Este protocolo describe cómo utilizar la microscopía TIRF para rastrear canales iónicos individuales y determinar su actividad en las membranas lipídicas soportadas, definiendo así la interacción entre el movimiento de la membrana lateral y la función del canal. Describe cómo preparar las membranas, registrar los datos y analizar los resultados.
Las técnicas de imagen de alta resolución han demostrado que muchos canales iónicos no son estáticos, sino que están sujetos a procesos altamente dinámicos, incluida la asociación transitoria de subunidades auxiliares y formadoras de poros, difusión lateral y agrupamiento con otras proteínas. Sin embargo, la relación entre la difusión lateral y la función es poco conocida. Para abordar este problema, describimos cómo la movilidad lateral y la actividad de los canales individuales en las membranas lipídicas soportadas pueden ser monitoreadas y correlacionadas utilizando microscopía de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF). Las membranas se fabrican sobre un sustrato de hidrogel ultrafino utilizando la técnica de bicapa de interfaz de gotas (DIB). En comparación con otros tipos de membranas modelo, estas membranas tienen la ventaja de ser mecánicamente robustas y adecuadas para técnicas analíticas altamente sensibles. Este protocolo mide el flujo de iones Ca 2+ a través de canales individuales observando la emisión de fluorescencia de un colorante sensible a Ca2+ muy cerca de la membrana. A diferencia de los enfoques clásicos de seguimiento de moléculas individuales, no se requieren proteínas de fusión fluorescentes o etiquetas, que pueden interferir con el movimiento lateral y la función en la membrana. Los posibles cambios en el flujo iónico asociados con cambios conformacionales de la proteína solo se deben al movimiento lateral de la proteína en la membrana. Los resultados representativos se muestran utilizando el canal de translocación de proteínas mitocondriales TOM-CC y el canal bacteriano OmpF. A diferencia de OmpF, la compuerta de TOM-CC es muy sensible al confinamiento molecular y a la naturaleza de la difusión lateral. Por lo tanto, las bicapas de interfaz de gotas compatibles son una herramienta poderosa para caracterizar el vínculo entre la difusión lateral y la función de los canales iónicos.
El presente protocolo tiene como objetivo describir cómo estudiar la correlación entre la movilidad de la membrana y la permeabilidad del canal iónico de las proteínas de membrana en membranas de bicapa de interfaz de gotas (DIB) soportadas por polímeros 1,2,3.
La presente técnica complementa una impresionante variedad de herramientas analíticas ópticas y de superficie avanzadas, como el seguimiento de partículas individuales4,5, la espectroscopia de correlación de fluorescencia 6,7 y la microscopía de fuerza atómica de alta velocidad 8,9,10. Estos proporcionan información valiosa sobre la composición dinámica y la estructura de las membranas que influyen en las reacciones basadas en la membrana11,12,13. Mientras que el movimiento y la difusión lateral de las proteínas dependen de la densidad local de las proteínas en la membrana, las moléculas de proteínas individuales también pueden quedar atrapadas en balsas lipídicas14 y por interacciones proteína-proteína15,16. Dependiendo de los dominios proteicos que sobresalen de la membrana hacia el entorno extracelular o citosol, la movilidad de las proteínas puede variar de altamente móvil a completamente inmóvil. Sin embargo, debido a la complejidad de la membrana y sus estructuras periféricas, a menudo es difícil descifrar la interacción entre la naturaleza de la movilidad lateral y la función de la proteína17.
Las membranas DIB han demostrado ser una plataforma eficiente para el análisis biofísico de moléculas individuales de proteínas de membrana 18,19,20,21,22. Se forman por autoensamblaje lipídico a través del contacto de gotitas acuosas con sustratos soportados por hidrogel en una fase lípido/aceite. Similar a las bicapas lipídicas soportadas (SLBs) comúnmente utilizadas1,23,24,25, las DIB permiten el ajuste local de la movilidad lateral mediante la unión temporal o permanente de proteínas a la matriz polimérica cuando se funcionalizan con ligandos adecuados17. Este último puede servir como sistema modelo para procesos bioquímicos en membranas celulares con una distribución heterogéneade proteínas 10.
