOM-CC-Anspritzung scheint empfindlich auf die Art der seitlichen Bewegung17 zu reagieren. Bewegte Kanäle zeigen durch ihre Poren einen Ca2+-Fluss und hohe Fluoreszenzpunktintensitäten. Eingeschlossene, sich nicht bewegende Moleküle weisen niedrige und mittlere Fluoreszenzintensitäten auf. Für die allgemeine Proteinimportpore der Mitochondrien TOM-CC zeigte dieser Einzelmolekülansatz eine starke zeitliche Korrelation zwischen lateraler Mobilität und Ionenpermeabilität, was darauf hindeutet, dass der TOM-CC-Kanal mechanosensitive Eigenschaften besitzt17. Ein seitlicher Stopp frei beweglicher TOM-CC-Moleküle geht mit einem teilweisen oder vollständigen Verschluss des TOM-CC-Kanals einher. Die Abbildung von DIB-Membranen mit OmpF (Abbildung 1E und Abbildung 4F), das fast vollständig in die Membran eingebettet ist, zeigt keine Stop-and-Go-Effekte (Abbildung 5B). Zufällige Stopps von OmpF sind nicht mit einer Änderung der Intensität und damit mit dem Schließen seiner Poren verbunden. Anhand der Fluoreszenzsignale38 kann die Positionsgenauigkeit der einzelnen Kanäle im Bereich zwischen 5 und 10 nm abgeschätzt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Genauigkeit nicht erreicht werden kann, wenn die Kanäle aufgrund der beweglichen Verankerung mit dem Agarose-Hydrogel leicht wackeln, wie dies beispielsweise für die TOM-CC-Moleküle in einem Zwischenzustand mit einer mittleren Verschiebung von 120 nm gezeigt wird (Abbildung 5A). Abbildung 1: Isolierung von TOM-CC. (A) Kryo-EM-Struktur von N. crassa TOM-CC30,39. Mitochondrien eines N. crassa-Stammes, der ein Tom22 mit einem 6xHis-Tag enthielt, wurden in DDM solubilisiert und einer Ni-NTA-Affinitätschromatographie (B) und Anionenaustauschchromatographie (C) unterzogen. (D) SDS-SEITE des isolierten TOM-CC. (E) Kristallstruktur (PDB, 1OPF) und (F) SDS-PAGE von gereinigtem E. coli OmpF. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. Abbildung 2: Flussdiagramm der PMMA-Kammerbaugruppe. Schritt 1: Ein Glasdeckglas wird mit einem Agarose-Hydrogel geschleudert. Schritt 2: Das spinbeschichtete Deckglas wird in einer speziell angefertigten PMMA-Mikroskopiekammer montiert. Schritt 3: Zusätzliche niedrigschmelzende Agarose wird auf einer 35 °C heißen Heizplatte in die Einlassöffnung der PMMA-Kammer gegeben. Schritt 4: Lipid-Monoschichten werden um wässrige Tröpfchen an einer Puffer/Öl-Grenzfläche (links) und an der Agarose-Hydrogel/Öl-Grenzfläche (rechts) gebildet. Schritt 5: Einzelne wässrige Tröpfchen werden in die Vertiefungen der PMMA-Kammer pipettiert, um bei Kontakt der beiden Lipidmonoschichten eine Lipiddoppelschicht zu bilden. Schritt 6: Die Bildung der DIB-Membranen wird mittels Hofmann-Modulationskontrastmikroskopie validiert. Schritt 7: Bilder ausgewählter Bereiche der DIB-Membranen mit eingefügten Ionenkanälen werden mittels TIRF-Mikroskopie aufgenommen. Grün: 0,75% Agarose; gelb: 2,5 % Agarose mit Ca2+ Ionen; Magenta: Lipid-/Ölphase; dunkelblau: wässriger Tröpfchenpuffer, der Ca2+-empfindlichen Farbstoff und Protein enthält. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. Abbildung 3: Versuchsaufbau. (A) Schematische Darstellung einer DIB-Membran in einer PMMA-Well. Die Doppelschicht ruht auf einem ultradünnen 0,75%igen Agarosefilm, um die TIRF-Bildgebung des Ca 2+-Flusses durch einen Ionenkanal im Laufe der Zeit unter Verwendung eines Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffs (Fluo-8) in trans zu ermöglichen. (B) Der Ca2+-Fluss wird ausschließlich durch den osmotischen Druck von cis nach trans gesteuert, was sowohl die Bestimmung der Position in der Membran als auch des offen-geschlossenen Zustands des Kanals ermöglicht. Bei dem hier gezeigten Kanal handelt es sich um den proteinleitenden Kanal TOM-CC der Mitochondrien von N. crassa 30. (C) Trajektorie eines einzelnen TOM-CC-Kanals. Grün: sich bewegender Kanal; Gelb: nicht beweglicher Kanal. