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A-Tapping-Modus Rasterkraftmikroskop (AFM)-Methode zur Visualisierung von Plasmid-DNA, cytoplasmatische Proteine und DNA-Protein-Komplexen beschrieben. Das Verfahren umfasst das alternative Ansätze zur Vorbereitung der Proben für AFM folgenden biochemischen Manipulation. DNA mit spezifischen Protein interagiert Regionen sind in der Nähe-physiologischen Puffer Bedingungen beobachtet.
Atomic Force Microscopy (AFM) ermöglicht die Visualisierung der einzelnen Proteine, DNA-Moleküle, Protein-Protein-Komplexe, und DNA-Protein-Komplexen. Am Ende des Mikroskops Freischwinger ist ein Nano-Sonde, die Traversen Bildbereiche von Nanometern bis Mikrometern, die Messung der Höhe von Makromolekülen ruht auf der Substratoberfläche zu einem bestimmten Zeitpunkt. Elektrostatische Kräfte verursachen Proteine, Lipide und Nukleinsäuren zu locker an das Substrat in zufälligen Orientierungen legen und erlauben Bildgebung. Die generierten Daten ähneln einer topographischen Karte, wo die Makromoleküle als dreidimensionale Teilchen diskrete Größen (Abbildung 1) 1,2 lösen. Tapping-Modus AFM beinhaltet die wiederholte Schwingung des Cantilevers, die Bildgebung des relativ weichen Biomaterialien wie DNA und Proteine ermöglicht. Einer der bemerkenswertesten Vorteile von AFM gegenüber anderen nanoskaligen Mikroskopie-Techniken ist die relative Anpassbarkeit an individuelle Proteine und makromolekulare Komplexe in wässrigen Puffern, darunter nahezu physiologischen gepufferten Bedingungen, in Echtzeit und ohne Flecken oder Beschichtung der Probe, die abgebildet werden zu visualisieren.
Die hier vorgestellte Methode beschreibt die Darstellung von DNA und einer immunoadsorbed Transkriptionsfaktor (dh den Glucocorticoid-Rezeptor, GR) in gepufferter Lösung (Abbildung 2). Immunoadsorbed Proteinen und Protein-Komplexe können aus den immunoadsorbing Antikörper-Bead-Pellet durch den Wettbewerb mit dem Antikörper-Epitop und dann abgebildet (Abbildung 2A) getrennt werden. Dies ermöglicht für die biochemische Manipulation von Biomolekülen von Interesse vor Bildgebung. Nach der Reinigung kann die DNA und Proteinen gemischt und die resultierende Interaktion Komplex kann auch abgebildet werden. Die Bindung von DNA auf Glimmer erfordert ein zweiwertiges Kation 3, wie Ni 2 + oder Mg 2 +, die Probenpuffer hinzugefügt werden noch werden halten Protein-Aktivität. Mit einem ähnlichen Ansatz hat AFM verwendet worden, um einzelne Enzyme, darunter RNA-Polymerase 4 und ein Reparatur-Enzym 5, gebunden, einzelne DNA-Stränge zu visualisieren. Diese Experimente liefern wichtige Einblicke in die Protein-Protein-und DNA-Protein-Interaktionen biophysikalischen statt auf der molekularen Ebene. Imaging einzelnen makromolekularen Teilchen mit AFM kann nützlich sein für die Bestimmung Teilchen Homogenität und zur Ermittlung der physikalischen Anordnung der Bestandteile der abgebildeten Partikel. Während die vorliegende Methode zur Visualisierung von GR-Chaperon-Protein-Komplexe 1,2 und DNA-Stränge, auf die die GR binden können entwickelt wurde, kann es im Großen und Ganzen zu bildgebenden DNA-und Protein-Proben angewandt werden aus einer Vielzahl von Quellen.
