Dit protocol beschrijft een iSCAT-gebaseerde beeldverwerking en single-particle tracking-benadering die het gelijktijdige onderzoek van de moleculaire massa en het diffusieve gedrag van macromoleculen die interageren met lipidemembranen mogelijk maakt. Stapsgewijze instructies voor monstervoorbereiding, massa-naar-contrastconversie, filmacquisitie en nabewerking worden gegeven naast aanwijzingen om mogelijke valkuilen te voorkomen.
Kortstondige of voorbijgaande interacties van macromoleculen op en met lipidemembranen, een interface waar een veelheid aan essentiële biologische reacties plaatsvinden, zijn inherent moeilijk te beoordelen met standaard biofysische methoden. De introductie van massagevoelige deeltjestracering (MSPT) vormt een belangrijke stap in de richting van een grondige kwantitatieve karakterisering van dergelijke processen. Technisch werd dit mogelijk gemaakt door de komst van interferometrische verstrooiingsmicroscopie (iSCAT)-gebaseerde massafotometrie (MP). Wanneer de achtergrondverwijderingsstrategie wordt geoptimaliseerd om de tweedimensionale beweging van membraangeassocieerde deeltjes te onthullen, maakt deze techniek de real-time analyse van zowel diffusie als moleculaire massa van niet-gelabelde macromoleculen op biologische membranen mogelijk. Hier wordt een gedetailleerd protocol beschreven voor het uitvoeren en analyseren van massagevoelige deeltjestracering van membraangerelateerde systemen. Metingen uitgevoerd op een commerciële massafotometer bereiken een tijdresolutie in het milliseconderegime en, afhankelijk van het MP-systeem, een massadetectielimiet tot 50 kDa. Om het potentieel van MSPT voor de diepgaande analyse van membraangekatalyseerde macromolecuuldynamica in het algemeen te demonstreren, worden resultaten gepresenteerd die zijn verkregen voor voorbeeldige eiwitsystemen zoals de native membraaninter interactor annexine V.
Ooit slechts gezien als een barrière tegen het brede scala van omgevingsfysische omstandigheden, worden biologische membranen tegenwoordig beschouwd als functionele entiteiten en katalytische platforms 1,2. Op basis van hun vermogen om signalen te lokaliseren, te versterken en te sturen als reactie op membraangeassocieerde macromolecuulreacties, vormen lipide-interfaces een cruciaal element voor een breed scala aan cellulaire processen zoals membraanhandel en signaalcascades 3,4,5. Als nucleatieplaats voor de assemblage van stabiele complexen is membraanaanhechting vaak afhankelijk van een dynamisch evenwicht tussen membraangeassocieerde en cytosolische vormen van macromoleculen en is daarom van voorbijgaande aard 6,7.
Ondanks hun grote belang in de biologie, is het tot nu toe een uitdaging geweest om methoden te ontwikkelen die toegang kunnen bieden tot de compositorische, ruimtelijke en temporele heterogeniteiten van membraangeassocieerde macromolecuulreacties in realtime 7,8. Om de onderliggende moleculaire processen op te lossen, zijn twee experimentele aspecten doorslaggevend: voldoende tijdsresolutie en gevoeligheid voor één deeltje. Daarom hebben ensemblegemiddelde technieken zoals fluorescentieherstel na fotobleaching (FRAP) maar ook de veel gevoeligere fluorescentiescorrelatiespectroscopie (FCS) beperkingen, omdat ze ruimtelijke informatie grotendeels loskoppelen van temporele informatie9. Een belangrijke stap in de richting van de karakterisering van individuele molecuuldynamica is dus de komst van single-particle tracking (SPT) in combinatie met zeer gevoelige microscopie. Met name twee SPT-benaderingen zijn in dit opzicht doeltreffend gebleken. Ten eerste maakte het gebruik van fluoroforen als labels en de bijbehorende fluorescentiedetectiesystemen de weg vrij voor nanometerprecisie en milliseconde tijdresolutie 10,11,12. Ten tweede verbeterde op verstrooiing gebaseerde detectie met behulp van gouden nanodeeltjes zowel de lokalisatieprecisie als de tijdresolutie tot het subnanometer- en microsecondebereik, respectievelijk 13,14,15,16. Ondanks de vele voordelen van beide benaderingen en hun belangrijke bijdragen met betrekking tot het mechanistische begrip van membraan-geassocieerde systemen17,18, zijn beide technieken tot nu toe beperkt: ze vereisen etikettering van de moleculen van belang, wat mogelijk hun oorspronkelijke gedrag verstoort en ongevoelig is voor de moleculaire samenstelling van membraan-geassocieerde deeltjes19,20.