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. Abbildung 4: Bildgebung von TOM-CC und OmpF in DIB-Membranen . (A) DIB-Membran, aufgenommen mittels Hoffmann-Modulationskontrastmikroskopie, die die Doppelschicht-Kontaktfläche zwischen dem Hydrogel und dem Tröpfchen zeigt. (B) Gebrochene DIB-Membran abgebildet wie in (A). Pfeil, Rand der PMMA-Kammer. (C) DIB-Membran, abgebildet mittels TIRF-Mikroskopie ohne Proteinkanäle. (D) DIB-Membran mit rekonstituiertem TOM-CC, abgebildet mittels TIRF-Mikroskopie. Die weißen Quadrate markieren Flecken mit hoher (SH), mittlerer (SI) und niedriger (SL) Intensität. (E) Die Anpassung des Fluoreszenzintensitätsprofils der drei in (A) markierten Punkte an zweidimensionale Gaußsche Funktionen zeigt die Position einzelner TOM-CCs und des Ca2+ -Flusses durch den Kanal. (F) DIB-Membran mit rekonstituiertem OmpF. (G) Gaußsche Anpassung des in (F) markierten Fluoreszenzflecks. Im Gegensatz zum zweiporigen β-Barrel-Proteinkomplex TOM-CC weist das dreiporige β-Barrel-OmpF nur einen Permeabilitätszustand auf. Pixelgröße: 0,16 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. Abbildung 5: Die Kanalaktivität korreliert mit der lateralen Beweglichkeit von TOM-CC. (A) Die Fluoreszenzamplitudenspur (oben) und die entsprechende Trajektorie (unten) von TOM-CC deuten darauf hin, dass die Aktivität des offen-geschlossenen Kanals von TOM-CC mit der lateralen Membranmobilität des Komplexes korreliert. Die Trajektorie weist drei Permeabilitätszustände auf. Grün: vollständig geöffneter Zustand; gelb: mittlerer Permeabilitätszustand; rot: Zustand des geschlossenen Kanals; roter Stern: TOM-CC wackelt im Zwischenzustand um etwa ±60 nm um seine mittlere Position. Die Positionsgenauigkeiten37, bezogen auf die Fluoreszenzsignale im vollständig geöffneten und mittleren Zustand, liegen im Bereich zwischen 5 nm und 10 nm. (B) Fluoreszenzamplitudenspur (oben) und entsprechende Trajektorie (unten) von OmpF. OmpF zeigt nur eine Intensitätsstufe an, unabhängig davon, ob sie in Bewegung oder gefangen ist. Die Trajektoriensegmente, die den Zeitperioden der gefangenen Moleküle entsprechen, sind grau markiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen. Puffer  Konzentrationen der Reagenzien Volumen A1* 20 mM Tris-HCl pH 8,5, 0,1 % (w/v) n-Dodecyl-β-D-maltosid (DDM), 10 % (v/v) Glycerin, 300 mM NaCl und 1 mM Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF) 100 ml A2* 20 mM Tris-HCl pH 8,5, 0,1 % (w/v) DDM, 10 % (v/v) Glycerin, 1 M Imidazol und 1 mM PMSF 100 ml B1* 20 mM HEPES pH 7,2, 0,1 % (w/v) DDM, 2 % (v/v) Dimethylsulfoxid (DMSO) 100 ml B2* 20 mM HEPES pH 7,2, 0,1 % (w/v) DDM, 1 M KCl, 2 % (v/v) Dimethylsulfoxid (DMSO) 100 ml * Vor Gebrauch entgasen und durch einen 0,22 μm Filter leiten. Tabelle 1: Pufferlösungen für die TOM-CC-Isolierung. Puffer  Konzentrationen der Reagenzien Volumen PFUND* 1 % (w/v) Trypton, 1 % (w/v) NaCl und 0,5 % (w/v) Hefeextrakt 1100 ml C1 2 mM MgCl2 und ~750 Einheiten DNAse und 50 mM Tris-HCl pH 7,5 20 ml C2 50 mM Tris-HCl, pH 7,5 50 ml C3 4 % (w/v) Natriumdodecylsulfat (SDS), 2 mM β-Mercaptoethanol und 50 mM Tris-HCl pH 7,5 50 ml C4 2 % (w/v) SDS, 500 mM NaCl und 50 mM Tris-HCl pH 7,5 50 ml C5 0,5 % (w/v) Octylpolyoxyethylen (Octyl POE), 1 mM EDTA und 20 mM Tris pH 8,5 1000 ml * Vor Gebrauch sterilisieren. Tabelle 2: Pufferlösungen für die OmpF-Isolierung.

