נתמכת solid, נטול חלבון, כפול פוספוליפיד bilayer ממברנות (DLBM) יכולה להיהפך מורכב ודינמי, השומנים nanotube רשתות, יכול לשמש מלמטה למעלה 2D, דגמי רשתית תוך-פלזמית.
אנו מציגים שיטה נוחה כדי ליצור מודל מלמטה למעלה מבניים אברון תוך-פלזמית (ER). המודל מורכב צינורות lipidic צפופה, כי הם, מורפולוגיה, דינמיקה, מזכיר את חדר המיון. הרשתות נגזרות פוספוליפיד bilayer זוגי ממברנה תיקונים הקפדה על מצע3 שקוף של2O Al. הדבקה מתווך על ידי Ca2 + במאגר של תאורת הסביבה. דלדול עוקבות של Ca2 + על-ידי BAPTA/EDTA גורמת הכחשה של הקרום, וכתוצאה מכך היווצרות רשת nanotube ליפיד ספונטנית. השיטה כוללת phospholipids ו משטחים microfabricated פשוט היווצרות מודל ER ורק אינו דורש התוספת של חלבונים או באנרגיה הכימית (למשל, GTP או ATP). בניגוד המורפולוגיה תלת-ממד של הסלולר רשתית תוך-פלזמית, המודל הוא דו מימדי (אף על פי מידות nanotube, הגיאומטריה, מבנה, ואת הדינמיקה נשמרים). מודל זה ייחודי במבחנה המיון מורכב רק כמה רכיבים, קל לבנות, ואני יכול להיות שנצפו תחת מיקרוסקופ אור. המבנה שנוצר מעוצב נוספות לקבלת פונקציונליות נוספת, כגון התוספת של חלבונים הקשורים במיון או חלקיקים כדי לחקור תופעות תחבורה בין הצינורות. הרשתות מלאכותי המתוארים כאן אינם מתאימים מודלים מבניים עבור הסלולר המיון, מורפולוגיה אופיינית ייחודי אשר הוכח להיות קשורה תפקידה ביולוגי, ואילו פרטים לגבי היווצרות של התחום צינורי, rearrangements בתוך עדיין לא לגמרי מובנים. נציין כי שיטה זו משתמשת Al2O3 דק-הסרט-מצופה מיקרוסקופ coverslips, אשר זמינים מסחרית אבל דורשים הזמנות מיוחדות. לכן, מומלץ לך גישה למתקן מיקרו-מלאכותית להכנה.
המיון מבצעת משימות מכריע התא הביולוגי כולל קיפול חלבונים, בסינתזה השומנים של סידן בתקנה1,2. המורפולוגיה ER הוא מהותי הפונקציות שהיא מבצעת. הוא משלב ערימות מישורי ותחומים צפופה דיינמיק צינורי, אשר ברציפות אינטראקציה עם שלד התא ומבצעת תנועה מתמדת, שחלוף. חלק שיפוץ מבנים מיון עוברים כוללות שינוי רציף בין הסדינים מישורי צינורות, היווצרות שלפוחית מ או פיוז’ן ER לומן, התארכות של צינורות הקיימת מראש, שפופרת הכחשה, fusion ושבירה3. המבנה המיוחד של הרשתות הכרישים הוא שלילי אנרגטית. המסלולים ואת המנגנונים שבאמצעותו המיון יוצר ושומר על שהארגון כמו גם איך זה מתייחס תפקידה הוא לא עוד מובן במלואו4,5.
