Özet

Uso de pinças ópticas duplas e microfluídicas para estudos de molécula única

Published: November 18, 2022
doi:

Özet

A bioquímica visual de molécula única estudada através de câmaras microfluídicas é muito facilitada usando barril de vidro, seringas à prova de gás, conexões estáveis de tubos para células de fluxo e eliminação de bolhas colocando válvulas de comutação entre as seringas e a tubulação. O protocolo descreve armadilhas ópticas duplas que permitem a visualização de transações de DNA e interações intermoleculares.

Abstract

A bioquímica visual é uma técnica poderosa para observar as propriedades estocásticas de enzimas individuais ou complexos enzimáticos que são obscurecidos na média que ocorre em estudos de fase a granel. Para alcançar a visualização, pinças ópticas duplas, onde uma armadilha é fixada e a outra é móvel, são focadas em um canal de uma câmara microfluídica multifluxo posicionada no estágio de um microscópio de fluorescência invertida. As pinças ópticas aprisionam moléculas únicas de DNA marcado fluorescentemente e fluem através da câmara e passam pelas contas aprisionadas, esticam o DNA para a forma B (sob força mínima, ou seja, 0 pN) com o ácido nucleico sendo observado como uma corda branca contra um fundo preto. As moléculas de DNA são movidas de um fluxo para o outro, traduzindo o estágio perpendicular ao fluxo para permitir o início das reações de maneira controlada. Para alcançar o sucesso, os dispositivos microfluídicos com canais opticamente claros são acoplados a seringas de vidro mantidas no lugar em uma bomba de seringa. Os melhores resultados usam conectores permanentemente ligados à célula de fluxo, tubulação que é mecanicamente rígida e quimicamente resistente, e que é conectada a válvulas de comutação que eliminam bolhas que proíbem o fluxo laminar.

Introduction

A capacidade de visualizar interações proteína-DNA no nível de molécula única e em tempo real forneceu uma visão significativa da estabilidade do genoma 1,2. Além de trabalhar com moléculas individuais de DNA, uma de cada vez, a capacidade de visualizar transações entre moléculas individuais próximas fornece informações adicionais 3,4,5. A manipulação de moléculas adicionais de DNA requer armadilhas ópticas adicionais, bem como células de fluxo microfluídico multicanal de alta qualidade6.

Existem vários métodos disponíveis para gerar mais de um trap óptico. Estes incluem espelhos de varredura de galvanômetros, moduladores ópticos acústicos e óptica difrativa, que geram pinças ópticas holográficas 4,7,8,9. Muitas vezes, espelhos de varredura e moduladores ópticos acústicos produzem armadilhas que compartilham o tempo. Na configuração descrita aqui, o feixe de um único laser Nd:YAG é dividido na polarização e, em seguida, os espelhos de varredura a laser galvanômetro controlam a posição do que é chamado de armadilha móvel (Figura 1)4. Para facilitar o posicionamento de espelhos e filtros para direcionar o feixe de retenção para a abertura traseira da objetiva do microscópio, um laser HeNe é usado. Isso facilita o alinhamento geral, pois o feixe HeNe é visível a olho nu, enquanto os feixes infravermelhos não são. O feixe HeNe também é mais seguro de trabalhar, tornando o posicionamento de espelhos e outros componentes menos estressante. Inicialmente, o caminho do feixe para este laser é separado do feixe de 1064 nm, mas é introduzido no mesmo caminho do feixe e, em seguida, na objetiva do microscópio. Uma vez que o alinhamento físico é alcançado, o posicionamento do feixe de 1064 nm no topo do feixe HeNe é feito e isso é facilitado pelo uso de um visualizador infravermelho e várias ferramentas de imagem do feixe para visualizar a posição e a qualidade do feixe. Em seguida, o expansor de feixe é introduzido e o feixe infravermelho expandido resultante é alinhado na abertura traseira do objetivo. Finalmente, a objetiva é removida e a potência em cada feixe polarizado é medida e ajustada usando placas de onda λ/2 para ser igual (Figura 1C). As medições de energia também são feitas uma vez que o objetivo é retornado e, normalmente, há uma perda de energia de 53%. Há, no entanto, energia suficiente para formar armadilhas ópticas fixas e móveis estáveis no plano focal (Figura 1D).

