这里介绍的是从微管和驱动蛋白马达制备活性向列的方法,包括蛋白质制备和构建以及使用孔进行主动向列限制。
生物聚合物活性相的形成已成为有兴趣探索活性液晶新兴领域及其在细胞生物学中可能作用的研究人员的重要技术。这些新型系统由自我驱动的子单元组成,这些子单元在本地消耗能量,产生不平衡的动态流体。为了形成本报告中描述的活性液晶相,将包括生物聚合物和分子马达在内的纯化蛋白质组分组合在一起,并且在三磷酸腺苷(ATP)存在下自发形成活性向列相。为了观察向列状态,必须将材料限制在合适的几何形状中,以便以足够高的密度进行显微镜检查。本文描述了使用微管和驱动蛋白马达形成活性向列相的两种不同方法:在油水界面组装二维活性层和使用弹性井在油层下组装。还描述了将活性材料插入不同形状的小孔中的技术。
活性流体由能量驱动的颗粒或元素组成,这些颗粒或元素从当地环境中吸取燃料。在适当的条件下,这些运动活性元件可以共同作用,在长尺度上产生涌现的流体动力学。在文献中有很多这种失衡相行为的例子,活跃相可以在生命系统的光谱中找到。一些值得注意的例子是细菌菌落1,细胞片2,3和生物群或成群4,5。活性相也在细胞骨架丝的浓缩相中被广泛研究,无论是作为细胞6的一部分,还是在设计用于利用生物提取成分7,8,9的合成系统中。在由生物提取物组装的天然和合成系统中,液晶有序和拓扑缺陷的形成是研究界特别感兴趣的。近年来,研究小组已经研究了这些系统,它们的基本物理性质以及它们与生物学的相关性2,3,10,11。
本文重点研究微管和驱动蛋白运动蛋白组合形成活性向列状态。传统的向列液晶是物质的平衡相,其中组成分子表现出取向顺序。例如,由相对刚性的棒状分子组成的流体可能既表现出向列相,又在较高温度下表现出非定向各向同性流体相12。活性向列期的第一个实验实例是由Sanchez等人开发的13,它改编了早期的体外实验14,其中使用运动蛋白簇在相邻微管束之间产生剪切运动。当这个微管系统被限制在薄层中时,出现了自发的向列顺序。近年来,几个实验15,16和理论17,18研究小组对主动向列状态进行了深入研究,重点是活动湍流(流体产生自我驱动的混沌流的状态19)和移动拓扑缺陷等现象。本文描述了在不同实验几何形状中从微管和驱动蛋白马达制备和形成活性向列态的方法。首先,描述了不同组分溶液的制备方法,然后描述了使用两种不同流动室几何形状形成活性向列的方法。图中显示了典型的成像结果。最后,描述了将活性向列限制在井和渠道中的方法。
1. 准备活性材料
注意:2D 主动向列通过三步过程组装。首先,制备两种单独的溶液:a)聚合的稳定微管和b)MIX(含有驱动蛋白马达的溶液)。这些被结合,并在添加三磷酸腺苷(ATP)时开始活性。然后将材料限制在合适的几何形状中,使其密度足够高以出现向列顺序。包括用于制备所有必要组分以及如何组装活性相的协议。
2. 创建主动向列
注意:材料中的活性由 ATP 添加启动。通过添加浓度足够高的ATP来诱导运动活动,为每个实验新鲜准备活性网络。为了形成均匀的,完全发育的活性向列相,微管必须具有足够高的密度。这可以通过将微管限制在两个不混溶流体之间以形成二维(2D)活性向列层来实现。该方法最初是在布兰迪斯大学13 开发的,并且仍然是生产均匀,高质量,活性向列相的流行技术。
3. 在受限几何形状中制备主动向列
注意:诸如这种准二维系统的主动向列可能具有挑战性,以限制在诸如孔或通道之类的小微流体几何形状中。本文描述了一种将材料限制在不同形状的PDMS孔中的可靠方法。
图1显示了由GMPCPP微管蛋白制备的单个微管的代表性图像。该图像描绘了相似长度的短微管(存在一些分散性)。充分稀释微管溶液应产生分离良好的微管图像以进行长度验证。单个微管由于其体积小而难以成像。使用专为荧光显微镜设计的高灵敏度相机最适合此应用。图2和图3分别显示了使用流通池法(第2.1节)和倒置法(第2.2节)进行的成功实验的示例荧光显微镜图像。形成良好的活性向列层在纹理上是均匀的,没有明显的空隙区域和移动拓扑缺陷。但请注意,缺陷磁芯中可能存在一些可接受的小空隙。除了图 2 和图 3 所示的示例外,还包括三个补充影片(影片 1、影片 2 和影片 3),以演示活性向列在成功实验中应如何出现。所有电影都展示了主动向列相的平稳连续运动。材料达到稳定状态后,微管浓度没有明显变化。只要系统中存在足够的ATP,材料就会继续均匀移动。
图1:GMPCPP微管的荧光显微镜图像。 将GMPPPP微管用罗丹明微管蛋白标记4%,并在37°C聚合20分钟。 在室温下进行成像。比例尺 = 10 μm。 请点击此处查看此图的大图。