Discussion

Das hier vorgestellte Protokoll bietet eine Einführung in die Verwendung von DIB-Membranen zur Untersuchung des Zusammenspiels zwischen Lateralionenkanalbewegung und Kanalfunktion mittels Einzelmolekül-TIRF-Mikroskopie. Um die bestmöglichen Daten zu erhalten, ist die Herstellung stabiler DIB-Membranen mit möglichst vielen gut getrennten Kanälen entscheidend, um Zeitreihen einzelner Partikel zu erhalten, die zufriedenstellend analysiert werden können.

Zu den kritischen Parametern, die optimiert werden müssen, gehören die Wahl des Lipids, die Lipidkonzentration in der Ölphase sowie die Protein- und Detergenzienkonzentrationen in den wässrigen Tröpfchen. Die verwendeten Lipide sind insofern ungewöhnlich, als sie bei tiefen Temperaturen keinen eindeutigen Phasenübergang zeigen. DPhPC ist ein häufig verwendetes Lipid zur Herstellung stabiler Membransysteme40. Prinzipiell kann jedes Lipid für diese Anwendung geeignet sein, das seine flüssige Umgebung bei niedrigen Temperaturen aufrechterhält. Außerdem sollte das Lipid nicht oxidationsempfindlich sein. Die Waschmittelkonzentration in den Tröpfchen sollte so gering wie möglich sein, um einen Blasenbruch der Membran zu vermeiden. Stabile Membranen und gute Proteineinbauraten werden in der Regel bei Detergenzienkonzentrationen unterhalb der kritischen Mizellenkonzentration (cmc) erreicht, da das Membranprotein nicht ausfällt.

Wenn die DIB-Membranen bestimmte Detergenzien21,41 nicht tolerieren oder wenn sich die Proteine nicht aus einer schwachen Detergenzienlösung in die DIB-Membranen integrieren, können die Proteinkanäle zunächst zu kleinen unilamellären Lipidvesikeln (SUVs) rekonstituiert werden, die dann von der Tröpfchenseite mit den DIB-Membranen fusioniert werden, wie für E. coli MscL 42 erfolgreich gezeigt wurde . Manchmal bilden sich DIB-Membranen nicht, weil die Lipidkonzentration in der Ölphase zu niedrig ist. Um zu verhindern, dass DIB-Membranen platzen, sollte man sich auch darüber im Klaren sein, dass der osmotische Druck zwischen dem Hydrogel und dem Tröpfchen exakt ausgeglichen sein muss, ohne denCa2+-Fluss von cis zu trans übermäßig zu beeinflussen. Optimierte Agarosedicke und Maschenweite scheinen entscheidend zu sein, um die Diffusion von Membranproteinen zu beobachten. Ein Austrocknen der Agaroseschicht sollte vermieden werden. Die Dicke kann mittels Rasterkraftmikroskopie17 bestimmt werden. Durch Variation der Agarosekonzentration, des Volumens und der Rotationsgeschwindigkeit während der Schleuderbeschichtung können die Maschenweite und Dicke des Hydrogels optimiert werden. Beachten Sie jedoch, dass die Dicke der Hydrogelschicht den Bildkontrast beeinflusst. Um Membranproteine in DIBs einzufangen, kann das Agarose-Hydrogel durch kundenspezifisch synthetisierte, unvernetzte, Ni-NTA-modifizierte, niedrigschmelzende Agarose ersetzt werden, um sie über einen His-Tageinzufangen 17. Ein zu hoher Fluoreszenzhintergrund wird häufig durch einen Bruch der DIB-Membranen verursacht. Dies ist insbesondere bei Multi-Well-Kammern ein Problem, da der Ca2+-empfindliche Farbstoff in das Hydrogel diffundiert. In diesem Fall sollten benachbarte Brunnen vermieden werden. Die Fluoreszenzbleiche des Ca2+-sensitiven Farbstoffs über der Membran sollte kein signifikanter limitierender Faktor sein, da sie durch unangeregte Farbstoffe im Großteil des Tröpfchens (Abbildung 3A) außerhalb des TIRF-evaneszenten Feldes ausgetauscht wird. Die Lokalisationsgenauigkeit für das Protein ergibt sich aus der Genauigkeit der Anpassung der Spots und der Pixelgröße.

