This work was supported by the Max Planck Society, the German Cancer Research Center, the University of T&#252;bingen, and the Bundesministerium f&#252;r Bildung und Forschung (grant no. 0312040).
We thank Eduard Hermann for helping us automate the analysis of the force curve data and Dr. Jakob Suckale for careful reading of this manuscript.

1. Vorbereitung der unterstützten Lipiddoppelschichten (SLB) 11,12,21 <ol><li> Herstellung von Lipid-Mischung und Multilamellare Vesikelsuspensionen <ol><li> Bereiten Sie die folgenden Puffer vorher. <ol><li> Vorbereitung PBS-Puffer bei Konzentrationen von 2,7 mM KCl, 1,5 mM KH 2 PO 4, 8 mM Na 2 HPO 4 und 137 mM NaCl, pH 7,2. </li><li> Vorbereitung SLB (unterstützte Lipiddoppelschicht) Puffer bei Konzentrationen von 150 mM NaCl, 10 mM HEPES, pH 7,4. </li><li> Es wird eine Lösung von 1 M CaCl 2. </li></ol></li><li> Man löst die folgenden Lipide in Chloroform in einer gewünschten Konzentration: beispielsweise Di-oleoyl-phosphatidylcholin (DOPC) bei 25 mg / ml, Sphingomyelin (SM) bei 25 mg / ml und Cholesterin (Chol) bei 10 mg / ml. </li><li> Nehmen 18,38 ul DOPC 17,10 ul SM und 11,30 ul Chol, um eine Lösung mit 1 mg Gesamtlipiden in einem 2 zu machen: 2: 1 DOPC: Molverhältnis Chol: SM. Variieren die Volumina entsprechend auf der Grundlage der concentrations der in 1.1.2 hergestellten Lipide. Behält jedoch das Molverhältnis von 2: 2: 1 DOPC: SM: Chol als Änderung des Molverhältnisses wird die Phaseneigenschaften der Membran 25 zu ändern. </li><li> Mischen Sie die Lösung vollständig durch Vortexen. Hinzufügen eines fluoreszierenden lipidischen Farbstoff bei 0,05 Mol-%, wenn man die Doppelschicht mit einem Fluoreszenzmikroskop sichtbar zu machen wünscht. Hinweis: Die Familie von langkettigen dialkylcarbocyanines, mochte, DiI und DiO umfassen einen weiten Bereich von Wellenlängen und können idealerweise verwendet werden, um Lipidmembranen zu markieren. Alternativ können fluoreszenzmarkierten Lipiden, wie Rhodamin- Phosphatidylethanolamin oder BODIPY-Cholesterin verwendet werden. In jedem Fall sollte die Konzentration des Farbstoffs gemäß der Mikroskopie Einstellung optimiert werden, wenn man bedenkt, dass hohe Konzentrationen des Fluorophors an das Lipid gebunden ist, kann die Lipid Verhalten 19 zu ändern. </li><li> Trocknen Sie das Chloroform unter Verwendung von N2-Gas (oder einen beliebigen verfügbaren Inertgas wie Ar und He). </li><li> Weitere dry-Ter Lipidgemisch unter Vakuum für mindestens 1 Std. Hinweis: Wenn das Speichern dieser Lipidmischung, Spülluft mit Inertgas (N 2, Ar oder He) und bei -20 ° C. Aliquot überschüssige Lipide-in-Chloroform in kleine braune Fläschchen. Trocknen Sie sie in einer ähnlichen Weise wie die Lipid-Mischung, verdrängen Luft mit Inertgas (N 2, Ar oder He) und bei -20 ° C. </li><li> Auflösung der getrockneten Lipide in einem PBS-Puffer auf eine Konzentration von 10 mg / ml. </li><li> Wirbel die Mischung kräftig für etwa 20 sec bis 1 min, um eine trübe Suspension zu erhalten, mit einem multilamellaren Vesikeln. Stellen Sie sicher, dass die keine Lipidfilmen Festhalten an den Seiten des Fläschchens. </li><li> Verteilen Sie diese Suspension in 10 ul Aliquots (1 mg Lipid macht 10 Teilmengen). </li><li> Lagerung bei -20 ° C bis zur weiteren Verwendung. </li></ol></li><li> Herstellung unilamellare Vesikel Anmerkung: Verschiedene Größen von unilamellare Vesikel können mit dem Beschallungsverfahren oder dem Extrusionsverfahren hergestellt werden. Beschallung verwendet sound Energie, um das Gemisch zu rühren und trenne die Schichten des multilamellaren Suspension. Dies wird durch Bereinigung der trübe Suspension angezeigt. Extrusion zwingt die multilamellaren Vesikeln, um durch einen Membranfilter mit einer bestimmten Porengröße bestehen. <ol><li> Beschallungsverfahren <ol><li> Nehmen Sie die 10 ul multilamellaren Lipidsuspensionen und fügen Sie 150 ul SLB-Puffer. </li><li> Übertragen