图 2:流通池中的微管向列。 (A) 流通池的横截面示意图,1 mm x 18 mm 几何形状。(B) 流通池的顶视图示意图。(C)荧光显微镜图像,显示活性溶液在油/水界面组装前的典型外观。(D)在流通池内的油/水界面组装的活性向列相的荧光显微镜图像。比例尺 = 100 μm。 请点击此处查看此图的大图。
图3:荧光显微镜图像显示使用倒置方法制备的活性向列 。比例尺 = 200 μm。 请点击此处查看此图的大图。
图 4:说明 PDMS 井中主动向列约束方法的流程图,包括模具制造和表面处理。右图上的比例尺(受限活性材料)= 200 μm。 请点击此处查看此图的大图。
视频1:使用流通池法制备的活性向列的代表性结果。请点击这里下载此影片。
视频2:使用倒置法制备的活性向列的代表性结果。请点击这里下载此影片。
视频3:使用倒置方法制备的活性向列的代表性结果仅限于椭圆井。请点击这里下载此影片。
在整个协议中,实验者可以在几个点上进行一些重要的检查。在用活性材料填充任一装置之前,应使用荧光显微镜(见 图1)来检查微管是否聚合,理想情况下长度为~2-3μm。如果在显微镜下看不到微管,它们可能已经解聚并且不会形成活性向列。由于单个微管非常小,因此直接通过显微镜观察它们可能具有挑战性。在这项研究中,将专为具有挑战性的低光应用而设计的高质量荧光相机与相关软件一起使用,以验证灯丝生长。在此阶段不应存在显着的荧光聚集体,因为这可能表明解聚或存在变性蛋白质。通过以与协议中描述的相同比例组合微管、MIX 和 ATP 来制作简单的显微镜测试载玻片也是一个好主意。活动应从组合组件开始,材料应看起来类似于 图2C 所示,存在束,并且在整个过程中可见明显的灯丝运动。
使用流通池方法时,流通池的离心时间和方向对于形成均匀的活性层非常重要。此步骤可能需要根据所使用的离心机类型进行一些微调。使用垂直于旋转平面的活性平面离心流通池可提供最佳结果,因为材料可以均匀地推到流体界面上。离心前仔细检查流通池是否密封。
当使用倒置方法产生受限活性向列时,有几个步骤需要优化。首先,使用产生高分辨率结构的3D打印方法很重要。不均匀的侧壁会导致微管捕获,从而破坏流动。井不应太深(本研究使用150-200μm深的井,上覆油层厚2毫米)。实验者可能需要通过反复试验稍微调整这些参数以获得最佳结果。
不同的作者使用流通池法和倒置法来研究影响活动流动的各种效应,包括不同的油12 和浸没结构13。方法的选择取决于实验目标。使用流通池方法,由于上覆流体不同,从活性层上方的光学成像比倒置方法更清晰。在流通池方法中,成像是通过玻璃盖玻片和一层薄薄的水进行的,而倒置方法设计为将油层放在顶部。这意味着倒置方法需要长工作距离物镜,并且图像质量会降低。通过分别比较图 2D (流通池法)和 图3 (倒置法)以及 视频1 和 电影2,可以看到图像质量差异。图 3 需要比 图2更远的低倍率镜头,工作距离更长。如果有合适的倒置显微镜,并结合具有适当工作距离的显微镜载玻片基板的物镜,则可以避免倒置方法的这些成像缺点。较薄的玻璃可用作基板,以允许使用标准工作距离物镜。
优点是,倒置的几何形状允许使用更广泛的油粘度,不一定需要水平吊桶离心(如果不可用),并且一旦准备好模具,系统的准备相对容易。然而,对于使用倒置方法的孔中的限制,一些离心对于将材料放入定义明确的 2D 层中可能很重要。
流通池方法最近在需要连续活性层的实验中得到了非常成功的应用。我们最近的工作着眼于活性层中拓扑缺陷的动力学,其中高质量的成像和纹理分析很重要19。此外,流通池法已被用于研究油浸式微观结构对活动流16 和柱子的影响,以捕获活动流31中的缺陷。这种方法对于形成连续的活性层非常有效,并且图像质量非常好。然而,用于产生最终2D活性层的离心步骤可能难以进行,并且流通池容易发生泄漏和气泡。倒置方法是一种非常有用的替代方案,具有很高的成功率,易于构建,并且可用于任何基板图案或几何形状,前提是可以创建高分辨率的3D打印母模。这种方法对于观察几何约束对主动向列动力学的影响也很有用,因为它使填充孔相对简单。
在本文中,描述了从微管和驱动蛋白马达形成活性向列的两种方法,以及将材料限制在孔中的技术。所介绍的系统代表了目前文献中活跃向列阶段的最干净的例子,并已被世界各地的几个小组复制。这种材料的意义不仅在于其成分的生物学起源,还因为它在活性有序流体中开辟了一个全新的方向。通过使用该系统并阐明其基本性质,科学家们可以转向全合成活性相的设计。
专注于约束对主动向列的影响的实验有可能回答有关拓扑约束下活动流动行为和拓扑缺陷动力学的基本问题。这里介绍的方法将有助于执行各种以几何为重点的实验及其分析,包括微流体和活性混合。