זה ידוע כי המיון בתקלות כאשר הוא מאבד את מצב homeostatic שלו, וכתוצאה מכך ER מתח, מחלה הנגרמת על ידי עלייה סינתזה של חלבון, הצטברות של חלבונים misfolded, או שינויי Ca2 + ואיזון חמצוני. ER סטרס בתורו גורם דפורמציה של המורפולוגיה הטבעי של אברון, במיוחד על ידי מטריד את רשת הארגון6,7. כתגובה, התא מפעיל מנגנון תיקון כדי להחזיר למצב homeostatic. כשל תיקון יכול להוביל תא ER-induced אפופטוזיס, אשר תורמת מספר מחלות מטבוליות ניווניות כגון מחלת אלצהיימר, סוכרת סוג 2, מחלת פרקינסון, נוירודגנרטיביות ועוד מספר7, 8. המחקר הנוכחי מטרות הארגון של רשתות מיון צינורי, מספר מחקרים מתמקדים לשחזר את חדר המיון במבחנה2. קיימים מספר מודלים2,9,10 מחייבים חלבונים ליזום, לשמור על קרום עקמומיות3,11 ולעזור את אברון להגיע צורתו. . בבירור, מערכות מודל זה מראה כמה מן התכונות העיקריות מבניים וארגוניים של המיון ולספק גישה ללימודים מתקדמים ניסיוני הן ביקוש גדול.
אנו מציגים כאן נהלי ההכנה של חלבון/כימי נתיישב, אנרגיה חופשית, דינמי במבחנה מודל המיון, מתן פלטפורמה בסיסית ללמוד מורפולוגיה ER ו המשויכים פונקציות4. בשיטה זו, מודל ER מפוברק עם גישה מלמטה למעלה באמצעות מספר רכיבים בלבד, בו המולקולות של עניין ניתן לשלב להוספת המורכבות. הרשת מייצגת מבנה אר ואת הדינמיקה. יתר על כן, השינוי הפיך בין קרום מישוריים הצינורות, היווצרות שלפוחית צינורות, שפופרת פיוז’ן, הזזה, הכחשה כל ניתן לעקוב אחר. בנוסף למנה כמודל מלמטה למעלה עבור המיון שהיישום הבין תאית, המסלול השומנים לרשתות nanotube שמתואר פרוטוקול זה יכול להיות ישימים עבור החוקרים ללמוד הרכבה עצמית, nanofluidics, מולקולה בודדת, קולואיד תחבורה תופעות, ס שלושה קמפוסים: זרימה, נלווים אחרים שדות. אבני הבניין מולקולרית רק בשימוש בשיטה שלנו הם פוספוליפידים. הפרוטוקול מחייב עבודת מעבדה קטנה וציוד בסיסי והוא נגיש עבור שילוב של אלמנטים נוספים.
בדיון הבא, מתוארים שלבים קריטיים, שינויים אפשריים, מגבלות של הפרוטוקול. השלב הקריטי הראשון הוא הרכבה נכונה של החדר תצפית, בהתחשב בכך הידבקות של המסגרת PDMS אל פני השטח3 2O Al היא ביסודה החלשה. במקרה שבו המסגרת לא לדבוק המצע כראוי, התוכן ידלוף מן החדר תצפית, הניסוי יבוא לקיפאון. הגורמים העיקריים המעכבים הנכון איטום של פני השטח, מסגרת 1) חוסר ניקוי יסודי של המסגרת PDMS (שימוש חוזר), 2) אוויר בבועות שחלפו מעת לעת לקבל לכודים בין מסגרת המצע. אמור לשמש מסגרת PDMS שזה עתה מוכנים או נקי ביסודיות. המסגרת צריך לשטוף לפני וגם אחרי כל שימוש, עם אלכוהול איזופרופיל, ואחריו שטיפה במים DI ו האפרקאי עם חנקן. Al2O3 המשטחים אינם מצריכים כל ניקוי מוקדמת, מאז הם מפוברק בסביבת חדר נקי, המשיך במיכלים אטומים עד השימוש. בשל אופיו amphoteric של2O3, זה אסור לחשוף לפתרונות חזק חומצי או בסיסי. עיצובים אחרים עבור תא תצפית יכול להיות מועסק, בהתאם נגישות של ההתקנה בודדים. תכונות חשובות של החדר הזה הם גישה חופשית לדגימת הנוזל העליון פתוח, את inertness של החומר מסגרת ביחס דגימות והפתרונות בשימוש. מידות החדר הם גם גורם משמעותי, הם צריכים להכיל אמצעי אחסון של 0.5 עד 1 מ”ל. מאז המשטחים בשימוש coverslips בדרך כלל בגודל סטנדרטי (24 x 60 מ”מ), הנפח של התא נקבעת בעיקר לפי העובי של המסגרת. לידע שלנו, מפרידי עם גודל ועומק אשר יכול להכיל את אמצעי האחסון מדגם מטופלים בדרך כלל בפרוטוקול זה אינם זמינים מסחרית. לכן הקדשנו מקטע בפרוטוקול פרטים על הזיוף והרכבה של מסגרת הדגימה קאמרית.
