Bu protokol, moleküler kütlenin ve lipit membranlarla etkileşime giren makromoleküllerin difüzyon davranışının eşzamanlı olarak araştırılmasını sağlayan iSCAT tabanlı bir görüntü işleme ve tek parçacık izleme yaklaşımını açıklar. Numune hazırlama, kütleden kontrasta dönüştürme, film edinme ve son işleme için adım adım talimatlar, olası tuzakları önlemek için talimatlarla birlikte sağlanır.
Çok sayıda esansiyel biyolojik reaksiyonun gerçekleştiği bir arayüz olan lipit membranlarında ve membranlarda makromoleküllerin kısa ömürlü veya geçici etkileşimleri, standart biyofiziksel yöntemlerle değerlendirilmesi doğal olarak zordur. Kütleye duyarlı parçacık izlemenin (MSPT) tanıtılması, bu tür işlemlerin kapsamlı bir nicel karakterizasyonuna yönelik önemli bir adımı oluşturmaktadır. Teknik olarak, bu, interferometrik saçılma mikroskobu (iSCAT) tabanlı kütle fotometrisinin (MP) ortaya çıkmasıyla mümkün olmuştur. Arka plan kaldırma stratejisi, membranla ilişkili parçacıkların iki boyutlu hareketini ortaya çıkarmak için optimize edildiğinde, bu teknik, biyolojik membranlar üzerindeki etiketlenmemiş makromoleküllerin hem difüzyonunun hem de moleküler kütlesinin gerçek zamanlı analizine izin verir. Burada, membranla ilişkili sistemlerin kütleye duyarlı parçacık takibini gerçekleştirmek ve analiz etmek için ayrıntılı bir protokol açıklanmaktadır. Ticari bir kütle fotometresinde yapılan ölçümler, milisaniye rejiminde zaman çözünürlüğüne ve MP sistemine bağlı olarak 50 kDa’ya kadar bir kütle algılama sınırına ulaşır. MSPT’nin genel olarak membran katalizörlü makromolekül dinamiklerinin derinlemesine analizi için potansiyelini göstermek için, doğal membran interaktör ek V gibi örnek protein sistemleri için elde edilen sonuçlar sunulmuştur.
Bir zamanlar sadece çok çeşitli ortam fiziksel koşullarına karşı bir bariyer olarak algılanan biyolojik membranlar, günümüzde fonksiyonel varlıklar ve katalitik platformlar olarak kabul edilmektedir 1,2. Membranla ilişkili makromolekül reaksiyonlarına yanıt olarak sinyalleri lokalize etme, yükseltme ve yönlendirme yeteneklerine dayanarak, lipit arayüzleri, membran kaçakçılığı ve sinyal kaskadları 3,4,5 gibi çok çeşitli hücresel süreçler için çok önemli bir unsur oluşturur. Kararlı komplekslerin montajı için bir çekirdeklenme bölgesi olarak hizmet veren membran ataşmanı, genellikle makromoleküllerin membranla ilişkili ve sitozolik formları arasındaki dinamik bir dengeye dayanır ve bu nedenle geçici niteliktedir 6,7.
Biyolojideki büyük önemlerine rağmen, membranla ilişkili makromolekül reaksiyonlarının bileşimsel, mekansal ve zamansal heterojenliklerine gerçek zamanlı 7,8’de erişim sağlayabilecek yöntemler geliştirmek şimdiye kadar zor olmuştur. Altta yatan moleküler süreçleri çözmek için, iki deneysel yön belirleyicidir: yeterli zaman çözünürlüğü ve tek parçacık duyarlılığı. Bu nedenle, fotobeyazlatma sonrası floresan geri kazanımı (FRAP) gibi topluluk ortalama tekniklerinin yanı sıra çok daha hassas floresan korelasyon spektroskopisi (FCS) de zamansal bilgiden mekansal bilgiyi büyük ölçüde ayırdıkları için sınırlamaları vardır9. Bireysel molekül dinamiklerinin karakterizasyonuna yönelik önemli bir adım, bu nedenle, yüksek hassasiyetli mikroskopi ile kombinasyon halinde tek parçacık izlemenin (SPT) ortaya çıkması olmuştur. Özellikle, iki SPT yaklaşımının bu konuda etkili olduğu kanıtlanmıştır. İlk olarak, floroforların etiket olarak kullanılması ve buna karşılık gelen floresan algılama sistemleri, nanometre hassasiyetinin ve milisaniye zaman çözünürlüğü 10,11,12’nin yolunu açtı. İkincisi, altın nanopartikülleri kullanarak saçılma tabanlı algılama, hem lokalizasyon hassasiyetini hem de zaman çözünürlüğünü sırasıyla13,14,15,16 alt nanometre ve mikrosaniye aralığına geliştirdi. Her iki yaklaşımın birçok avantajına ve membranla ilişkili sistemlerin mekanik anlayışına ilişkin önemli katkılarına rağmen17,18, her iki teknik de şimdiye kadar sınırlı kalmıştır: doğal davranışlarını potansiyel olarak bozan ve membranla ilişkili parçacıkların moleküler bileşimine duyarsız olan ilgili moleküllerin etiketlenmesini gerektirirler 19,20.