这项工作中使用的一些材料由Cytoskeleton Inc.(美国丹佛)免费提供。
作者要感谢美国国家科学基金会(NSF)授予DMR-1808926的慷慨资助。该项目还得到了NSF通过科学与技术卓越研究中心的支持:加州大学默塞德分校细胞和生物分子机器中心(HRD-1547848)和布兰迪斯生物材料设施材料研究科学与工程中心(DMR-2011486)。我们要感谢加州大学默塞德分校的刘斌博士在3D打印模具方面的帮助,以及Jordi Ignes博士在开发倒置实验方法期间提供的科学建议。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
20 kD PEG (polyethylene glycol)) | Sigma Aldrich | 1419109 | Depletion agent CAS Number: 125061-88-3 |
3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate | Sigma Aldrich | M6514-50ML | CAS Number: 2530-85-0 |
3D printer & Resin | Phrozen | Phrozen sonic mini 8K 3D printer - Aqua Gray 8K resin | |
40% Acrylamide Solution | BIO-RAD | 1610140 | CAS Number: 7732-18-5, 79-06-1 |
Acetic Acid | Fisher | CAS Number: 64-19-7 | |
Acetone | Sigma Aldrich | CAS Number: 67-64-1 | |
Adhesive sheets (NOTE: "Parafilm" is an alternative) | Grace Bio-Labs | 620001 | SecureSeal |
Ammonium Persulfate | Sigma Aldrich | A3678 | CAS Number: 7727-54-0 |
Aquapel (NOTE: "RainX" is an alternative) | Aquapel Glass Treatment | hydrophobic glass treatment | |
ATP (Adenosine triphosphate) | Sigma Aldrich | A1852 | CAS Number: 34369-07-8 |
Beakers | VWR | ||
Catalase | Sigma Aldrich | C9322 | CAS Number: "9001-05-2" |
Desiccator | Bel-art | ||
Digital CMOS camera | Hamamatsu | ORCA - Flash4.0 LT+ | |
DTT (Dithiothreitol) | Sigma Aldrich | D9779 | CAS Number: "3483-12-3" |
EGTA (3,12-bis(carboxymethyl)-6,9-dioxa-3,12-diazatetradecane-1,14-dioic acid) | Sigma Aldrich | MFCD00004291 | CAS Number: 67-42-5 |
Ethanol | Sigma Aldrich | CAS Number: 64-17-5 | |
Fluorescence microscope | Leica | DM 2500P | |
Glass Coverslips | VWR | 48368-040 | |
Glass Slides | VWR | 16004-430 | |
Glucose | Sigma Aldrich | G7021 | CAS Number: 50-99-7 |
Glucose Oxidase | Sigma Aldrich | 345386 | CAS Number: 9001-37-0 |
GMPCPP (guanylyl 5'-α,β-methylenediphosphonate) | Jena Bioscience | NU-405S | CAS Number: 14997-54-7 |