השלב הקריטי אחרים בפרוטוקול הזה הוא מאגר החליפין. אתגר בשלב זה הוא לוח הזמנים הנדרשים לביצוע עסקת החליפין הזו. הפצת קמפנילה MLV לאחר יצירת קשר עם המצע3 2O Al היא מיידית, הרחבת רציפה DLBM שמוביל שלה קריעה, הפסקת הניסוי (איור 2א, ב’). לכן, המריחה צריך להיות פיקוח מתמיד, ההחלפה מאגר חייב להתבצע באופן מסודר. צריכה ההחלפה לא להתבצע מהר מדי לאחר אתחול של המריחה, על מנת לאפשר את המדבקות ממברנה להגיע לגודל של האופטימלית (100-200 מיקרומטר בקוטר). מצד שני, אדהזיה מתמשך על פני גורם מתח הממברנה גבוהה, מה שמוביל קריעה. לפיכך, כל קרום טלאים בסופו של דבר קרע אם הפצת אינה נקטעת. העיתוי של קריעה שונה עבור כל תיקון, כיוון שהוא תלוי על הגודל ועל המבנה הפנימי של קמפנילה MLV ונגישות של ליפידים המצוי בו. לפיכך, מהרגע ההחלפה צריך להיות מסודרים כך timepoint בו המדבקות לא קרע עם גדלים אופטימליים מייצגים את רוב האוכלוסייה כולה. אתגר נוסף שלב מאגר exchange הוא הקצב של הסרת תוספת של המאגרים. ביצוע החלפה זו מהר מדי יש השפעה מזיקה על המבנים ממברנה הסופי (איור 2C-E). החילוץ מוגזמת של Ca2 +– HEPES מאגר מבלי להשאיר דקה בסרט נוזלי על המצע, תוצאות בכתמים יבשים, בלתי הפיך מעוות קרום (איור 2C). גם אם כמות נאותה של נוזל נשמר על פני השטח, תוספת פתאומי של המאגר Chelator-HEPES גם גורם ההפרעות של המבנים ממברנה. איור 2 D,E מציג את מראה טיפוסי של הממברנה hydrodynamically שיבשו מדבקות. השיבוש מורפולוגי באופן כללי אינה משפיעה בהכרח המאפיינים דינמי של המבנים הסופי (קרי, rearrangements צינורי באזורים שנותרו עדיין תתרחש). עם זאת, זה יהפכו להיות קשים להתבונן ההמרה החומרית על מבנים מעוות לדוגמה, באיור 2D, זה יהיה קשה לקבוע את הכיוון לעבר אשר המופרע קמפנילה MLV DLBM.
שינוי אפשרי אחד של הפרוטוקול הוא הרכב השומנים נעשה שימוש. המוקד העיקרי כבר על פוספוליפידים שולטים ההרכב ER ביונקים, שמרים16 (e. g., phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), ו- phosphatidylinositol (PI). הניסויים המקורי בוצעו באמצעות תערובות של PC ו- PI-4. התוצאות שהוצגו, תערובת של PC וסמים, נגזרת של PE שימשה. עם זאת, לא כל השומנים שרירותי יצירות נמצאו כדי ליצור את מבנה צינורי שהושג דרך פרוטוקול זה. כמה תערובות השומנים השפעול ובדוקים אחרים כרוכים הלב הכולל תמצית תמצית שעועית סויה קוטבי, e. coli תמצית קוטבי, תערובות של PC עם stearoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphoinositol (Lyso-PI) ביחסי בדרגות שונות, תערובות של PC-PE-פאי-Posphatidyl סרין (PS) ביחסי בדרגות שונות. מאז ממברנה צינורי מבנים בעלי עקמומיות גבוהים ודורשים סידור מיוחד של מולקולות ליפיד בודדים, הוא צפוי כי התופעה נצפתה הוא ליפיד הרכב הספציפי.