El enfoque experimental descrito aquí se basa en la fluorescencia de colorantes sensibles a Ca 2+ para medir el flujo de iones Ca 2+ a través de canales individuales muy cerca de la membrana 2,22 utilizando microscopía TIRF. Este enfoque óptico limita la iluminación de la muestra a una distancia cercana a la membrana, lo que, debido a las propiedades físicas de la luz de excitación evanescente, conduce a una reducción significativa del fondo de fluorescencia. Este último es un requisito previo si se requiere una alta resolución espacial y temporal para la detección de moléculas individuales. A diferencia de los métodos electrofisiológicos clásicos26,27, no se requieren voltajes de membrana para estudiar el flujo de iones a través de canales individuales. Además, el método no requiere marcado con colorantes fluorescentes o moléculas que podrían interferir con el movimiento lateral de los canales en la membrana.
El método es particularmente útil para estudiar los canales de proteínas incrustados en la membrana a nivel de molécula única sin utilizar la electrofisiología clásica. Utilizando el canal conductor de proteínas mitocondriales TOM-CC de Neurospora crassa28,29,30 y OmpF, que apoya la difusión de pequeñas moléculas hidrófilas a través de la membrana externa de Escherichia coli17,31, ilustramos cómo se pueden estudiar y correlacionar las movilidades de membrana y las actividades de canal de las dos proteínas. Sugerimos que este enfoque, aunque optimizado para TOM-CC y OmpF, se puede aplicar fácilmente a otros canales de proteínas.
El protocolo presentado aquí proporciona una introducción al uso de membranas DIB para estudiar la interacción entre el movimiento del canal iónico lateral y la función del canal utilizando microscopía TIRF de molécula única. Para obtener los mejores datos posibles, la preparación de membranas DIB estables con tantos canales bien separados como sea posible es crucial para obtener series temporales de partículas individuales, que puedan analizarse satisfactoriamente.
Los parámetros críticos que deben optimizarse incluyen la elección de lípidos, la concentración de lípidos en la fase oleosa y las concentraciones de proteínas y detergentes en las gotas acuosas. Los lípidos empleados son inusuales, ya que no muestran una transición de fase clara a bajas temperaturas. DPhPC es un lípido comúnmente utilizado para producir sistemas de membrana estables40. En principio, cualquier lípido que mantenga su ambiente fluido a bajas temperaturas puede ser adecuado para esta aplicación. Además, el lípido no debe ser sensible a la oxidación. La concentración de detergente en las gotitas debe ser lo más baja posible para evitar la ruptura de la membrana. Las membranas estables y las buenas tasas de incorporación de proteínas generalmente se logran con concentraciones de detergente por debajo de la concentración crítica de micelas (cmc), dado que la proteína de membrana no precipita.
Si las membranas DIB no toleran detergentes específicos21,41, o si las proteínas no se integran de la solución detergente baja en las membranas DIB, los canales de proteínas pueden reconstituirse primero en pequeñas vesículas lipídicas unilamelares (SUV), que luego se fusionan a las membranas DIB desde el lado de las gotas, como se ha demostrado con éxito para E. coli MscL 42 . A veces, las membranas DIB no se forman porque la concentración de lípidos en la fase oleosa es demasiado baja. Para evitar que las membranas DIB se rompan, también se debe tener en cuenta que la presión osmótica entre el hidrogel y la gota debe equilibrarse con precisión sin afectar excesivamente el flujo de Ca 2+ de cis a trans. El grosor optimizado de agarosa y el tamaño de la malla parecen ser cruciales para observar la difusión de proteínas de membrana. Debe evitarse cualquier secado de la capa de agarosa. El espesor puede determinarse mediante microscopía de fuerza atómica17. Al variar la concentración, el volumen y la velocidad de rotación de agarosa durante el recubrimiento de centrifugado, se puede optimizar el tamaño de la malla y el grosor del hidrogel. Tenga en cuenta, sin embargo, que el grosor de la capa de hidrogel afecta el contraste de la imagen. Para capturar proteínas de membrana en DIB, el hidrogel de agarosa puede ser reemplazado por agarosa sintetizada, no reticulada, modificada con Ni-NTA y de bajo punto de fusión para atraparlas a través de una etiqueta His17. Un fondo de fluorescencia excesivamente alto a menudo es causado por la ruptura de las membranas DIB. Esto es particularmente un problema con las cámaras de pocillos múltiples, ya que el tinte sensible al Ca2+ se difunde en el hidrogel. En este caso, se deben evitar los pozos adyacentes. El blanqueamiento por fluorescencia del colorante sensible al Ca2+ por encima de la membrana no debe ser un factor limitante significativo, ya que es intercambiado por colorantes no excitados en la mayor parte de la gota (Figura 3A) fuera del campo evanescente TIRF. La precisión de localización de la proteína viene dada por la precisión del ajuste de las manchas y el tamaño de los píxeles.
