ファストナノ位置決めシステムを用いた単一分子FRET実験から構造情報

1.前提条件および実験器具注：測定室のアセンブリは、図3に示されています。石英ガラス（溶融シリカ）スライド、封止膜とフローチャンバーをシールカバースリップ：測定室のサンドイッチ設計は、3つの主要なコンポーネントを含みます。測定室は、カスタマイズされた試料ホルダーに取り付けられます。試料室と金属ホルダの寸法は、標準的な顕微鏡用石英ガラススライド（76ミリメートル×26 mm）のに適合するように連動されています。 図4に示す位置にダイヤモンドドリル（0.75ミリメートル）を使用して、石英ガラススライドをカット。石英ガラススライドのデザインは、各スライドの両側を区別するために非対称です。 注：表面が傷になるまで、石英スライドを測定した後に再使用することができます。 図5に示すようにチャンバをマウントするには、<カスタマイズされた金属試料ホルダーを使用します/ strong>の。サンプルホルダーは、入口と流れチャンバ出口チューブを接続するために、2つのスレッド（M4）を含みます。また、金属ホルダーに試料室をマウントするだけでなく、スレッド（M3）は、金属ホルダーの下半分に上にプリズムホルダを固定するためのスレッド（M3）を使用します。 プリズム型全反射蛍光顕微鏡（TIRFM）（ 図6）にsmFRET測定を実行します。 注：緑色（532nmで、のNd：YAGレーザ）とドナーの励起とアクセプター色素分子だけでなく、青色レーザー（491 nmの赤色レーザー（643 nmのダイオードレーザー）TIRFMは、3つのレーザを提供していますsmFRET測定の前に試料室のバックグラウンド蛍光不純物を漂白するための、ダイオード励起固体レーザー）。 3つのレーザビームは、空間的に合成され、音響光学チューナブルフィルタ（AOTF）を介して選択することができます。蛍光光は、高開口対物レンズによって集めドナーに分割し、受け入れれますまたはダイクロイックミラーを使用し、2 EM-CCDカメラに投影することによりチャネル。試料室は、二つのステッピングモータを用いてX方向及びY方向の移動を可能にするマイクロメータステージに取り付けられています。第三の圧電モータは、実験を通じて最適なフォーカスを確保するためにオートフォーカスシステムを構築するために、IRレーザー及び位置検出器と一緒に使用されます。 FRET時間軌道内のダイナミクスが25を観察している交互にレーザ励起（ALEX）を使用します。このようなダイナミクスは、分子内のコンフォメーション変化のいずれかによって、または受容輝度とアクセプタ点滅の変動によって引き起こされ得ます。 注：ALEXは、これらの2つの原因との識別を可能にし、動的FRET軌道の誤解を防ぐことができます。しかし、簡単のため、プロトコル部分は、ALEXことなく撮影映画の分析に制限されます。 注意：クラス3Bのレーザは、単一分子蛍光セットアップで使用されています。その適切なラことを確認してくださいシステムが作動する前に、SERの安全上の注意事項は、地方政府の規制に従って、取られています。 （材料および方法を参照されたい）、UV-VIS分光計での量子収率を決定するために使用される吸収測定を行います。 （材料および方法を参照）、ドナーの蛍光発光スペクトルを、アクセプターの吸収スペクトルと蛍光分光計で蛍光異方性の測定を行います。 公開された手順33に係る試料室を準備します。あるいは、[34]に記載の手順を使用することができます。 smFRETに適したドナー・アクセプター色素分子ペアで調査したサンプルにラベルを付け、試料室の表面上に固定化するためのビオチン部分があることを確認してください。 注：異なるサンプルの構築が必要とされる高速NPSソフトウェアで、未知のアンテナ色素位置をローカライズするために。すべての構築物のnEEDSは未知のアンテナ色素位置での1のラベルと結晶構造から知られている衛星の位置にラベルを1つ持っています。アンテナの位置に取り付けられた染料3つの異なる衛星位置との少なくとも3つの異なる構築物は、正確な結果を得るために必要とされます。