Her iki sınırlama da yakın zamanda kütle fotometrisi (MP)21,22,23 olarak adlandırılan yeni bir interferometrik saçılma (iSCAT) tabanlı yaklaşımın tanıtılmasıyla aşılmıştır. Bu teknik, bir cam arayüze iniş yaparken biyomoleküllerin iSCAT kontrastına göre çözelti içi kütle dağılımlarının belirlenmesini sağlar. Bununla birlikte, lipit membranlara yayılan hareketli moleküllerin tespiti ve karakterizasyonu için, daha sofistike bir görüntü analizi yaklaşımının geliştirilmesi gerekiyordu. Bu arada bu başarılı bir şekilde uygulanmıştır ve bir lipit arayüzü24,25 üzerinde yayılan tek etiketsiz biyomoleküllerin moleküler kütlesini tespit etmeye, izlemeye ve belirlemeye izin verir. Dinamik kütle fotometrisi veya kütleye duyarlı parçacık izleme (MSPT) olarak adlandırılan bu teknik, şimdi izlenen varlıkların moleküler kütlesindeki değişiklikleri doğrudan kaydederek karmaşık makromolekül etkileşimlerinin değerlendirilmesini sağlar ve böylece membranla ilişkili moleküler dinamiklerin mekanik analizi için yeni olanaklar sunar.
Burada, örnek hazırlama, görüntüleme ve MSPT için gereken veri analizi işlem hattı için ayrıntılı bir protokol sunulmaktadır. Özellikle numune gereksinimleri ve ölçüm ve analiz sırasında oluşabilecek olası sorunlar tartışılmaktadır. Ayrıca, membranla etkileşime giren makromolekül sistemlerini analiz etmek için eşsiz potansiyel, çeşitli temsili sonuçlarla sergilenmektedir.
Sunulan protokol, cam üzerinde adsorbe olan tek biyomoleküllerin kütlesini analiz eden bir teknik olan kütle fotometrisi21’i, etiketlenmemiş membranla etkileşime giren biyomoleküllerin kütlesini ve difüzyonunu aynı anda ölçebilen daha çok yönlü bir araca genişletmektedir. Bu analiz uzantısı, moleküllerin yanal hareketine uyarlanmış değiştirilmiş bir arka plan kaldırma stratejisinin uygulanmasıyla elde edilir24,25. Genel olarak, cam yüzey pürüzlülüğünün güçlü saçılması ana analiz engelini temsil ettiğinden ve her pikselin yerel arka planının doğru bir şekilde belirlenmesi, parçacık kütlesinin ve konumunun ölçülmesi için gerekli olduğundan, iSCAT tabanlı yaklaşımlar için arka planın kaldırılması son derece önemlidir. Partikül hareketine uyarlanmış görüntü analizinin yanı sıra, müteakip parçacık algılama, yörünge bağlantısı ve veri analizi, MP’nin kütleye duyarlı parçacık izlemesine (MSPT) yeni genişlemesini tamamlar.
Genel olarak, iyice temizlenmiş cam kapak slaytları ve temiz bir çalışma ortamı, MSPT deneylerinin başarılı bir şekilde gerçekleştirilmesi için kritik gereksinimlerdir. Makromolekül etiketlemesinin yokluğu nedeniyle, elde edilen sinyal doğal olarak seçici değildir. Bu nedenle, temiz numunelerin yanı sıra uygun numune işleme, gözlemlerin yanlış yorumlanmamasını sağlamak için çok önemlidir. Özellikle, düşük moleküler ağırlıklı moleküller incelendiğinde, arka plan katkılarını değerlendirmek için proteinsiz membranların kontrol ölçümleri onaylanmıştır (Ek Şekil 1). Bu nedenle, kontrol ölçümlerinin dahil edilmesinin yanı sıra, her akış odası için Şekil 2’de gösterilen hazırlık adımlarının izlenmesi önerilir. Birleştirildiğinde, bu güvenlik önlemleri, tespit edilen sinyalin, örneğin kontamine bir akış odası, tampon veya membrandan değil, ilgili biyomolekülden kaynaklanmasını sağlayacaktır.