Para as transações de DNA de imagem, as células de fluxo microfluídico desempenham um papel fundamental, pois permitem medições controladas no nível de molécula única com alta resolução espacial e temporal (Figura 2). O termo microfluídico refere-se à capacidade de manipular fluidos em um ou mais canais com dimensões que variam de 5 a 500 μm10,11. O termo fluxo refere-se ao fluido real dentro de um canal e o canal refere-se ao canal físico no qual um fluxo ou fluxos de fluido se movem. O design de células de fluxo de canal único tem um canal físico comum onde as reações são observadas e normalmente há apenas um fluxo de fluido presente. Assim, esses projetos são conhecidos como células de fluxo único. Em contraste, as células de fluxo multifluxo são definidas como um dispositivo microfluídico no qual dois ou mais canais de entrada convergem em um único canal físico comum (Figura 2A). Dentro do canal comum, os fluxos de fluido que se originam dos canais individuais fluem paralelamente uns aos outros e permanecem separados com apenas uma mistura mínima entre eles ocorrendo devido à difusão (Figura 2B). Na maioria das configurações experimentais, uma única bomba empurra fluidos para cada canal na mesma velocidade. Em contraste, quando a direção de limite é usada, três ou mais bombas controladas independentemente empurram fluidos através dos canais. No entanto, cada bomba opera a uma velocidade diferente, mas a taxa de fluxo líquido no canal comum é constante12. Isso permite a troca rápida de componentes do canal principal simplesmente alterando a velocidade da bomba.

Além do fluxo laminar, outro fator crítico é o perfil de velocidade parabólica dentro do fluxo de fluido laminar. A maior velocidade de escoamento ocorre no meio do fluxo e a mais lenta ocorre junto às superfícies (Figura 2C)13. Este perfil deve ser considerado para esticar completamente uma molécula de DNA que está ligada a uma conta mantida no fluxo para visualização precisa do DNA fluorescente e análises precisas de molécula única. Aqui, o DNA é esticado para a forma B e é mantido no lugar sob 0 pN de força. Para conseguir isso, o foco da posição do purgador óptico deve estar a uma posição de 10-20 μm da superfície inferior da tampa (Figura 2D). Deve-se tomar cuidado para que a molécula de DNA não seja esticada além da forma B, pois isso pode inibir as reações enzimáticas. Sob condições típicas de tampão, 1 μm = 3.000 pb de DNA14. Além disso, ao prender 10-20 μm da lâmina de cobertura, o complexo de DNA é posicionado longe da superfície, minimizando assim as interações superficiais.

Muitos métodos têm sido utilizados para criar canais de dispositivos microfluídicos e estes podem ser feitos em laboratório ou células de fluxo podem ser adquiridas de fontes comerciais 6,15,16,17. Os materiais ideais utilizados para a construção das células de fluxo devem ser mecanicamente rígidos, opticamente transparentes com baixa fluorescência e impermeáveis a solventes orgânicos6. Frequentemente, o vidro float de borossilicato ou a sílica fundida são usados para fornecer um ambiente de fluxo estável por um tempo prolongado que é adequado para aprisionamento óptico, visualização e detecção de força. Esses materiais também permitem o uso de solventes não aquosos (por exemplo, metanol de grau espectrofotométrico) para simplificar a umectação da superfície e a remoção de bolhas de ar e desnaturantes (por exemplo, cloridrato de guanidínio 6M) ou detergentes para limpar a célula de fluxo. Finalmente, os métodos utilizados para introduzir fluidos em células de fluxo variam de sistemas complexos de bomba de vácuo a bombas de seringa única 14,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27. Na abordagem descrita aqui, é utilizada uma bomba de seringa que pode acomodar até 10 seringas (Figura 3A). Isso fornece flexibilidade para usar células de fluxo de canal único ou células de fluxo com vários canais de entrada. Aqui, uma célula de fluxo de três canais é usada e é acoplada a seringas mantidas no lugar na bomba da seringa usando tubos de poli-éter-éter-cetona (PEEK) (Figura 3A-C). O fluxo de fluidos é controlado por válvulas de comutação de quatro vias e, assim, servem para minimizar a introdução de bolhas na célula de fluxo (Figura 3A,D). Além disso, seringas à prova de gás Hamilton, que possuem paredes de vidro rígidas e êmbolos revestidos com politetrafluoroetileno (PTFE), são recomendadas, pois proporcionam um movimento de êmbolo excepcionalmente suave, essencial para a obtenção de um fluxo suave14,27.

No sistema experimental descrito, foram utilizadas células de fluxo com dois a cinco canais de entrada. O número de canais de entrada é ditado pelo experimento que está sendo feito. Para o estudo de RecBCD e Hop2-Mnd1, dois canais de fluxo foram suficientes14,28. Para a helicase, a enzima foi ligada à extremidade livre do DNA e traduzida em um fluxo contendo magnésio e ATP para iniciar a translocação e o desenrolar. Para Hop2-Mnd1, o DNA opticamente aprisionado foi traduzido para a corrente fluida adjacente contendo proteínas e tampão ± íons metálicos divalentes. O uso de células de fluxo de três canais permite prender o DNA no fluxo 1, traduzir o DNA no fluxo 2 para permitir que a ligação às proteínas ocorra e, em seguida, transmitir o fluxo 3 onde o ATP está presente, por exemplo, para iniciar reações. Uma variação do acima é usar proteína marcada com fluorescente no canal 2, o que resulta no fluxo de fluido sendo completamente branco e impede a visualização do DNA. Quando esta molécula é traduzida em fluxo 3, tanto as proteínas quanto o DNA são agora visíveis quando as reações são iniciadas.