アンテナ間ならびに衛星との間の測定もまた、精度を向上させるのに有用であるが、これは正しく解析で入力する必要がある色素分子の交換を必要とします。 カスタムホルダーに流れチェンバースの2取付中空タブのネジ（M4）にシリコンチューブ（0.8ミリメートルのID、2.4ミリメートルのOD）を引いて、鋭利なカミソリの刃を使用して、まっすぐ両側に1センチメートルのオーバーハングを残して両端にチューブをカット。タブスクリューの一方の側に約2mmのチューブのオーバーハングを調整します。 石英ガラススライドの穴は、試料ホルダーにスレッドを一致させるような方法で試料ホルダーにフローチャンバーをマウントします。締め付けます入口と出口のネジを静か試料室の入口および出口がまだ浸透していることを確実にします。ゆっくりとフローチャンバーの位置を固定するためにアクリルガラスホルダーの4本のネジを締めます。 長さ20cmの片にシリコンチューブ（0.58ミリメートルのID、0.96ミリメートルのOD）をカットします。入口と測定室の出口ネジ個の1を挿入します。クランプを使用して、入口と出口チューブを閉じます。 注：組み立てられたサンプルチャンバは、最大2週間室温で保存することができます。 TIRF顕微鏡3. smFRET測定 PBSの500μLと試料室を洗浄するために注射器を使用してください。異なる緩衝液に変更する前に、入口管の端部で液滴を生成することにより、常にサンプルチャンバに入る気泡を防ぎます。 100μLのニュートラ（PBS中の0.5mg / mL）の溶液を試料室をフラッシュし、室温で15分間インキュベートします。 ウォッシュPBSの500μLとニュートラソリューションアウト。 試料室の上にプリズム用の金属ホルダーをねじ込みます。 TIRF顕微鏡のマイクロメーターステージに試料室をマウントします。プロセスをスキャン中にデフォーカスを回避するために、対物レンズの前面に水平にできるだけまっすぐ試料室をマウントすることを確認します。 EM-CCDカメラとステージのピエゾモータを制御するためのソフトウェアを制御するソフトウェアを起動します。 IRレーザーの反射を見て、顕微鏡対物レンズの焦点を調整します。 金属プリズムホルダの上にプリズム（PS991はn = 1.52）を配置します。レーザ光がプリズムはその後、接着剤を使用し、5分間UV光でインキュベート打つことを確認するために、プリズムの横方向の位置を調整します。 注：マウントされたプリズムは、洗浄により再利用することができます。 カメラ制御ソフトウェアクリックし、「設定の取得」では、以下の取得パラメータを定義します：100ミリintegratイオン時間、401フレーム/映画（緑カメラ）、400フレーム/映画（赤カメラ）、電子乗算器は14ビットで225、プリアンプのゲイン5倍と読み出し速度は3MHzを得ます。 測定のためのローカルハードドライブ上のフォルダを作成します。年月日、 例えば 、測定・ファイルの任意の名前を選択してください。設定が「自動保存」ライダーに行くソフトウェアでは、「自動保存」を有効と*映画の取得のための.sifをファイル形式を選択します。ハードディスク上のフォルダを選択します。 filestemとしてフォルダ名を使用してください。 「自動インクリメント」機能（1に設定された開始値）を有効にします。ファイル名に、オペレータの付着を有効にします。それぞれ、ドナーとアクセプターチャネル用の「DON」と「ACC」を使用してください。セパレータとして「_」を選択します。 カメラ制御ソフトウェアの「ビデオ」をクリックするすべての3つのレーザの最大レーザー強度を使用して、試料室をスキャンすることによって、カメラと漂白剤バックグラウンド蛍光のライブ画像を開始する（コムbined≈3,000W / cmの視野あたり2 10秒）。 青色レーザーのスイッチをオフにします。交互レーザー励起（ALEX）が使用されている場合は約200 W / cm 2の赤色レーザのための約40ミリワット/ cm 2の緑色レーザの強度を低下させます。 50-100 PMの濃度になるように、ビオチン化蛍光試料を希釈します。溶液100μLをロードします。