HFE7500 Oil | 3M | ||
Hot Plate | Fisher Scientific | Thermix hot plate model 100M | |
Isopropyl Alcohol | VWR | ||
KCl (potassium chloride) | Sigma Aldrich | P5405 | CAS Number: 7447-40-7 |
Methanol | Sigma Aldrich | CAS Number: 67-56-1 | |
MgCl2 (Magnesium Chloride) | Sigma Aldrich | 208337 | CAS Number: 7786-30-3 |
Microcentrifuge tubes | Eppendorf - Thermo Fisher | 1.5 mL | |
Nanopure water purifier | Sartorius | arium mini | |
NaOH (Sodium hydroxide) | Sigma Aldrich | SX0603 | CAS Number: 1310-73-2 |
Petri Dishes | VWR | ||
PH Meter | Thermo Scientist | Orion 3 STAR | |
Phosphoenol-pyruvate (PEP) | Sigma Aldrich | MFCD00044476 | CAS Number: 4265-07-0 |
PIPES (1,4-Piperazinediethanesulfonic acid) | Sigma Aldrich | CAS Number: 5625-37-6 | |
Pipettes (0.2 - 1000 µl) | VWR | ||
Pluronic F-127 | Sigma Aldrich | 2594628 | |
RAN Surfactant (NOTE: "FluoSurf" from Emulso is an alternative) | Ran Biotechnologies | 008-FluoroSurfactant-2wtH-50G | |
Silicon Oil (100mpa s-1000 mpa s) | Sigma Aldrich | CAS Number: 63148-52-7 | |
Streptavidin | Thermofisher | S888 | |
Swinging Bucket Centrifuge | Thermo Scientist | Sorvall legend RT+ | |
Sylgard 184 Elastomer base | World Precision Instruments | SYLG184 | |
Sylgard 184 Elastomer Curing agent | World Precision Instruments | SYLG184 | |
Table top centrifuge | Eppendorf | MiniSpin Plus | |
TEMED (Tetramethylethylenediamine) | BIO-RAD | 1610800 | CAS Number: 110-18-9 |
Trolox (6-hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchroman-2-carboxylic acid) | Sigma Aldrich | MFCD00006846 | CAS Number: 53188-07-1 |
Tubulin | Cytoskeleton | T240-B | |
Tubulin (Rhodamine labeled) | Cytoskeleton | TL590M-A | |
Ultracentrifuge | Beckman | Optima Max-TL | |
UV Light | RapidFix | ||
UV-curable glue (NOTE: "Norland NO81" is an alternative) | RapidFix | ||
Water Bath | Thelco | ||
Whatman Filter paper | Sigma Aldrich | WHA1001325 |
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