באפיון באתרו של חלבונים מימה במים על ידי Salvi ו TOF-SIMS
Summary
עבודה זו מציג פרוטוקול טיפול נוזל וההכנסה מדגם על microchannel עבור באתרו זמן של טיסת ניתוח ספקטרומטריית משני יון המוני של ביומולקולות חלבון בתמיסה מימית.
Abstract
עבודה זו ממחישה באפיון באתרו של ביומולקולות חלבון בתמיסה המימית באמצעות מערכת לניתוח בבית ממשק האבק הנוזלי (Salvi) וזמן של הטיסה ספקטרומטריית משני יון המוני (TOF-SIMS). סרט חלבון פיברונקטין מאובן על סיליקון ניטריד (חטא) קרום הנוצר באזור זיהוי Salvi. במהלך ניתוח TOF-SIMS, שלושה מצבים של ניתוח נערכו כולל ספקטרומטריית מסה ברזולוציה מרחבית גבוהה, דו מימדי (2D) הדמיה, ו פרופיל עומק. ספקטרה המונית נרכשה בשני מצבים חיוביים ושליליים. מים ללא יונים נותחו גם כמדגם התייחסות. התוצאות שלנו מראה כי סרט פיברונקטין במים יש יותר פסגות אשכול מים ברורות וחזקות נמשלו למים לבד. פסגות מאפיין של שברי חומצת אמינו ניתנים לצפייה גם בחלבון hydrated ספקטרה TOF-SIMS. תוצאות אלו ממחישות כי ספיחת מולקולת חלבון על משטח ניתן ללמוד דינמיקהlly באמצעות Salvi ו TOF-SIMS בסביבת הנוזל בפעם הראשונה.
Introduction
הידרציה חיוני למבנה, 1 קונפורמציה, 2 והפעילות הביולוגית 3 של חלבונים. חלבונים ללא מולקולות מים המקיף אותם לא יצטרכו פעילויות ביולוגיות קיימא. באופן ספציפי, מולקולות מי אינטראקציה עם פני שטח ואת המבנה הפנימי של חלבונים, ומדינות הידרציה שונות של חלבונים לעשות אינטראקציות כאלה ברורים. 4 האינטראקציה של חלבונים עם משטחים מוצקים היא תופעה בסיסית עם השלכות בננוטכנולוגיה, בביו-חומרים ותהליכי הנדסת רקמות. מחקרים ארוכים הראו כי שינויים מרחביים עלולים להתרחש כחלבון מפגשי משטח. TOF-SIMS כבר שנחזה הטכניקה שיש לו פוטנציאל ללמוד ממשק החלבון-מוצק. 5-7 חשוב להבין את הידרציה של חלבונים על משטחים מוצקים, אשר באופן פוטנציאלי מספק הבנה בסיסית של המנגנון של מבנה שלהם, קונפורמציה, ו ביולוגיפעילות אל.
עם זאת, שיטות אנליטיות פני השטח העיקריים הם בעיקר מבוססי ואקום יישומים ישיר ללימודי נוזל נדיף קשה עקב אידוי מהיר של נוזל נדיף תחת סביבת ואקום. פיתחנו ואקום תואם microfluidic ממשק, מערכת לניתוח בבית ממשק אבק נוזלי (Salvi), כדי לאפשר תצפיות ישירות של משטחים נוזלי אינטראקציות מוצק נוזלי באמצעות ספקטרומטריית מסה זמן של הטיסה משני יון (TOF-SIMS). 8- 11 ההיבטים הייחודיים כוללים את הפעולות הבאות: 1) בחלון הזיהוי צמצם של 2-3 מיקרומטר קוטר המאפשר הדמיה ישירה של פני הנוזל, 2) מתח הפנים משמש להחזיק את הנוזל בתוך הצמצם, ו -3) Salvi הוא נייד בקרב פלטפורמות מרובות אנליטי. 11,12
Salvi מורכב סיליקון ניטריד (חטא) קרום כאזור זיהוי וכן microchannel עשויים polydimethylsiloxane (PDMS). זה fabricated בחדר הנקי, וגורמי הייצור ועיצוב מפתח כבר מפורט ניירות ופטנטים קודמים. 8-12 היישומים של TOF-SIMS ככלי אנליטי הודגמו באמצעות מגוון של תמיסות מימיות ותערובות נוזל מורכבות, חלק שהכיל חלקיקים. 13-17 באופן ספציפי, נוזל Salvi TOF-SIMS מאפשר דינמי חיטוט של הממשק הנוזל-מוצקה של מערכות ביולוגיות חיות (כלומר, biofilms), תאים בודדים, וממשק מוצקים אלקטרוליטים, פתיחת הזדמנויות חדשות עבור בשלב באתרו מרוכז מחקרים כוללים נוזלים באמצעות TOF-SIMS. עם זאת, העיצוב הנוכחי אינו מאפשר אינטראקציות נוזלי גז עדיין. זהו כיוון לפיתוח עתידי. Salvi נעשה שימוש כדי ללמוד את סרט חלבון hydrated בעבודה זו בפעם הראשונה.