サンプルは、結合時にチャンバ表面に固定化されます。 注：室が過負荷にならないことを確認してください。隣接する分子は互いに分離されなければなりません。 必要に応じて、チャンバに2倍以上の濃縮サンプルの追加の100μLをロードします。 ローディングが完了した後、クランプを使用して測定チャンバの入口および出口チューブを密封します。 すべてのレーザーのスイッチをオフにし、さらにフローチャンバーに2つの視野を移動するために、ピエゾモーターを使用しています。 カメラ制御ソフトウェアでは、動画の撮影やスイッチを開始するには、「テイク信号」をクリックしてください同時にレーザーに。分子の80％以上は、レーザーパワーを調整することにより、映画の終わりまでに漂白されていることを確認。 繰り返して、全体prebleachedサンプルチャンバ領域のための3.17と3.18を繰り返します。 トランスフォーメーション・マップの4買収（「beadmap」） セクション1.1、1.2及び2に記載されているようにフローチャンバーを準備します。 ドナーとアクセプターチャネルで蛍光発光を示すアビジン被覆蛍光マルチスペクトルビーズを使用してください。 1分間ボルテックス株式を、次いで別の10秒ボルテックス、1〜2分の超音波処理、1分間再び50μLのddH 2 O渦に株式の50μLを希釈。 smFRET測定（セクション3.5から3.10）について記載した手順を実行します。 フローチャンバー内に2希釈した蛍光ビーズ：1の負荷100μL（1室容積）。表面に結合する蛍光ビーズのために10分を待ちます。 3.9で取得パラメータを使用しますが、ちゃんGEムービー26までの長さ（緑カメラ）、25（赤カメラ）と10の電子増倍ゲイン。 20 W / cm 2の値に緑色レーザーの強度を設定します。 約50-100ビーズで視野で映画一本を取ります。 5.処理および解析smFRETデータの取得した映画（材料および方法を参照）beadmapの分析のためのカスタム書かれたソフトウェアSMのFRETを使用してください。プログラムviewPlot1.mを起動します。 解析にクリック|バッチ分析、それが使用されていない場合は、「ALEX」オプションをオフにします。最高のパフォーマンスを実現するために「高」ピーク検出のしきい値を選択します。 「OK」を押します。 beadmapが既に解析されているかどうかを尋ねられたときに「NO」を選択します。取得beadmapを含むフォルダを参照し、（それをダブルクリックして）* .sifファイルを選択します。次のダイアログウィンドウでボタンを押すと、「OK」。 注：beadmapはすでに前の尺度で分析している場合メントは、ここで「YES」を選択し、beadmap * .MAPファイルに正しいフォルダをダブルクリックに参照して保存したbeadmapを選択します。ステップ5.8に進みます。 視野の対角に位置する2つの単一のビーズを選択してください。画素強度は、色分けされたダークブルー（低強度）から暗赤色（高輝度）にあります。 最初のビードの中心をクリックします。分子の中心が色分けによって明確に配置することができた場合は、「YES」を選択または他の「NO」をクリックし、別の分子のペアを選択します。 「KEEP」最大強度とプレスを示すピクセルに十字線を配置します。第二のチャネルを使用してプロセスを繰り返します。 反対側の隅に分子をクリックし、手順5.5と5.6を繰り返します。 注：2つのチャネルの相対的なピクセルシフトがコマンドウィンドウに表示され、変換マップが自動的にbeadmap * .sifファイルを含むフォルダに* .MAPファイルとして保存されます</李> 「バッチ分析」のために、ドナーとアクセプタームービー（*の.sif）をロードするには、分析されなければならないすべてのムービーを選択し、フォルダを参照し、「OK」をクリックしてください。次のダイアログウィンドウで、「OK」を押します。 注：コマンドウィンドウに表示された最後のレーンで始まる時にバッチ分析が終了した「完成分析…」。検出された分子はまた、ドナーと変換マップから求め受容チャネルの相対的なシフトを示し、新しいウィンドウに表示されます。 