Beide beperkingen zijn onlangs overwonnen door de introductie van een nieuwe interferometrische verstrooiing (iSCAT)-gebaseerde benadering genaamd massafotometrie (MP)21,22,23. Deze techniek maakt het mogelijk om in-solution massaverdelingen van biomoleculen te bepalen op basis van hun iSCAT-contrast bij het landen op een glasinterface. Voor de detectie en karakterisering van mobiele moleculen die zich verspreiden op lipidemembranen, moest echter een meer geavanceerde beeldanalysebenadering worden ontwikkeld. Dit is inmiddels met succes geïmplementeerd en maakt het mogelijk om de moleculaire massa van enkele ongelabelde biomoleculen die diffunderen op een lipideninterface te detecteren, te volgen en te bepalen24,25. Aangeduid als dynamische massafotometrie of massagevoelige deeltjestracering (MSPT), maakt deze techniek nu de beoordeling van complexe macromolecuulinteracties mogelijk door veranderingen in de moleculaire massa van de gevolgde entiteiten direct vast te leggen en opent zo nieuwe mogelijkheden voor de mechanistische analyse van membraangeassocieerde moleculaire dynamica.
Hier wordt een gedetailleerd protocol voor monstervoorbereiding, beeldvorming en de gegevensanalysepijplijn gepresenteerd die nodig is voor MSPT. In het bijzonder worden monstervereisten en mogelijke problemen die zich tijdens meting en analyse kunnen voordoen, besproken. Bovendien wordt het ongeëvenaarde potentieel om membraaninteragerende macromolecuulsystemen te analyseren aangetoond door middel van verschillende representatieve resultaten.
Het gepresenteerde protocol breidt massafotometrie21, een techniek die de massa van enkele biomoleculen analyseert die adsorberen op glas, uit tot een nog veelzijdiger hulpmiddel dat in staat is om tegelijkertijd de massa en diffusie van niet-gelabelde membraaninteragerende biomoleculen te meten. Deze analyse-uitbreiding wordt bereikt door de implementatie van een aangepaste achtergrondverwijderingsstrategie aangepast aan de laterale beweging van moleculen24,25. Over het algemeen is de achtergrondverwijdering van het grootste belang voor iSCAT-gebaseerde benaderingen, omdat de sterke verstrooiing van de ruwheid van het glasoppervlak de belangrijkste analysebelemmering vormt en de nauwkeurige bepaling van de lokale achtergrond van elke pixel essentieel is voor de kwantificering van deeltjesmassa en -locatie. Naast de beeldanalyse aangepast aan deeltjesbewegingen, completeren daaropvolgende deeltjesdetectie, trajectkoppeling en data-analyse de nieuwe uitbreiding van MP naar massagevoelige deeltjestracering (MSPT).
Over het algemeen zijn grondig gereinigde glazen afdekplaten en een schone werkomgeving kritieke vereisten voor de succesvolle uitvoering van MSPT-experimenten. Door de afwezigheid van macromolecuullabeling is het verworven signaal inherent niet-selectief. Schone monsters, evenals een goede monsterbehandeling, zijn daarom cruciaal om ervoor te zorgen dat waarnemingen niet verkeerd kunnen worden geïnterpreteerd. Met name wanneer moleculen met een laag molecuulgewicht worden onderzocht, worden controlemetingen van eiwitvrije membranen goedgekeurd om achtergrondbijdragen te beoordelen (aanvullende figuur 1). Naast het opnemen van regelmetingen, wordt daarom aanbevolen om de bereidingsstappen in figuur 2 voor elke stroomkamer te volgen. In combinatie zullen deze veiligheidsmaatregelen ervoor zorgen dat het gedetecteerde signaal afkomstig is van het biomolecuul van belang en niet bijvoorbeeld een verontreinigde stroomkamer, buffer of membraan.