Schwache Fluoreszenzsignale können durch einen niedrigen Ca2+-Fluss durch den Kanal verursacht werden. Mögliche Gründe sind: (i) ungenaue TIRF-Einstellungen (z.B. Laserintensität), (ii) der osmotische Ca 2+-Druck über der Membran oder (iii) die intrinsische Ca2+-Permeabilität der Kanäle ist zu gering. Um das erste Problem zu lösen, müssen die Laserintensität, der TIRF-Winkel und die Kameraverstärkung optimiert werden. Die beiden letztgenannten Probleme können durch das Anlegen eines elektrischen Potentials über die Membran 2,43 überwunden werden. Das Anlegen externer Spannungen kann das Ergebnis jedoch verfälschen, da elektrische Effekte die Kanalöffnung von ligandengesteuerten oder mechanosensitiven Ionenkanälen beeinflussen können, die eigentlich nicht spannungsgesteuert sind. Beispiele für solche Kanäle sind die mitochondriale Proteintranslokase TOM-CC27 und ihre kanalbildende Untereinheit Tom40 26,44,45,46. Schließlich ist anzumerken, dass es schwierig ist, Membranproteine in einer bestimmten Ausrichtung in DIB-Membranen einzufügen, um eine gewünschte Funktionalität zu erreichen, und dass quantitative Studien selten sind47,48. In einigen Fällen ist die Ausrichtung der integrierten Proteine zufällig. Dies ist ein ernstzunehmendes Problem für die Untersuchung von Membranproteinen, da bestimmte Membranproteine nur auf einer Seite der Membran aktiviert werden.

Die TIRF-Mikroskopie ist eine leistungsfähige Methode zur Untersuchung von Einzelmolekülereignissen in planar gelagerten Membranen49. Beispiele hierfür sind die Assemblierung und Faltungswegaufklärung von Kanalproteinen wie α-Hämolysin50, Perfringolysin O51 und OmpG52. Diese Studien beinhalteten FRET als zusätzliche Technik. Darüber hinaus wurde zuvor die Aktivierung des mechanosensitiven Ionenkanals MscL durch mechanische Stimulation von geträgerten DIB-Doppelschichten42 unter Verwendung von Strommessungen untersucht. Basierend auf dieser Arbeit könnten zukünftige Studien die hier beschriebene Plattform mit Einzelmolekül-FRET-Experimenten kombinieren, um mechanosensitive Kanäle auf Einzelmolekülebene auf optische Weise zu adressieren17. Die Injektion von Puffer in das Tröpfchen, die Dehnung der inneren DIB-Monoschicht oder die gezielte Bindung einzelner Kanäle an das darunterliegende Hydrogel können verwendet werden, um nicht nur den physikalischen Mechanismus mechanisch aktivierter Kanäle, die auf Membranspannung und/oder -krümmung reagieren, wie für MscL und MscS, die zweiporige Domäne K+-Kanäle, TREK-1, weiter zu untersuchen. TREK-2 und TRAAK und PIEZO (zur Übersicht siehe53), aber auch lokale Bindung an das zelluläre Zytoskelett, wie für den berührungsempfindlichen Ionenkanal NOMPC54,55 gezeigt wurde.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken Beate Nitschke für ihre Hilfe bei der Proteinzubereitung und Robin Ghosh, Michael Schweikert (Stuttgart) und Maximilan Ulbrich (Freiburg) für aufschlussreiche Gespräche. Diese Arbeit wurde durch das Stuttgarter Forschungszentrum Systembiologie (SRCSB) und ein Stipendium der Baden Württemberg Stiftung (BiofMO-6 bis SN) unterstützt.