ロード|バッチ処理動画ファイルは、ファイルをクリックしてロードします。それが使用されていない場合はオプション「ALEX」をオフにします。 10にsmoothwidthを設定し、「OK」をクリックします。 * .ttrファイルを含むフォルダを選択して、次のコンテキストメニューで「すべて選択」と「OK」をクリックしてください。 表示されたトレースが特徴smFRETフェーズ（ 図2）を備えていた場合はトグルボタンを押して、最初の「選択しない」とマウスカーソルで行を移動し、マウスの左ボタンをクリックすることで、FRETイベントの開始時刻を選択します。次に受容体分子の漂白およびドナー分子の漂白の最後に時刻の時点を選択します。 次のウィンドウでFRET効率が青でプロットされています。トレースプレスを選択するには「はい」ボタンを押して、そうでない場合は「いいえ」を選択します。再アクセス時間トレースするには、「前へ」ボタンをクリックします。 映画の最後の分子までの手順を繰り返します。 "|ファイルの保存」映画の中で最後の分子を分析した後をクリックして選択したトレースを保存します。 *の.sifファイルと同じフォルダに選択された痕跡を保存します。 繰り返しは、取得した全ての映画の5.10から5.13までを繰り返します。 プログラムcombine_fret_results.mを実行します 。 * .resファイルのファイルとすべての* .FRETonly_traceファイルを含むフォルダを選択します。 MW.datのような分子単位のFRETとフレーム単位のFRETファイルを保存し、それぞれFRW.dat、。 注：* .datファイルをASCIIファイルとして保存されます。 FRW.datファイルには、各FRETフレームのための6つの列と1行が含まれています。第6列は、補正フレーム単位のFRET効率が含まれています。 MW.datファイルには、21列と選択されたFRET分子ごとに1行が含まれています。 3列目は、分子単位のFRET効率が含まれています。 6.ヒストグラムでsmFRETデータの表示注：すべての記録smFRETデータの平均smFRET効率を抽出するために、フレーム単位のデータまたは分子単位のデータをヒストグラムにプロットし、ガウスは、（複数の）ピークにフィット用いて分析されます。以下では、プロトコルは、（材料リストを参照してください）商用データ解析ソフトウェアを使用しています。しかしながら、任意の他の利用可能なソフトウェアを代わりに使用することができます。 データ解析ソフトウェアを開きます（材料リストを参照してください）。インポート| |複数のASCIIファイルをクリックします。 FRW.datファイルを含むフォルダを選択します。ファイルを選択し、を押して "OK＆＃34 ;.変更せずに「OK」と入力オプションを受け入れます。 統計| |ヒストグラム補正されたFRET効率を含む3番目の列C（Y）を選択し、列を選択しプロット上で右クリックします。ヒストグラムウィンドウで列をダブルクリックし、「自動ビニング」を選択解除し、所望のビンサイズ、 例えば 、0.05を選択します。また、例えば 、-0.025および1.025を最初と最後の値を選択します。 それらを左クリックすることにより、ヒストグラムの列を選択します。次に右クリックして「ビンのワークシートに移動」を選択します。その上で左クリックし、「カウント」列を選択し、右クリックして選択プロット|コラム/バー/パイ|コラム。 フィッティング| |非線形曲線フィット| [開く]ダイアログ列バープロットでは分析に移動します。 「パラメータ」ライダーに行く[関数の下に「ガウス」を選択します。自動パラメータ初期化の選択を解除します。 「フィット」に0をクリックでオフセット値（Y0）を修正しました。 注：フィット関数だけでなく、フィッティングデ尾部は、現在の列プロットに表示されます。 「XC」値はフィット機能、 すなわち、NPSのソフトウェアのための入力パラメータとなる平均FRET効率の中心を与えます。 