Deneysel tasarıma ilişkin önlemlerin yanı sıra, MSPT görüntü işleme sırasında da dikkatli olunmalıdır. Video işleme sırasında, doğru sonuçları sağlamak için üç parametrenin değeri dikkatlice seçilmelidir: i) arka planın kaldırılması için medyan pencerenin uzunluğu, ii) parçacık algılama eşiği ve iii) bağlantı ataması sırasında maksimum arama yarıçapı. Daha büyük bir medyan pencere (i) genellikle dağınık parçacıkların üst üste bindirilmiş yarı-sabit arka plandan ayrılmasını kolaylaştırır. Bununla birlikte, çok büyük pencere boyutları için örnek kayması sonunda fark edilir hale gelir ve arka plan tahmininin doğruluğunu azaltır. Optimum ayarlar büyük ölçüde numune özelliklerine ve ölçüm koşullarına bağlıdır. Bununla birlikte, 1.001’lik bir değer sağlam bir başlangıç noktası olarak kullanılabilir. Eşik parametresi (ii), numunede beklenen en düşük moleküler kütleye bağlı olarak ayarlanmalıdır. Bu çalışmada kullanılan kütle fotometresi ile alınan ölçümler için 0.0005’in altında bir değer önerilmemektedir. Analiz sürelerini hızlandırmak için, yüksek moleküler ağırlığa sahip bir numune bekleniyorsa daha yüksek değerler seçilebilir. Yörünge bağlantısındaki arama yarıçapı (iii), parçacığın kaydırılan konumunun ardışık karelerde aranacağı piksel cinsinden maksimum radyal mesafeyi belirtir. Numunedeki en hızlı parçacığa uyarlanmalıdır ve tercih edilirse, hesaplama süresini azaltmak için uyarlanabilir bir arama aralığı ( trackpy belgelerine bakın) kullanılabilir. Özellikle bir projenin ilk aşamasında, elde edilen sonuçları doğrulamak için filmlerin değişen parametrelerle yeniden analiz edilmesi önerilir.
MSPT’nin tek moleküllü doğası ışığında, yüksek membran parçacık yoğunluklarında ölçüm yapmaktan kaçınılmalıdır, çünkü bunlar doğru kontrast ve kütle tayinine müdahale edebilir. Kare mikrometre başına bir parçacığın altındaki yoğunlukların MSPT ölçümleri için elverişli olduğu gösterilmiştir24. Ek bir husus, numunede beklenen difüzyon katsayılarıdır. Çok çeşitli difüzyon katsayılarına uygulanabilir olmasına rağmen, MSPT erişilebilir difüzyon katsayılarının daha düşük bir sınırına sahiptir. Medyan pencere periyodunun önemli bir bölümünde birkaç piksellik bir bölgeye yerel olarak hapsedilme, parçacığı statik arka planla birleştirir. Bu protokolde kullanılan görüntüleme koşulları için, 0.01 μm2/s’nin altındaki difüzyon katsayılarının ölçülmesi önerilmez. Bu difüzyon hızında, örneğin, medyan pencere yarım boyutu sırasında bir parçacığın ortalama kare yer değiştirmesi yaklaşık 4 pikseldir ve bu nedenle PSF’nin kapsamı ile benzer boyuttadır. Sonuç olarak, statik arka plan tahmininin, parçacığın kendisinden gelen sinyal katkılarını içermesi muhtemeldir, bu da sonunda gürültü seviyesine yaklaşana kadar parçacığın görünüşte azaltılmış bir kontrastı ile sonuçlanır. Bununla birlikte, 0.05 ila 10 μm2 / s arasında değişen makromolekül difüzyon katsayıları açıkça çözülebilir.
MSPT uygulamalarının aralığını daha da genişletmek için, geçici olarak bir parçacıkla işgal edilen piksellerin ortadan kaldırılması veya daha büyük medyan pencere boyutlarına olanak tanıyan örnek sürüklenme düzeltmesi yoluyla medyan tabanlı arka plan algoritmasının ilerlemesi öngörülebilir. Her iki yaklaşım da yüksek parçacık yoğunluklarında ve yavaş difüzyonda ölçümlerle ilgili sorunları hafifletecektir. Düşük kütle duyarlılığı açısından gelişmeler, 50 kDa’dan daha küçük biyomoleküllere erişim sağlayabilecek yeni nesil kütle fotometreleri ile ufuktadır. Bu nedenle, gelecekteki MSPT deneyleri, yastıklı çift katmanlar ve makromoleküler sistemler gibi daha geniş bir membran taklitleri yelpazesi için tek moleküllü dinamikleri ve membranla ilgili etkileşimleri inceleyebilecektir.
The authors have nothing to disclose.
Philipp Kukura, Gavin Young ve Refeyn yazılım ekibinin desteğini içtenlikle takdir ediyor ve görüntü analiz kodunun bazı bölümlerini paylaşarak yardımlarını kabul ediyoruz. Ticari Refeyn kütle fotometresine erişim sağladığı için Cryo-EM MPIB Çekirdek Tesisi’ne teşekkür ederiz. F.S., Jürgen Plitzko ve Wolfgang Baumeister tarafından verilen destek ve finansmanı minnetle kabul eder. T.H. ve PS, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Alman Araştırma Vakfı) – Proje Kimliği 201269156 – SFB 1032 (A09) aracılığıyla finansman aldı. N.H., DFG iade hibesi HU 2462/3-1 tarafından desteklenmiştir. Not: Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) ve Max Planck Derneği’nin ortak finansman girişimi aracılığıyla MaxSynBio araştırma ağı aracılığıyla desteği kabul ediyor.
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 | – |