1. Vorbereitung DNA-und Protein-Proben, die abgebildet frei von Verunreinigungen sein
2. Montage AFM-Sonde
3. Locating Cantileverspitze, Ausrichten Laser und Einstellen Photodetektor
4. Positioning AFM Kopf-und Tuning-Cantilever
5. Imaging Glimmer Probenoberfläche
6. Imaging von Biomolekülen von Interesse
7. Repräsentative Ergebnisse:
Beispiele für AFM-Aufnahmen sind in Abbildung 4 dargestellt. Mica-Substrat (A) bietet eine molekular flachen Oberfläche, auf die DNA-und Protein adsorbieren kann. Imaging Glimmer vor Biomolekül Proben eine negative Kontrolle und Beurteilung der Bildgebung Lärm. Es bietet auch ein Maß an Gewissheit, dass der Ausleger richtig eingestellt ist und die anschließende Probe Bildgebung erfolgreich sein wird. Doppelsträngige Plasmid-DNA (B, D), mutmaßlich supercoiled, ist leicht durch seine asymmetrische Erscheinungsbild und einheitliche Ablage auf dem zuvor unauffällig Glimmersubstrat identifiziert. Protein-Komplexe von diskreten Partikelgrößen (C, E) sind ebenfalls eindeutig unterscheidbar von den Glimmer-Substrat. Partikelgröße Unterschiede zeigen Probe Heterogenität und kann nützlich sein, auf eine Angleichung Protein-Komplex Stöchiometrie oder biochemische Aktivität. Die allgemeine diagonal Form und die konsequente Ausrichtung der Protein Partikel in Panel C beobachtet ist ein bildgebendes Artefakt, wie Proteine erwartungsgemäß wäre auf dem Glimmer-Substrat orientiert nach dem Zufallsprinzip. Mögliche Ursachen der beobachteten Artefakt ist ein physischer Spitze Anomalie oder AFM in zu schnell von einer Scan-Rate. Während Spitze Faltung (siehe Abbildung 1B) verhindert absolute Längenmessung Berechnungen in der x-und y-Achsen, Höhenmessung (z-Achse) und die relative x-und y-Messungen kann dennoch nützlich für die Abschätzung biophysikalischen Eigenschaften der abgebildeten Biomolekülen.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Tapping-Modus Rasterkraftmikroskopie (AFM). A, das Mikroskop. Am Ende des Auslegers ist eine scharfe Spitze, die bis schwingt auf und ab, während sie über die Oberfläche eines Glimmer-Substrat-Scans, um die biomolekularen Komplexen adsorbieren. Da der Scanner bewegt sich in x-und y-Richtung, wird ein Laserstrahl von der Rückseite des Cantilevers auf eine Position Sensitive Photodioden-Detektor reflektiert wird, um die vertikale (z) Abstand zur Spitze bewegt, wie es über die biomolekularen Komplexen auf den sitzenden Pässe Karte Glimmer. B. Verzerrung des Bildes in x-und y-Richtung durch die Spitze Faltung verursacht. Die nominelle Radius eines herkömmlichen Siliciumnitrid-Spitze ist größer als die Partikel, die abgebildet werden, und der Rand der Spitze in Kontakt mit der Probe beim Durchqueren der Oberfläche. Tipp Faltungsergebnisse in der abgebildeten Partikel erscheinen größer in der x-und y-Richtung, nicht aber die z-Richtung. Dieser Effekt kann durch die Verwendung von Spitzen mit einem kleineren nominal Spitzenradius minimiert werden.
Abbildung 2: Illustration der immunoadsorbed Protein-und DNA Probenvorbereitung. A, Veröffentlichung immunoadsorbed GR • Hsp70-Protein-Komplex aus dem monoklonalen Antikörper (mAb)-Protein A-Sepharose (PAS) Pellets. Inkubation des immunopellet mit einem Peptid, das die mAb Epitop erleichtert die Freigabe der GR • Hsp70-Protein-Komplex aus dem Pellet, so dass der Komplex aus dem Überstand und visualisiert durch AFM gesammelt werden. B, erfordert Vorbereitung der DNA für die AFM die Verwendung eines zweiwertigen Kations Adsorption Puffer. Die zweiwertigen Kations erhöht die Affinität der DNA für die Glimmer-Substrat.
Abbildung 3: Final Anordnung der AFM Spitze, flüssige Zelle Sondenhalter, Probe, Probenhalter und Puffer Meniskus. A, darauf zu achten, bei der Hinterlegung Probe und zusätzlichen Puffer auf die Glimmer-Substrat, um körperlichen Kontakt zwischen der Pipettenspitze und AFM Kopf, Flüssigkeit nennen, und Glimmer-Substrat zu vermeiden. B, Vergrößerung von A. Der Puffer Meniskus reicht von der Objektplatte, um die Flüssigkeit Zelle Sondenhalter.
Abbildung 4: Atomic Force Aufnahmen von Glimmer-Substrat (A), 2xGal4-2xGRE-luciferease Plasmid-DNA 8 (B, D) und GR • Hsp70-Protein-Komplexe (C, E) in einer gepufferten Lösung. Mica dient als Kontrolle Bild mit der Visualisierung von DNA und Protein zu vergleichen. GR • Hsp70-Protein-Komplexe wurden durch Immunadsorption von GR mit hsp70 und dann aus dem Antikörper-Bead-Pellet freigesetzt mit einem mAb konkurrierenden Antikörper (dargestellt in Abbildung 2A) grundiert vorbereitet. DNA wurde durch konventionelle Plasmid Miniprep vorbereitet. Panels A, B und C ein Äquivalent Vergrößerung (Maßstab = 200 nm) sind, wie auch Panels D und E (Maßstab = 40 nm).