O uso de válvulas de comutação de quatro vias para controlar o fluxo de fluido é um componente crítico do sistema para eliminar bolhas nas células de fluxo. As bolhas são prejudiciais ao fluxo estável de fluidos à medida que se contraem e se expandem de maneiras imprevisíveis, resultando em mudanças rápidas na velocidade do fluxo e na introdução de turbulência. Quando as válvulas são posicionadas entre as seringas e a tubulação de entrada, o caminho do fluxo é desconectado alternando a posição da válvula quando as seringas são trocadas. Quando a nova seringa é colocada no lugar, o êmbolo pode ser pressionado manualmente para que >6 μL seja ejetado (o volume morto da válvula) e isso elimina as bolhas quase inteiramente.

A fixação de conectores a células de fluxo é frequentemente a etapa de limitação de taxa no uso de células de fluxo. Descrevemos o uso de dois tipos de conectores: removíveis conhecidos como press-fit e permanentes (conjuntos de nanoportas). Os conectores removíveis são simples de aderir a uma célula de fluxo e diferentes tipos de tubos flexíveis, além do PTFE recomendado, podem ser testados com esses conectores. Esta é uma maneira rápida e econômica de testar tubos e conectores sem sacrificar células de fluxo de vidro mais caras. Em contraste, os conjuntos de nanoportas são fixados permanentemente, suportam pressões de até 1.000 psi e, em nossas mãos, seu uso é restrito a tubos PEEK de diferentes diâmetros. Isso não é uma desvantagem, pois a tubulação PEEK é preferencialmente usada. Uma única célula de fluxo de vidro com conjuntos permanentes anexados pode ser reutilizada por mais de 1 ano com uso cuidadoso.

Protocol

1. Alinhamento e teste da armadilha a laser com esferas de poliestireno NOTA: Para a configuração, consulte a Figura 1A,B. CUIDADO: O experimentalista deve usar óculos de proteção apropriados ou óculos de segurança a laser durante o alinhamento do feixe de laser. Como o sistema de pinça óptica descrito aqui usa feixes HeNe e IR, são necessários dois conjuntos separados de vidro de segurança a …

Representative Results

O teste inicial do alinhamento e resistência do purgador é feito com 1 μm, esferas de poliestireno não fluorescentes. Como a maioria das pesquisas feitas em laboratório usa fluorescência, testamos ainda mais a resistência da armadilha usando 1 μm, esferas de poliestireno verde Dragon (Figura 1D,E). Posteriormente, o trabalho muda para o aprisionamento óptico de complexos DNA-grânulos onde o DNA é corado com o corante bis-intercalante YOYO-114,29<…

Discussion

A montagem cuidadosa do sistema de fluxo é fundamental para o sucesso dos experimentos 4,6. Um dos aspectos mais desafiadores do protocolo é a fixação de conectores à superfície de vidro. Para isso, usamos as duas abordagens a seguir: conectores de tubulação de ajuste press-fit e conjuntos de nanoportas. Os conectores press-fit aderem facilmente ao vidro, seguidos pelo empurrão da tubulação de PTFE para os orifícios pré-formados usando pinças. Quand…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

A pesquisa no laboratório Bianco é apoiada pelas bolsas do NIH GM100156 e GM144414 para a RPB.