Naast de voorzorgsmaatregelen met betrekking tot het experimentele ontwerp, moet er ook zorg worden besteed aan MSPT-beeldverwerking. Tijdens de videoverwerking moet de waarde voor drie parameters zorgvuldig worden gekozen om correcte resultaten te garanderen: i) de lengte van het mediaanvenster voor achtergrondverwijdering, ii) de drempel voor deeltjesdetectie en iii) de maximale zoekradius tijdens de koppelingstoewijzing. Een groter mediaanvenster (i) vergemakkelijkt over het algemeen de scheiding van diffuserende deeltjes van de boven elkaar geplaatste quasi-constante achtergrond. Voor te grote venstergroottes zal de steekproefdrift echter uiteindelijk merkbaar worden en de nauwkeurigheid van de achtergrondschatting verminderen. Optimale instellingen zijn sterk afhankelijk van de eigenschappen van het monster en de meetomstandigheden. Toch kan een waarde van 1.001 als robuust uitgangspunt worden gebruikt. De drempelwaardeparameter ii) moet worden afgestemd op de laagste moleculaire massa die in het monster wordt verwacht. Een waarde lager dan 0,0005 wordt niet aanbevolen voor metingen met de massafotometer die in dit onderzoek wordt gebruikt. Om de analysetijden te versnellen, kunnen hogere waarden worden gekozen als een monster met een hoog molecuulgewicht wordt verwacht. De zoekradius in trajectkoppeling (iii) geeft de maximale radiale afstand in pixels aan waarin de verschoven locatie van het deeltje in opeenvolgende frames wordt gezocht. Het moet worden aangepast aan het snelste deeltje in het monster en, indien gewenst, kan een adaptief zoekbereik (zie documentatie van trackpy) in plaats daarvan worden gebruikt om de rekentijd te verkorten. Vooral tijdens de beginfase van een project wordt aanbevolen om de films met verschillende parameters opnieuw te analyseren om de verkregen resultaten te valideren.
In het licht van de single-molecule aard van MSPT moet worden vermeden om te meten bij hoge membraandeeltjesdichtheden, omdat deze kunnen interfereren met nauwkeurige contrast- en massabepaling. Het is aangetoond dat dichtheden onder één deeltje per vierkante micrometer gunstig zijn voor MSPT-metingen24. Een bijkomende overweging zijn de verwachte diffusiecoëfficiënten in de steekproef. Hoewel MSPT van toepassing is op een breed scala aan diffusiecoëfficiënten, heeft het een ondergrens van toegankelijke diffusiecoëfficiënten. Lokale beperking tot een gebied van enkele pixels gedurende een aanzienlijk deel van de mediane vensterperiode versmelt het deeltje met de statische achtergrond. Voor de beeldvormingsomstandigheden die in dit protocol worden gebruikt, wordt het meten van diffusiecoëfficiënten onder 0,01 μm2/s niet aanbevolen. Bij deze diffusiesnelheid is bijvoorbeeld de gemiddelde kwadraatverplaatsing van een deeltje tijdens de halve grootte van het mediane venster ongeveer 4 pixels en dus van vergelijkbare grootte als de omvang van de PSF. Als gevolg hiervan zal de statische achtergrondschatting waarschijnlijk signaalbijdragen van het deeltje zelf bevatten, wat resulteert in een schijnbaar verminderd contrast van het deeltje totdat het uiteindelijk het geluidsniveau nadert. Macromolecuuldiffusiecoëfficiënten tussen 0,05 en 10 μm2/s kunnen echter duidelijk worden opgelost.
Om het bereik van MSPT-toepassingen verder uit te breiden, kan men zich een vooruitgang van het op mediaan gebaseerde achtergrondalgoritme voorstellen door de eliminatie van pixels die tijdelijk bezig zijn met een deeltje, of door monsterdriftcorrectie waardoor grotere mediane venstergroottes mogelijk worden. Beide benaderingen zouden de problemen met betrekking tot metingen bij hoge deeltjesdichtheden en langzame diffusie verlichten. Verbeteringen in termen van lagere massagevoeligheid zijn aan de horizon met een nieuwe generatie massafotometers, die toegang kunnen bieden tot biomoleculen kleiner dan 50 kDa. Daarom zullen toekomstige MSPT-experimenten in staat zijn om single-molecule dynamica en membraangerelateerde interacties te bestuderen voor een nog breder scala aan membraanmimicries zoals gedempte dubbellagen en macromoleculaire systemen.
The authors have nothing to disclose.