שינוי אחר יושמו פרוטוקול זה היא שיטת ייצור משטח. . הנה, אלד שימשה לפברק את Al2O3 מצופה coverslips. זה שונה מן השיטה במקור דווח על התצהיר, תגובתי sputtering4. בעוד זה מציין כי שיטת ייצור שטח חלופי יכול להוביל עדיין tubulation כמו אי. אר, מגבלה חשובה אחת נראה יחודיות של החומר משטח. המצב של התפשטות והעוצמה של אדהזיה תלויה מאוד תכונות החומר פני השטח, אשר משפיעים על גורמים כגון אלקטרוסטאטיות, wettability, hydrophobicity, חספוס פני השטח. Al2O3 משטחי מספקים חוזק אופטימלי, השומנים סרטים יכולים שניהם לצרף בעוצמה מספיקה להתפשט כמו קרום bilayer השומנים זוגי ולנתק לרשתות צינורי טופס בעת הסרה של Ca2 + יונים. . בדקנו בעבר על אותו ניסוי עם SiO2, בה השלפוחיות המוגלתיות multilamellar התפשטה כל קרום bilayer השומנים כפול, אך אין היווצרות רשת צינורי נצפתה על תוספת של chelators17– מצורף והתבקשתי ויצירת שפופרת הם נצפו רק על2O3 או פלזמה חרוט Al18. החקירות שלנו גילה כי הפרמטר התורמים שמוביל תופעה שכזו הייתה זיטה פוטנציאל של המשטחים, אילו באל, Al2O3 היו קרוב לאפס (mV) SiO2 שלילי באופן משמעותי. פוטנציאל זטה של בורוסיליקט דומה2SiO19; לכן, הידבקות של השומנים סרטים על בורוסיליקט הוא לא פחות חזק ובלתי הפיכה. למעשה, השומנים multilamellar מאגר מגע עם משטחים בורוסיליקט בדרך כלל מוביל היווצרות ליפיד יחיד bilayers20ולמסמנים מיידית. Al2O3 משטחים הנדרש עבור פרוטוקול זה אינם זמינים בקלות או מסחרית. עם זאת, ניתן מותאמת אישית-הורה מיצרנים זכוכית, המצע מיוחדים. גישה למתקני חדר נקי עם סרט דק ייצור ציוד מומלץ מאוד.
קיימים מלמטה למעלה השיטות האחרות כדי לבדות רשתות צינורי, כמו אר2,10 לערב חלבונים, כמו גם קלט אנרגיה כימית (למשל., GTP ו- ATP). רפופורט ועמיתיו2 דיווחו היווצרות של ER-רשתות על זכוכית coverslips במבחנה על ידי ערבוב החלבונים מעוקלת ממברנה נוכח בחדר המיון, עם phospholipids ו GTP. העבודה על-ידי. Bachand et al. 10 מראה איך רשתות צינורי דינמי כאלה יכולים להיווצר באמצעות המנועים המולקולריים ו- ATP כמקור אנרגיה. פרוטוקול זה הציג אינו דורש קרום חלבונים או הידרוליזה של תרכובות אורגניות לאנרגיה. הרכיבים החיוניים בלבד הם מצע מוצק פוספוליפידים. טיהור והפקת חלבונים אינם נדרשים. פרוטוקול זה מספק, מבחינת הפשטות של מולקולות מכוננת, המודל ER הבסיסיים ביותר.