Las señales de fluorescencia débiles pueden ser causadas por un bajo flujo de Ca2+ a través del canal. Las posibles razones incluyen: (i) ajustes inexactos de TIRF (por ejemplo, intensidad del láser), (ii) la presión osmótica de Ca 2+ a través de la membrana, o (iii) la permeabilidad intrínseca de Ca2+ de los canales es demasiado baja. Para hacer frente al primer problema, la intensidad del láser, el ángulo TIRF y la ganancia de la cámara deben optimizarse. Los dos últimos problemas pueden ser superados por la aplicación de un potencial eléctrico a través de la membrana 2,43. Sin embargo, la aplicación de voltajes externos puede distorsionar el resultado, ya que los efectos eléctricos pueden influir en la apertura del canal de los canales iónicos dependientes de ligandos o mecanosensibles que en realidad no están controlados por voltaje. Ejemplos de tales canales son la proteína mitocondrial translocasa TOM-CC27, y su subunidad formadora de canales Tom40 26,44,45,46. Finalmente, cabe señalar que, insertar proteínas de membrana en membranas DIB en una orientación específica para lograr una funcionalidad deseada es complicado, y los estudios cuantitativos son raros47,48. En algunos casos, la orientación de las proteínas integradas es aleatoria. Este es un problema grave para el estudio de las proteínas de membrana, porque ciertas proteínas de membrana se activan en un solo lado de la membrana.
La microscopía TIRF es un método poderoso para abordar eventos de moléculas individuales en membranas planas soportadas49. Los ejemplos incluyen el ensamblaje y la elucidación de la vía de plegamiento de proteínas del canal como α-hemolisina50, perfringolisina O 51 y OmpG52. Estos estudios incluyeron FRET como una técnica adicional. Además, la activación del canal iónico mecanosensible MscL se ha estudiado previamente mediante estimulación mecánica de bicapas DIB42 soportadas utilizando mediciones de corriente. Sobre la base de este trabajo, los estudios futuros podrían combinar la plataforma descrita aquí con experimentos FRET de molécula única para abordar canales mecanosensibles a nivel de molécula única de manera óptica17. La inyección de tampón en la gota, el estiramiento de la monocapa DIB interna o la unión dirigida de canales individuales al hidrogel subyacente se pueden usar para estudiar más a fondo no solo el mecanismo físico de los canales activados mecánicamente, que responden a la tensión y / o curvatura de la membrana como se muestra para MscL y MscS, el dominio de dos poros K + canales, TREK-1, TREK-2, y TRAAK, y PIEZO (para revisión, ver53), pero también unión local al citoesqueleto celular, como se muestra para el canal iónico sensible al tacto NOMPC54,55.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Beate Nitschke por su ayuda con la preparación de proteínas y a Robin Ghosh, Michael Schweikert (Stuttgart) y Maximilan Ulbrich (Friburgo) por sus perspicaces discusiones. Este trabajo fue apoyado por el Centro de Investigación de Biología de Sistemas de Stuttgart (SRCSB) y una subvención de la Fundación Baden Württemberg (BiofMO-6 a SN).
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 |