We waarderen oprecht de steun van Philipp Kukura, Gavin Young en het Refeyn-softwareteam en erkennen hun hulp door delen van de beeldanalysecode te delen. We danken de Cryo-EM MPIB Core Facility voor het bieden van toegang tot de commerciële Refeyn massafotometer. F.S. erkent dankbaar de steun en financiering van Jürgen Plitzko en Wolfgang Baumeister. T.H. en P.S. ontvingen financiering via de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Project-ID 201269156 – SFB 1032 (A09). N.H. werd ondersteund door een DFG-retoursubsidie HU 2462/3-1. P.S. erkent steun via het onderzoeksnetwerk MaxSynBio via het gezamenlijke financieringsinitiatief van het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) en de Max Planck Society.
annexin V | Sigma Aldrich | #SRP8026 | examplary membrane-interacting protein |
Bio-Rad Protein Assay | Bio-Rad Laboratories Inc. | #5000006 | bradford assay kit to determine protein stock concentrations |
biotin labeled bovine albumin | Sigma Aldrich | #A8549 | examplary protein that can be used as standard protein for MSPT |
cholera toxin subunit B | Sigma Aldrich | #SAE0069 | examplary membrane-interacting protein |
cover glasses, #1.5, 24 x 24 mm | Paul Marienfeld GmbH & Co. KG | #0102062 | |
cover glasses, #1.5, 24 x 60 mm | Paul Marienfeld GmbH & Co. KG | #0102242 | |
dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) | Avanti Polar Lipids | #850375 | lipid – in the form of extruded small unilamellar vesicles required for supported lipid bilayer formation |
dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-cap biotinyl (18:1 Biotinyl Cap PE | Avanti Polar Lipids | #870273 | lipid – in the form of extruded small unilamellar vesicles required for supported lipid bilayer formation |
dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol (DOPG) | Avanti Polar Lipids | #840475 | lipid – in the form of extruded small unilamellar vesicles required for supported lipid bilayer formation |
dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (DOPS) | Avanti Polar Lipids | #840035 | lipid – in the form of extruded small unilamellar vesicles required for supported lipid bilayer formation |
double-sided tape | tesa | #57912-00000-02 | needed for the assembly of glass sample chambers |
Extruder | Avanti Polar Lipids | #610023 | Lipid extruder to enable monodisperse vesicle distributions |
EZ-Link Maleimide-PEG2-Biotin | Thermo Fisher Scientific | #A39261 | maileimide-fused biotin that can be used to biotinylate standard proteins for MSPT |
Fibronectin (Biotinylated) | Cytoskeleton Inc. | #FNR03-A | examplary protein that can be used as standard protein for MSPT |
Gel Filtration HMW Calibration Kit | Cytiva | #28403842 | standard proteins, e.g. aldolase that can be biotinylated and used as molecular weight standards for MSPT |
GM1 Ganglioside (Brain, Ovine-Sodium Salt) | Avanti Polar Lipids | #860065 | lipid – in the form of extruded small unilamellar vesicles required for supported lipid bilayer formation |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, Biotin | Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA) | #31820 | examplary protein to highlight the existence of different protein states |
Isopropanol, 99.5%, for spectroscopy | Thermo Fisher Scientific | #10003643 | |
Low Autofluorescence Immersion Oil | Olympus K.K. | #IMMOIL-F30CC | |
pET21a-Streptavidin-Alive | Addgene | #20860 | required to express and purify divalent streptavidin in combination with each other |
pET21a-Streptavidin-Dead | Addgene | #20859 | required to express and purify divalent streptavidin in combination with each other |
Pierce Alkaline Phosphatase, biotinylated | Thermo Fisher Scientific | #29339 | examplary protein that can be used as standard protein for MSPT |
Pierce Protein A, Biotinylated | Thermo Fisher Scientific | #29989 | examplary protein that can be used as standard protein for MSPT |
Refeyn Acquire | Refeyn Ltd. | control software for Refeyn OneMP | |
Refeyn One | Refeyn Ltd. | – | mass photometer |
sterile syringe filters 0.45 µm cellulose acetate membrane | VWR International | #514-0063 | needed to filter particles from the buffer of interest |
tetravalent streptavidin | Thermo Fisher Scientific | #SNN1001 | tetravalent streptavidin to enable the presence of several biotin binding sites |
Whatman Nuclepore Hydrophilic Membrane, 0.05 µm Pore Size, 25 mm Circle | Cytiva | #110603 | a pore size of 50 nm is recommended for supported lipid bilayer formation in the context of MSPT |
Zepto model 2 plasma cleaner | Diener electronic GmbH | – |