פיברונקטין הוא דימר חלבון נפוץ, מורכב משני מונומרים כמעט זהה מקושרים על ידי זוג אג"ח דיסולפיד, 18 אשר אניS-ידוע ביכולתה לאגד תאים. 19,20 נבחר כמערכת מודל כדי להמחיש כי סרט חלבון hydrated יכול להיות נחקר באופן דינמי באמצעות נוזל Salvi TOF-SIMS גישה. פתרון החלבון הוכנס microchannel. לאחר דוגר במשך 12 שעות, סרט חלבון hydrated עטף את הצד האחורי של הממברנה SiN. מים ללא יונים (DI) שימש כדי לשטוף לערוץ לאחר ההקדמה חלבון. מידע נאסף מולקולות חלבון פיברונקטין hydrated ב microchannel Salvi באמצעות TOF-SIMS דינמי. מים די נחקרו גם כביקורת להשוות עם תוצאות שהתקבלו סרט דק hydrated פיברונקטין. הבדלים ברורים נצפו בין סרט חלבון hydrated ומי DI. עבודה זו ממחישה כי חלבון ספיחה על פני שטח בסביבת הנוזלי ניתן ללמוד באמצעות Salvi רומן גישת TOF-SIMS נוזלי. פרוטוקול סרטון נועד לספק הדרכה טכנית עבור אנשים המעונייניםניצול כלי אנליטי חדש ליישומים מגוונים של Salvi עם TOF-SIMS ולהפחית טעויות מיותרות בטיפול נוזלי, כמו גם רכישת וניתוח נתונים TOF-SIMS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Salvi הוא ממשק microfluidic המאפשר פני הנוזל דינמי וניתוח ממשק נוזל-מוצק על ידי מכשירים מבוססי ואקום, כגון TOF-SIMS במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). בשל השימוש של פתחים קטנים לחשוף נוזל ישירות בריק, Salvi מתאים טכניקות ספקטרוסקופיה ודימות רבות ממוקדות דק ללא כל שינוי; 22 את הטלטל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We are grateful to the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Chemical Imaging Initiative-Laboratory Directed Research and Development (CII-LDRD) and Materials Synthesis and Simulation across Scales (MS3) Initiative LDRD fund for support. Instrumental access was provided through a W. R. Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) Science Themed Proposal. EMSL is a national scientific user facility sponsored by the Office of Biological and Environmental Research (BER) at PNNL. The authors thank Mr. Xiao Sui, Mr. Yuanzhao Ding, and Ms. Juan Yao for proof reading the manuscript and providing useful feedback. PNNL is operated by Battelle for the DOE under Contract DE-AC05-76RL01830.
Materials
| ToF-SIMS | IONTOF | TOF.SIMS 5 | Resolution: > 10,000 m/Δm for mass resolution; > 4,000 m/Δm for high spatial resolution |
| System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) | Pacific Northwest National Laboratory | N/A | SALVI is a unique, self-contained, portable analytical tool that, for the first time, enables vacuum-based scientific instruments such as time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) to analyze liquid surfaces in their natural state at the molecular level. |
| PEEK Union | Valco | ZU1TPK | for connecting the inlet and outlet of SALVI |
| 5 Axes Sample Stage | IONTOF | N/A | Stage is self-made for mounting SALVI in ToF-SIMS |
| Barnstead Nanopure Water Purification System | Thermo Fisher Scientific | D11921 | ROpure LP Reverse Osmosis filtration module (D2716) |
| Syringe | BD | 309659 | 1 mL |
| Pipette | Thermo Fisher Scientific | 21-377-821 | Range: 100 to 1000 mL |
| Pipette Tip | Neptune | 2112.96.BS | 1000 µL |
| Centrifuge Tube | Corning | 430791 | 15 mL |
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141 | 1 mg/mL |
| Ethanol | Thermo Fisher Scientific | S25310A | 95% Denatured |
| Gibco PBS | Thermo Fisher Scientific | 10010-023 | pH 7.4 |
References
- Tompa, K., Bokor, M., Verebelyi, T., Tompa, P. Water rotation barriers on protein molecular surfaces. Chem. Phys. 448, 15-25 (2015).
- Maruyama, Y., Harano, Y. Does water drive protein folding?. Chem. Phys. Lett. 581, 85-90 (2013).
- Chaplin, M. Opinion – Do we underestimate the importance of water in cell biology. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7 (11), 861-866 (2006).
- Zhang, L., et al. Mapping hydration dynamics around a protein surface. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104 (47), 18461-18466 (2007).
- Xia, N., May, C. J., McArthur, S. L., Castner, D. G. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry analysis of conformational changes in adsorbed protein films. Langmuir. 18 (10), 4090-4097 (2002).
- Gray, J. J. The interaction of proteins with solid surfaces. Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (1), 110-115 (2004).
- Wagner, M. S., Horbett, T. A., Castner, D. G. Characterization of the structure of binary and ternary adsorbed protein films using electron spectroscopy for chemical analysis, time-of-flight secondary ion mass spectrometry, and radiolabeling. Langmuir. 19 (5), 1708-1715 (2003).