Materials

1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine Avanti Polar Lipids 850356C
100x Oil objective Apochromat N.A. 1.49 Nikon MRD01991 TIRF microscope 
10x Hoffmann modulation contrast objective NA 0.25  Nikon Microscope to assess DIB membrane formation  
10x objective N.A. 0.25 Nikon MRL00102 TIRF microscope 
40x Hoffmann modulation contrast objective NA 0.55 Nikon Microscope to assess DIB membrane formation  
488 nm laser, 100 mW   Visitron TIRF microscope 
Adhesive tape
Äkta pure   Cytiva Protein purification system
Bradford assay kit, Pierce Thermo Fisher  23236
CaCl2 Roth 5239.2
Chelax 100 resin Biorad 143-2832
Chloroform  Sigma-Aldrich MC1024452500
Dialysis cassettes Slide-A-Lyzer 20 k MWCO Thermo Fisher  87735
DIB chamber  Custom made PMMA chamber for DIB membranes
Digital power meter and energy console Thorlabs PM100D Laser power meter 
Dimethyl sulfoxide Roth  4720.1
Double distilled H2O
Eclipse TS 100 Hoffmann modulation contrast microscope  Nikon Microscope to assess DIB membrane formation  
EDTA Roth 8042.2
EMCCD camera iXon Ultra 897 Andor TIRF microscope 
Ethanol Sigma-Aldrich 32205-M
Fixed angle rotor Ti70 Beckman Coulter
Fluo-8, CalciFluorTM Santa Cruz Biotechnology SC-362561 Ca2+-sensitive dye
French press cell disruption homogenizer Igneus Igneus 40000 psi
GFP filter AHF Filter seeting used for excitation of DIB-membranes by epifluorescence with white light source 
Glass capillaries World Precision Instruments 4878
Glass coverslips 40 mm x 24 mm x 0.13 mm Roth 1870.2
Glycerol Roth 3783.2
Hamilton syringe 10 mL Roth X033.1
Hamilton syringe 100 mL Roth X049.1
Hamilton syringe 500 mL Roth EY49.1
Heating block  Eppendorf Thermomixer comfort
Heating plate Minitube  HT200
Hepes Roth  9205.3
Hexadcane Sigma-Aldrich 296317
His Trap HP 1 mL Cytiva 29051021 Ni-NTA column
Imidazole Sigma-Aldrich 1.04716.1000
KCl Honeywell 10314243
KLM spin coater  Schaefer Tec SCV-10
List medical L/M-3P-A vertical pipette puller Artisan Technology Group 57761-1
Low melting point agarose Sigma-Aldrich  A9414
M8 Stereomicroscope Wild Stereomicrosope 
Matlab  MathWorks R2022a
Methanol Sigma-Aldrich 34860
MicroFil pipette tips World Precision Instruments MF34G-5
N2 gas
NaCl Roth 3957.1
Nanoliter 2010 injector  World Precision Instruments Nanoliter 2010 
n-dodecyl-b-D-maltoside Glycon Biochemicals D97002-C
Ni-NTA agarose, non-crosslinked Cube Biotech 124115393 Custom made
NIS-Elements AR software Nikon MQS31100/MQS42560/MQS42580/MQS42780/MQS41930 Imaging software
n-octyl-polyoxyethylene Sigma-Aldrich 40530
O2 gas
Phenylmethylsulfonyl fluoride Roth  6367.3
Photodiode sensor  Si, 400 – 1100 nm, 500 mW Thorlabs S130C Sensor for laser power meter 
Plasma cleaner Diener Electronics Zepto
Preparative ultracentrifuge Optima Beckman Coulter
Quad-band TIRF-filter 446/523/600/677 HC AHF Filter setting used for excitation of DIB-membranes with 488 nm laser 
Resource Q 1 mL Cytiva 17117701 Anion exchange column
Silicon oil AR 20 Sigma-Aldrich 10836
Sodium dodecyl sulfate Roth 2326.2
Super LoLux camera JVC Stereomicrosope 
Thermoshaker Gerhardt THL 500/1
Ti-E Fluorescence microscope   Nikon MEA53100
Tris-HCl Sigma-Aldrich 9090.3
Tryptone Roth 8952.2
Ultrasonic bath  Bandelin Sonorex RK 100
Vaccum pump Vacuubrand MD 4C NT
White light source for epifluorescence illumination (100 W) Nikon MBF72655 TIRF microscope 
Yeast extract Roth 2363.2
β-mercaptoethanol Sigma-Aldrich M3148
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Wang, S., Nussberger, S. Single-Molecule Imaging of Lateral Mobility and Ion Channel Activity in Lipid Bilayers using Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy. J. Vis. Exp. (192), e64970, doi:10.3791/64970 (2023).
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