Materials

100x objective Leica 506318 or 506038 Oil immersion lenses; Imaging and optical trapping only; Plan APO objectives optimized for fluorescence imaging
10X Objective Leica 506263 Used to locate laser beams spots during alignment; to find focus and X-Y position in flow cell
1 mm fluorescent beads Bangs Labs FSDG004 Used for tap performance, focal position determination
1 mm polystyrene beads Bangs Labs CPO1004 Used for trap performance evaluation and binding to biotinylated molecules
63x objective Leica 506081 Used to locate laser beams spots during alignment and to find focus and X-y position in flow cell; can be used for optical trapping as it has an identical back aperture diameter to the 100X; oil immersion lens
Alignment laser Lumentum 1100 series 10mW HeNe laser that is visible to the naked eye that is used to position optics
Beam alignment camera Amscope MU303 A simple, inexpensive and software controlled camera for imaging of the beam position
Camera control and Image capture software Hamamatsu HCImage Coordinates activities of the Lambda DG4 with the camera to facilitate rapid wavelength switching
Camera; Orca flash 4 Hamamatsu c13440-20cu CCD camera for imaging of single-molecule experiments
C-mount for the beam alignment camera Spot imaging solutions DE50CMT Provides optimal positioning of the camera for imaging of laser beams during alignment
C-mount for the Orca Flash 4 camera Has a retainer ring to hold an IR blocking filter in place. This eliminates reflected IR beam from the optical traps and facilitates clearer imaging of trapped objects.
Cy5  fluorescence filter cube Semrock cy5-404a-lsc-zero Used in conjunction with Lambda DG4 to image Cy5 only
Fitc-Txred  fluorescence filter cube Semrock fitc/txred-2x-b-000 Used in conjunction with Lambda DG4 to image FITC and TXRed
Fluidics tubing Grace Bio 46004 PTFE tubing as an alternate to PEEK; works well on some flow cells. Can be used with PDMS flow cells or glass flow cells when Grace Bio fit tubing connectors are used
GFP fluorescence filter cube Semrock gfp-3035b-lsc-zero Used in conjunction with Lambda DG4 to image GFP only
Glass flow cells Translume Custom Clear flow channels for imaging (Fig. 2E)
Glass glue Loctite 233841 Securely and easily bonds Nanoport assemblies to glass flow cells
Glass/PDMS sandwich flow cells CIDRA Precision services Custom design Flow cells built according to your specifications; imaging channels are clear (Fig. 2C)
Hamilton Cleaning solution Hamilton 18311 Gentle but efficient cleaning solution for glass flow cells; does not bubble when used carefully
Illumination system Sutter Instrument Lamda DG4 Discontinued so recommend Lambda 721
Illumination system Sutter Instrument Lamda DG4 Discontinued so recommend Lambda 721
Image analysis software Media cybernetics Image Pro Premiere Analysis of images and single molecule tracking
Image analysis software Fiji/NIH Image/Image J Shareware Analysis of images and single molecule tracking
Image display card Melles Griot 06 DLA 001 Alternate product from Thorlabs: VRC5
Immersion oil Zeiss 444960 Immersol 518 F fluorescence free
Laser beam alignment tools Thor labs FMP05/M; dgo5-1500-h1; BHM1  Used to ensure beams are horizontal and at the correct height
Laser beam viewer Canadian Photonics labs IR 3150 Used to image IR beam spots on mirrors and  targets
Laser power meter Thor labs Measurement of laser output as well as trap strength
Laser safety glasses (HeNe) Thor labs LG7 or 8 Blocks >3 OD units of light of wavelengths >600 nm
Laser safety glasses (IR) Thor labs LG11 Blocks >7 OD units of light of wavelengths ³1000 nm
Mcherry  fluorescence filter cube Semrock mcherry-a-lsc-zero Used in conjunction with Lambda DG4 to image mcherry only
Microscope Leica DMIRE2 DIC port removed to accommodate Dichroic trapping/alignment mirror
Microscope control software  UCSF/shareware uManager Controls the microscope, permits focal alignment of objectives as well as stage control
Nanoport assembly IDEX N333 Connectors that are bonded to flow cells
Optical table support Thor Labs PA52502 Active isolation table support
Optics and lenses Solar TII Various Interference mirrors, telescopes and lenses custom designed for the system
PDMS flow cells ufluidix Custom Flow cells built according to your specifications; imaging channels are clear (Figs. 2B and D)
PEEK tubing IDEX 1532 Provides excellent connection to flow cells and switching valves
Pinkel fluorescence filter cube Semrock lf488/543/635-3x-a-000 Used in conjunction with Lambda DG4 to image multiple fluorophores rapidly
Press fit tubing connectors GraceBio 46003 Clear silicone connector with adhesive that binds well to glass
Scanning mirrors GSI Lumonics VM500 Used to provide control of the second optical trap. GSI Lumonics no longer exists. Similar mirrors can be purchased from Cambridge Scientific
Stage Leica
Stage micrometer Electron Microscopy Sciences 68042-08 Provides on screen ruler for positioning of the beam and system calibration
Switching valves IDEX V-101T Control direction of fluid flow and eliminate introduction of bubbles into flow cells
Syringe and valve manifold Machine shop None Custom built
Syringe pump Harvard Apparatus PHD 2000 Controls fluid flow through flow cells
Syringe pump software Harvard Apparatus 70-6000 Flow control provides seamless, programmable control of fluid flow
Syringes Hamilton 81320 Gas-tight, PTFE Luer Lock, glass barrels with Teflon-coated plungers
Table top Thor Labs T36H Optical table top or breadboard
Trapping laser Newport/Spectra Physics J-series; BL106C Nd:YAG laser; 1064 nm; 5W laser

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