- Yang, L., Yu, X. -. Y., Zhu, Z., Iedema, M. J., Cowin, J. P. Probing liquid surfaces under vacuum using SEM and and ToF-SIMS. Lab Chip. 11 (15), 2481-2484 (2011).
- Yang, L., Yu, X. -. Y., Zhu, Z. H., Thevuthasan, T., Cowin, J. P. Making a hybrid microfluidic platform compatible for in situ imaging by vacuum-based techniques. J. Vac. Sci. Technol. A. 29 (6), 061101 (2011).
- Yu, X. -. Y., Yang, L., Zhu, Z. H., Cowin, J. P., Iedema, M. J. Probing aqueous surfaces by ToF-SIMS. LC GC N. Am. (Oct), 34-38 (2011).
- Yu, X. -. Y., Yang, L., Cowin, J., Iedema, M., Zhu, Z. Systems and methods for analyzing liquids under vacuum. US patent. , (2013).
- Yu, X. -. Y., Liu, B., Yang, L., Zhu, Z., Marshall, M. J. Microfluidic electrochemical device and process for chemical imaging and electrochemical analysis at the electrode-liquid interface in situ. US patent. , (2014).
- Yang, L., Zhu, Z., Yu, X. -. Y., Thevuthasan, S., Cowin, J. P. Performance of a microfluidic device for in situ ToF-SIMS analysis of selected organic molecules at aqueous surfaces. Anal. Methods. 5 (10), 2515-2522 (2013).
- Yang, L., et al. In situ SEM and ToF-SIMS analysis of IgG conjugated gold nanoparticles at aqueous surfaces. Surf. Interface Anal. 46 (4), 224-228 (2014).
- Hua, X., et al. In situ molecular imaging of hydrated biofilm in a microfluidic reactor by ToF-SIMS. Analyst. 139 (7), 1609-1613 (2014).
- Hua, X., et al. Two-dimensional and three-dimensional dynamic imaging of live biofilms in a microchannel by time-of-flight secondary ion mass spectrometry. Biomicrofluidics. 9 (3), 031101 (2015).
- Liu, B., et al. In situ chemical probing of the electrode-electrolyte interface by ToF-SIMS. Lab Chip. 14 (5), 855-859 (2014).
- Pankov, R., Yamada, K. M. Fibronectin at a glance. J. Cell Sci. 115 (20), 3861-3863 (2002).
- Pierschbacher, M. D., Hayman, E. G., Ruoslahti, E. Location of the cell-attachment site in fibronectin with monoclonal antibodies and proteolytic fragments of the molecule. Cell. 26 (2), 259-267 (1981).
- Engvall, E., Ruoslahti, E. Binding of soluble form of fibroblast surface protein, fibronectin, to collagen. Int. J. Cancer. 20 (1), 1-5 (1977).
- Green, F. M., Gilmore, I. S., Seah, M. P. TOF-SIMS: Accurate mass scale calibration. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 17 (4), 514-523 (2006).
- Yu, X. -. Y., Liu, B., Yang, L. Imaging liquids using microfluidic cells. Microfluid. Nanofluid. 15 (6), 725-744 (2013).
- Shi, H., Lercher, J. A., Yu, X. -. Y. Sailing into uncharted waters: recent advances in the in situ monitoring of catalytic processes in aqueous environments. Catal. Sci. Technol. 5 (6), 3035-3060 (2015).
- Deleu, M., Crowet, J. M., Nasir, M. N., Lins, L. Complementary biophysical tools to investigate lipid specificity in the interaction between bioactive molecules and the plasma membrane: A review. Biochim. Biophys. Acta-Biomembr. 1838 (12), 3171-3190 (2014).
- Kraft, M. L., Klitzing, H. A. Imaging lipids with secondary ion mass spectrometry. Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell Biol. Lipids. 1841 (8), 1108-1119 (2014).
- Gilmore, I. S. SIMS of organics-Advances in 2D and 3D imaging and future outlook. J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (5), 050819 (2013).
- Muramoto, S., et al. ToF-SIMS Analysis of Adsorbed Proteins: Principal Component Analysis of the Primary Ion Species Effect on the Protein Fragmentation Patterns. J. Phys. Chem. C. 115 (49), 24247-24255 (2011).
- Brüning, C., Hellweg, S., Dambach, S., Lipinsky, D., Arlinghaus, H. F. Improving the interpretation of ToF-SIMS measurements on adsorbed proteins using PCA. Surf. Interface Anal. 38 (4), 191-193 (2006).
- Gustavsson, J., et al. Surface modifications of silicon nitride for cellular biosensor applications. J. Mater. Sci.-Mater. Med. 19 (4), 1839-1850 (2008).
- Deng, J., Ren, T. C., Zhu, J. Y., Mao, Z. W., Gao, C. Y. Adsorption of plasma proteins and fibronectin on poly(hydroxylethyl methacrylate) brushes of different thickness and their relationship with adhesion and migration of vascular smooth muscle cells. Regen Biomater. , 17-25 (2014).