量子収率の7測定ウルトらによって記載した手順と同様の相対的な方法で量子収率の決意を実行します。 35、標準としてのエタノールに溶解ローダミン101（QY = 91.5％）を使用。 1cmの経路長の吸収キュベットに80μLの容量を用いてUV-VIS分光計で記録吸収スペクトル。蛍光励起のために使用される波長での吸光度は0.05≤なければなりません。 光子計数モードで動作ランプにキャリブレーションスペクトロメーター上のレコード発光スペクトル。 SPECTRを使用してパス（マジック角条件）を励起（0°）にグラントムソン偏光子で測定を行い、放出（54.7°）それぞれ約5 nmおよび励起および発光モノクロメータ用2.5nmで、のアル帯域幅。計数率は10 6秒を超えないように注意しながら3mmの経路長と蛍光キュベットに転送-1後メジャーサンプル。 に従って量子収率を計算しますここで、nおよびn stdがそれぞれ、サンプルの溶媒および標準の屈折率です。 F（λ）とf_Std（λ）は波長λにおけるサンプルおよび標準の蛍光強度です。 （λEX）とstd（λexは ）励起波長でサンプルとリファレンスの吸光度であり、Φのstdが標準の量子収率です。 ル "> 8。等方性フォルスター半径の計算 （等方性のフェルスター半径を計算します ）ドナー分子の発光スペクトルから、アクセプター分子の吸収スペクトルは、ドナーの量子収量及び媒質の屈折率。の計算のためのフリーウェアPhotochemCADを使用します 。しかし、任意の他の利用可能なソフトウェアは、代わりに36を使用することができます。 異方性の9.測定様々な励起/発光の偏光設定で蛍光スペクトルの記録から定常状態蛍光異方性を決定し（V / V、V / H、H / V、H / H）36。 からの波長ごとに、楽器の偏光アーティファクトを補正するG-係数を計算比各波長に対する異方性の値を計算するために使用します。 ここで、IをXYは 、励起偏光xおよび発光の偏光Yの強度を示します。 定常状態の蛍光異方性を計算するために、発光スペクトルの範囲にわたって値を平均します。 高速NPSソフトウェアの10.インストール http://www.cgl.ucsf.edu/chimeraからUCSFキマイラをダウンロードし、インストールガイドに従ってください。 「生物物理学研究所」のウェブサイトにアクセスしてくださいウルム大学：https://www.uni-ulm.de/en/nawi/institute-of-biophysics/software.html。高速NPSの現在のバージョンをダウンロードし、任意のフォルダに展開します。 「再頒布可能」サブフォルダを開き、システムに適したのVisual C ++再頒布可能パッケージをインストールします。 11. PDBファイルをセンタリングキメラの関心のPDBファイル（複数可）を開きます。高分子複合体の全ての原子を選択し、重心の座標計算（ツール|構造解析|軸/プレーン/重心|重心を定義… | [OK]を）。 および変換ツール（ツール|運動|座標を変換）|返信ログ（ログを返信お気に入り）を開きます。座標を変換ウィンドウのテキストボックスに「シフト」への返信ログに示す重心の座標を入力し、すべての座標の符号を変更します。押して「適用」と「保存PDB」（ファイル|保存PDB）を使用してファイルを保存します。 12.設定ポジション事前確率アップ注：すべての値はオングストロームで考慮されています。 テクニカルコンピューティング言語を起動し、ローカルファーストNPSフォルダに現在のフォルダを変更します。コマンドウィンドウに入力します：FastNPSを。 プロジェクトマネージャー（|新規プロジェクト）に新しいjobfileを作成します。 位置を設定する前に（[ツール|型式染料前）。 パネルでは「先行基本は「その値を入力して、前の位置の空間分解能を定義する（2を推奨）。 チェックボックスを活性化し、「ロード・PDB」ボタンをクリックすることで、高分子の内部を除外します。第11節で説明したように中心にPDBファイルを選択し、ロードします。 その値を入力して、色素のおおよその直径を（13Åが推奨され、議論を参照）を指定します。 