בסיסי, המבוססים על השומנים ER מודל זה הוקמה, בניית מורכבות על ידי הוספת רכיבים הקשורים ER יש עניין, המאפשרת חקירה של הפרט משפיע על המערכת. בדומה הרשתות ER בפועל, צינורות במודל הם דינמיים. ההטיה כדי והעברה של חלבוני ממברנה שכותרתו או חלקיקים פלורסנט ברחבי הרשת צינורי, רשאי למסור מידע על כיוון התנועה ממברנה. כימוס וניטור של נוזלים פלורסנט בתוך DLBM צינורות במהלך השינוי, מיפוי אפשרי של התחבורה תוכן intratubular עשוי לשמש מוקד אחר. בסופו של דבר, מעבר מהמודל ER 2D הנובע פרוטוקול זה לעבר דגם תלת-ממד ER חלק עשוי להיות מאומץ דרך ומגעים הרשתות הידרוג ארכיטקטורות.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים Jesorka אלדו פרופסור מאוניברסיטת צ’אלמרס של טכנולוגיה בשבדיה על דבריו שלא יסולא בפז על כתב היד. עבודה זו התאפשרה באמצעות תמיכה כספית המתקבל המענק פרוייקט מחקר המועצה של נורבגיה (Forskningsrådet) 274433, UiO: סביבת התכנסות מדעי החיים, גרנט 2015 פרוייקט מחקר שוודי המועצה (Vetenskapsrådet)-04561, כמו סטארט-אפ המימון הניתנים על ידי המרכז לרפואה מולקולרית נורבגיה & הפקולטה למתמטיקה ומדעי הטבע-אוניברסיטת אוסלו.
Pear-shape flask 10 mL | Lenz Laborglasinstrumente | 3.0314.13 | In which the lipid mixture is prepared |
Hamilton 5 mL glass syringe (P/N) | Hamilton | P/N81520 | For transfer of the chloroform to beaker |
Custom large hub needle Gauge 22 S | Hamilton | 7748-18 | Removable needle for syringe specified in row 3 |
Hamilton 250 µL glass syringe | Hamilton | 7639-01 | Used for transfer of lipids in chloroform to the flask |
Large hub Gauge 22 S | Hamilton | 7780-03 | Removable needle for syringe specified in row 5 |
Hamilton 50 µL glass syringe | Hamilton | 7637-01 | Used for transfer of fluorophore-conjugated lipids to the flask |
Small hub Gauge 22 S | Hamilton | 7770-01 | Removable needle for syringe specified in row 7 |
Chloroform anhydrous (≥99%) | Sigma-Aldrich | 288306 | Used to complete the lipid mixture to a total of 300 µL |
Soy L-α Phosphatidyl choline lipid (Soy PC) | Avanti Polar Lipids Inc | 441601 | phospholipid species contributing to 69% of the total composition/mixture |
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE) | Avanti Polar Lipids Inc | 850725 | phospholipid species contributing to 30% of the lipid composition/mixture |
L-α Phosphatidyl inositol lipid (Soy PI) | Avanti Polar Lipids Inc | 840044 | alterative phospholipid species contributing to 30% of the lipid composition/mixture (from the original article Bilal and Gözen, Biomaterials Science, 2017) |
Texas Red 1,2-dihexadecanoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine,triethylammonium salt (Texas Red DHPE) | Invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | T1395MP | Fluorescent-lipid conjugate, 1% of the lipid composition/mixture |
Digital Dry Baths/Block Heaters | Thermo Fischer | 88870006 | To warm glycerol in order to decrease its viscosity |
Glycerol for molecular biology (≥99%) | Sigma Life Science | G5516 | For lipid preparation |
PBS buffer (pH=7.8); ingredients below in rows 17-21 | Used to prepare the lipid suspension | ||
TRIZMA base, primary standard and buffer (≥99%) | Sigma Life Science | T1503 | Used to prepare PBS buffer |
Potassium phosphate tribasic, reagent grade (≥98%) (K3PO4) | Sigma-Aldrich | P5629 | PBS buffer ingredient |
Magnesium sulfate heptahydrate, BioUltra (≥99,5%) KT (MgSO47H2O) | Sigma Life Science | 63138 | PBS buffer ingredient |
Potassium phosphate monobasic, anhydrous, free flowing, Redi-Dri, ACS (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | 795488 | PBS buffer ingredient |
Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate ACS reagent, 99.0-101.0% (Na2EDTA) | Sigma-Aldrich | E4884 | PBS and Chelator-HEPES buffer ingredient |
Ultrasonic cleaner USC-TH | VWR | 142-0084 | Ultrasonication of rehydrated lipids |
Rotary evaporator - Büchi rotary evaporator Model R-200 | Sigma | Z626797 | For evaporation of chloroform |
Pressure meter – Vacuum regulator IRV-100 | SMC | IRV10/20 | For controlling the pressure value during lipid dehydration |
HEPES-buffer (pH=7.8); ingredients below in rows 26-27 | Used for rehydration of lipids. Content: 10 mM HEPES with 100 m NaCl diluted in ultrapure deionized water | ||
HEPES ≥99.5% (titration) | Sigma Life Science | H3375 | HEPES-buffer ingredient |
Sodium chloride for molecular biology, DNase, RNase, and protease, none detected, ≥98% (titration) (NaCl) | Sigma Life Science | S3014 | HEPES-buffer ingredient |
Calcium-HEPES buffer (pH=7.8); effective ingredient below in row 29 | Used for spreading of lipids. Content: 10 mM HEPES, 100 mM NaCl, 4 mM CaCl2 diluted in ultrapure deionized water | ||
Calcium chloride anhydrous, BioReagent, suitable for insect cell culture, suitable for plant cell culture, ≥96.0% (CaCl2) | Sigma Life Science | C5670 | To prepare Calcium-HEPES buffer |
Chelator-HEPES buffer (pH=7.8); effective ingredient below in row 31 | Used to promote the formation of tubular networks. Content: 10 mM HEPES, 100 mM NaCl, 10 mM EDTA and 7 mM BAPTA diluted in ultrapure deionized water | ||
1,2-Bis(2-aminophenoxy)ethane-N,N,N′,N′-tetraacetic acid tetrasodium salt ≥95% (HPLC) (BAPTA-Na4) | Sigma Life Science | 14513 | Chelator-HEPES buffer ingredient |
Sodium Hydroxide | Sigma | 30620 | Basic solution used to adjust the pH of the buffers |
pH meter accumet™ AE150 pH | Fisher Scientific | 1544693 | Used to measure the pH of all buffers |
Glass petri dish | VWR | HECH41042012 | 6 cm, used for making the PDMS sheet |
Potassium hydroxide ACS reagent, ≥85%, pellets (KOH) | Sigma-Aldrich | 221473 | To make the KOH solution for cleaning glass petri dish for the fabrication of the PDMS sheet |
Isopropanol prima ren 99.5% | Antibac AS | 600079 | KOH solution ingredient |
Heating and drying oven – venticell | MMM Medcenter Einrichtungen GmbH | MC000714 | For drying of the glass petri dish after silanization and to cure PDMS |
Dichlorodimethylsilane ≥99.5% | Sigma-Aldrich | 440272 | Used for silanization of glass petri dish in which PDMS sheet is prepared |
Vacuum pump | Cole-Parmer | EW-79202-05 | Connected to desiccator |
Sylgard 184 silicone elastomer curing agent | Dow corning | 24236-10 | Kit to make PDMS solution |
Sylgard 184 Silicone elastomer base | |||
Disposable scalpel | Swann-Morton | 11798343 | Used to cut the PDMS |
Cover slips | Menzel -Gläser | MEZ102460 | 24×60 mm. Used to deposit thin film of Al2O3 |
Atomic layer deposition system | Beneq | TFS200 (model number) | Atomic Layer deposition system used to deposit thin film of Al2O3 in microscope cover glass |
Ellipsometer | J.A. Woollan Co. | Alpha-SE (model name) | System used to charcaterize the thickness of the film deposited on glass surface |
Laser scanning confocal microscope | Leica Microsystems | Leica TCS SP8 X | Microscope used for visualization of the experiment |
Objective 40x, 1.3 NA | Leica Microsystems | 1550635 | Used for visualization of the experiment |
White light laser source | Leica Microsystems | Leica TCS SP8 X | For excitation of the membrane fluorophore |