Einzelmoleküldiffusion und Assemblierung auf polymerüberfüllten Lipidmembranen

Zellmembranen sind sehr überfüllte und komplexe Systeme¹. Molekulares Crowding kann einen erheblichen Einfluss auf die Diffusion membrangebundener Entitäten wie Protein und Lipide ^2,3,4 haben. Ebenso werden bimolekulare Reaktionen auf Lipidmembranen wie die Rezeptordimerisierung oder die Oligomerisierung von Membrankomplexen durch Crowding ^5,6,7 beeinflusst. Die Art, Konfiguration und Konzentration von Crowdern kann die Membranbindung, Diffusivität und Protein-Protein-Interaktion auf verschiedene Weise steuern ^8,9. Da die Kontrolle der Membranüberfüllung auf zellulären Membranen und die Interpretation ihres Einflusses auf eingebettete Biomoleküle eine Herausforderung darstellt, haben Forscher versucht, alternative In-vitro-Systeme zu etablieren¹⁰.

Ein beliebter Ansatz für künstliche überfüllte Membranen ist die Dotierung der Doppelschichtmembranen mit polymeren (wie Polyethylenglykol, PEG)-gepfropften Lipiden^11,12. Während der Visualisierung der Protein- und Lipiddynamik auf unterstützten Lipiddoppelschichten (SLBs) schirmen diese Polymere die in die Membran eingebetteten Komponenten zusätzlich vom darunter liegenden negativ geladenen Substrat (z. B. Glas) ab, indem sie die Doppelschicht effektiv von der darunterliegenden Unterstützung wegheben. Durch Variation der Größe und Konzentration des Polymers kann man das Ausmaß der molekularen Verdrängung sowie seine Trennung vom zugrunde liegenden festen Träger^13,14 kontrollieren. Dies ist eindeutig ein Vorteil gegenüber Lipiddoppelschichten, die auf festen Substraten ohne Polymerpolster^15,16 gelagert werden, wo Transmembranbiomoleküle ihre Aktivität verlieren können^17,18,19. Noch wichtiger ist, dass es uns ermöglicht, die überfüllte Umgebung der Zellmembran in vitro zu rekapitulieren, was für viele Membranprozesse entscheidend ist.

Oberflächengepfropfte Polymere auf Membranen unterliegen ebenfalls Änderungen in ihrer Konfiguration in Abhängigkeit von ihrer Pfropfdichte¹². Bei geringen Konzentrationen verbleiben sie in einer entropisch gewundenen Konfiguration, einem sogenannten Pilz, über der Membranoberfläche. Mit zunehmender Konzentration beginnen sie zu interagieren und neigen dazu, sich abzuwickeln und auszudehnen, was schließlich zu einer dichten bürstenartigen Formation auf der Membran²¹ führt. Da der Übergang vom Pilz- zum Bürstenregime sehr heterogen ist und sich in schlecht charakterisierten Bedingungen des Polymers manifestiert, ist es wichtig, gut charakterisierte Bedingungen für das Gedränge auf polymergepfropften Membranen zu verwenden. Im Vergleich zu einer aktuellen Studie²⁰ identifizieren und berichten wir überfüllte Membranzusammensetzungen, die den diffusiven Transport und die Aktivität von Transmembranbiomolekülen aufrechterhalten.

In diesem Protokoll diskutieren wir, wie PEGylierte Lipidmembranen erzeugt werden können, und geben Empfehlungen für PEG-Dichten, die Crowding in zwei verschiedenen Regimen der Polymerkonfiguration (nämlich Pilz und Bürste) nachahmen. Das Protokoll beschreibt auch die Einzelmolekülbindung, Partikelverfolgung und Photobleichdatenerfassung und -analyse für Moleküle, die in diese überfüllten Membranen eingebettet sind. Zunächst beschreiben wir die gründlichen Reinigungsschritte, den Aufbau der Bildgebungskammer und die Erzeugung von PEG-SLBs. Zweitens liefern wir Details für die Einzelmolekülbindung, Partikelverfolgung und Photobleichexperimente. Drittens diskutieren wir i) die Extraktion der relativen Bindungsaffinitäten, ii) die Charakterisierung der molekularen Diffusion und iii) das Zählen von Untereinheiten in einer Proteinanordnung aus Filmen einzelner Moleküle auf der Membran.

Während wir dieses System mit Einzelmolekül-Bildgebung charakterisiert haben, ist das Protokoll für alle Membranbiophysiker nützlich, die daran interessiert sind, die Wirkung von Crowding auf biomolekulare Reaktionen auf Lipidmembranen zu verstehen. Insgesamt präsentieren wir eine robuste Pipeline zur Herstellung von überfüllten und unterstützten Lipiddoppelschichten, zusammen mit verschiedenen Einzelmolekül-Assays, die an ihnen durchgeführt werden, und den entsprechenden Analyseroutinen.