スケルトンの距離を入力し、 すなわち、距離色素分子は、（2Åを推奨）、高分子に浸透することができます。 の中に（：[-150150]で[-150150]中のx、[-150150]におけるy、zの推奨）のパネルは、「最大前サイズは、「位置の前の最小と最大の座標を入力します。 衛星を定義する場合、パネルに「先行基本を「チェックボックス」柔軟なリンカーを介して添付ファイルを「活性化し、パネル「リンカー」で色素分子が結合している（中心PDBファイル内の）原子の座標を入力します。さらに、（13Åと4.5Åが推奨され、議論を参照）の長さとその値を入力して、リンカーの直径を指定します。アンテナの場合にはこの点をスキップします。 「アクセス可能な体積を計算する」ボタンを押してください。 前の位置を保存し、必要に応じて、キメラなどのソフトウェアを使用して可視化の目的のためにそれをエクスポートします。 ネットワークジオメトリの定義13 定義計測ウィンドウ（|編集ジオメトリモード）を開きます。 お尻を押して、新しい色素分子を作成します。パネルで「新規」「染料」について。 値を入力して、その蛍光異方性（第9節）を設定し、ドロップダウンメニュー「染料モデル」内の染料のモデルを選択します。 ボタン「ロード」を押して、前に対応する位置を選択して、色素の活性化]チェックボックスをオンにします。すべてのアンテナだけでなく、すべての衛星のために、すなわち 、すべての色素について、この手順を繰り返します。 すべての染料を作成した後、測定値を定義します。パネル「測定」で「新規」をクリックして、新しい測定値を作成します。 ドロップダウンメニュー「Dye1」と以下の「Dye2」でのFRETパートナーを選択します。 エラーとsmFRET効率と、この色素対の等方性のフェルスター半径を入力します。 最後に、測定のアクティブ化チェックボックスをオンにします。すべての測定について、この手順を繰り返します。 注：ユーザーが混乱する可能性がありますように、多くの場合、ネットワークは、ますます複雑になります。プリベンするために、トンのミスは、「チェックネットワーク」ボタンを押すことで、視覚的にネットワークを確認してください。図は、活性化された染料を表示し、FRET染料を相互接続線を介して測定値を示しています。 14.計算 （|計算モード）計算ウィンドウを開きます。 ネットワーク内のすべての染料が割り当てられた特定のモデルを持っている場合は、「ユーザー定義」を選択し、「計算」を押して計算を開始。同じモデル内のすべての色素を持っているために、5つのモデル（古典的な、イソ、meanposイソ、VAR-meanpos – イソおよびVAR-meanpos）のいずれかを選択して続行します。 注：コマンドウィンドウは、計算の進行状況を示します。計算が完了したときに高速NPSは、ポップアップメッセージでそうなります。 結果の15.可視化染料の信頼できるボリュームをエクスポートするためには、結果の表示画面（|結果の表示モデル）を開きます。 エクスポート色素濃度： 輸出する単独で、またはすべて同時に染料。単一の色素がパネル」が表示染料」を押して「エクスポート密度」で選択エクスポートするために。解像度（2をお勧めします）を入力し、輸出用のファイルの種類を選択します。右側の密度がプレビューされ、その数学的特性の一部が示されています。 すべての色素をエクスポートするためには、同時に「バッチエクスポート」を押してください。 キメラが生じ密度ファイルを開きます。 選択されたモデルの組み合わせの16整合性チェックビューの結果ウィンドウを開きます（モデル|結果の表示）。パネル「計算情報」テキストボックスに「一貫性」の値よりも低い90％が表示された場合、現在のモデルは、十分に測定smFRET効率を表すため、矛盾していません。 矛盾の場合はボタン「詳細一貫性」を押してください。 90％以下の値を持つ測定を検索します。一つ以上の染料の場合sは主にこれらの測定に関与している、彼らのモデルは矛盾を引き起こす可能性があります。これらの色素のための異なる色素のモデルを検討し、高速NPS計算を再実行します。