AFM bietet eine einzigartige mikroskopischen Technik in der Lage Bildgebung einzelnen unbeschichteten Biomolekülen in wässrigen und nahezu physiologischen gepufferten Lösungen in Echtzeit. Dies ermöglicht die Visualisierung der einzelnen Proteine und DNA-Moleküle, sowie Multiproteinkomplexen-und Protein-DNA-Komplexe. Imaging makromolekularen Teilchen mit AFM kann nützlich sein für die Beurteilung der Probe Homogenität und zur Ermittlung der physikalischen Anordnung der Bestandteile der beobachteten Teilchen. Dieser Ansatz der Beobachtung einzelner makromolekulare Partikel können eine sinnvolle Ergänzung sein zu herkömmlichen biochemischen Techniken, wie Immunpräzipitationsassays, Polyacrylamidgelelektrophorese und Size-Exclusion-Säulenchromatographie, die erhebliche summative Daten, die den 10 3 -10 11 einzelnen biomolekularen Komplexen von Interesse anwesend bieten in einer Probe.
Die Erforschung Multiproteinkomplex Stöchiometrie biomolekularen Wechselwirkungen und Cofaktor Anforderungen können alle untersuchten mittels AFM werden. Die hier vorgestellte Methode lässt sich an spezifischen biophysikalischen Fragestellungen von Interesse aufnehmen werden. Zum Beispiel mit einer Flüssigkeit Zelle Sondenhalter der Lage, den Austausch von Puffer, wird es möglich sein, Assay-Cofaktor für Protein-Komplexbildung. DNA-Protein-Baugruppen gebildet und getrennt werden, während sie abgebildet in near-real-time und sogar. DNA kann mit spezifischen Sequenzen von Interesse (zB ein mutmaßliches Response-Elementen oder neuartige Protein-Bindung Sequenz), mit der Hypothese bindendes Protein gemischt erzeugt werden, und abgebildet, einen direkten Nachweis von intermolekularen Wechselwirkungen liefern.
Tapping Mode-AFM-Bildgebung ist wesentlich weniger kompliziert, wenn trockene Proben statt Proben in wässrigen Lösungen, und lineare DNA steht und geschlossenen Kreis DNA-Plasmide haben beide auf diese Weise 3,9 abgebildet worden sind verwendet. Die hier vorgestellte Methode nutzt Proben in gepufferten Lösungen, um eine physiologische Bildgebung Umfeld zu schaffen. Andere bemerkenswerte Methoden der Bildgebung Proteine sollten ebenfalls berücksichtigt werden, einschließlich Nahfeld Infrarot-Mikroskopie 10. Die komplementäre Nutzung der Immunadsorption in Gemahlin mit AFM bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl von Protein-Komplexe, mit gut etablierten biochemischen Techniken, und dann visualisieren folgende Entlassung aus dem immunoadsorbing Antikörper-Bead-Pellet. Zum Beispiel hat immunoadsorbed GR für seine Assoziation mit der molekularen Chaperon-Protein hsp70 1 sowie die Dynein Motorprotein untersucht 2 mit diesem Ansatz, um komplexe Größe und Stöchiometrien zu schätzen. Partikelgröße und biophysikalischen Eigenschaften (zB Festigkeit) haben sich als nützlich erwiesen bei der Ermittlung der Identität der Biomoleküle in AFM abgebildet Proben 11,12 beobachtet. Es ist auch möglich, Biomolekül Identität durch die Zugabe von einem interagierenden Biomolekül (zB ein Ligand oder monoklonale Antikörper), die zu seinem Ziel und verursachen eine Teilchengröße erhöhen binden würde, wenn das Ziel-Biomolekül vorhanden ist zu bestätigen.
Diese Arbeit wurde vom National Institutes of Health Grants GM086822 finanziert. Die Autoren bedanken sich bei Dr. danken. Alec Pakhomov & Paul Wallace (Univ. of Washington Nanotechnologie User Facility (NTUF)) und Andrea Slade (Bruker AXS) für ihre technische Unterstützung durch Experten. DNA AFM wurde an der Univ durchgeführt. Washington NTUF, ein Mitglied der National Nanotechnology Infrastructure Network. Die 2xGal4-2xGRE-luciferease Plasmid wurde freundlicherweise von der Arbeitsgruppe von Dr. Keith Yamamoto (Univ. of California, San Francisco) zur Verfügung gestellt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Name des Reagenzes | Firma | Katalog-Nummer | |
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Dimension 3100 | Bruker | Dimension 3100 | |
Dimension Fluidzelle | Bruker | DTFML-DD-HE | |
Sharp-Nitrid-Hebel (SNL) Siliziumnitrid AFM-Sonde | Bruker | SNL-10 | |
Microlever scharfe Nitrid Hebel (MSNL) Siliziumnitrid AFM-Sonde | Bruker | MSNL-10 | |
NanoScope AFM Gerätesoftware | Bruker | 004-132-000 | |
Metall AFM Objektplatten | Ted Pella | 16208 | |
Grade V1 Mica Discs, 12 mm | Ted Pella | 50-12 |
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