Sie die Mischung in kleine (2 ml) bedeckten Glasfläschchen und Dichtung mit Parafilm. </li><li> Beschallen des Gemisches bei Raumtemperatur in einem Ultraschallbad für 10 min oder bis sie klar wird, kleine unilamellare Vesikel (SUVs mit einem Durchmesser unter 50 nm) zu erhalten. </li></ol></li><li> Extrusionsverfahren <ol><li> Nehmen Sie die 10 ul multilamellaren Lipidsuspensionen und fügen Sie 150 ul SLB-Puffer. </li><li> Übertragung der Suspension in einen kryogenen Röhre. </li><li> Einfrieren der Lipidsuspension durch Eintauchen des kryogenen Schlauch für ein paar Sekunden in flüssigen Stickstoff. </li><li> AuftauenLipidsuspension durch Eintauchen des kryogenen Rohr in einem Wasserbad bei Raumtemperatur oder 37 ° C für ein paar Minuten. Wiederholen Sie die Frost-Tau-Stufen mindestens 10-mal. </li><li> Um die Lipidsuspension zu extrudieren, mit einem Polycarbonatmembran mit 200 nm Porengrße (andere Porengrößen sind verfügbar, wie 100 nm oder 400 nm) und einem kommerziellen Extrusionsvorrichtung 26. Hinweis: Zur Zeit gibt es zwei Extruder Geräte im Handel erhältlich: ein Handbuch Extruder ist für kleine Volumen (200 ul auf wenige ml) erhältlich. In diesem Fall wird die Probe durch die Membran durch manuelles Schieben der Suspension hin und her zwischen zwei Spritzen extrudiert. Je nach Hersteller, würde Lipid Aliquots müssen kombiniert werden, um Mindestvolumen von der Einrichtung zu erreichen. Für größere Mengen (bis zu 50 ml) ausgefeiltere Vorrichtungen verwendet werden, in dem die Suspension durch die Polycarbonat-Membran mit Hilfe von Druckgas gepresst. Aufbau und Extrusionsbedingungen können entsprechend der mod ändernel. Beachten Sie die Hinweise des Herstellers beachten. Dieses Protokoll bezieht sich auf die manuell bedienbarer Extruder für kleine Volumina. </li><li> Ins Gleichgewicht des Extruders in Wasser, indem Wasser durch den Extruder. Tauchen Sie die Membran in Wasser. </li><li> Platzieren der Membran zwischen den beiden Kolben, montieren die Vorrichtung und im Gleichgewicht belassen, Puffer, indem man den Puffer durch den Extruder von einer Spritze zur anderen. Zusätzlich ermöglicht dieser Schritt die Prüfung der Undichtheit des Systems. Wenn sie undicht ist, zerlegen und wieder zusammenbauen es wieder Veränderung der Membran. </li><li> Nehmen Sie die Lipidsuspension mit Hilfe einer Spritze des Extruders (&quot;Schmutzseite&quot;). </li><li> Befestigen Sie die Spritze mit der Lipidsuspension auf einen Kammer und die leere Spritze auf der gegenüberliegenden Kammer. </li><li> Schieben Sie die Spritze an einem Ende. Übergeben Sie die Lösung durch die Membran und in das gegenüberliegende Spritze. Dies ist der 1. Pass ab. </li><li> Führt es durch die Membran für eine Gesamtzahl von 31 mal solchendaß die Lösung endet an der gegenüberliegenden Spritze (&quot;saubere Seite&quot;). Hinweis: Prüfen Sie die Membran nach dem Extrudieren. Wenn es war gebrochen, dann Extrusionsverfahren war nicht erfolgreich und muss wiederholt werden. </li><li> Leeren Sie die Spritze in einem Röhrchen. Große unilamellare Vesikel (LUVs) sind für 1-2 Tage stabil, wenn sie bei 4 ° C gehalten. </li></ol></li></ol></li><li> Herstellung von Mica und Deckgläser <ol><li> Waschdeckgläschen erst in Wasser und dann in Ethanol. Luftgetrocknet. </li><li> Nehmen Glimmerscheiben und ziehen Sie die äußere Schicht mit Klebeband. </li><li> Befestigen Sie die Glimmerscheibe auf dem Deckglas. Transparente optische Klebstoffe sind optimal, so dass man die Doppelschichten mit einem Fluoreszenzmikroskop überprüfen. </li><li> Bringen Kunststoffzylinder (2,5 cm Außendurchmesser, 2 cm Innendurchmesser und 0,5 cm Höhe) mit optischen Kleber / Fett. Stellen Sie sicher, dass alles dicht ist und keine Lecks vorhanden sind. Verwenden Sie Fett zu wollen, wenn Wiederverwendung der Zylinder, da sie leicht von th abgelöst werdene Deck und gewaschen. Wobei die Abmessungen der Kunststoffzylinder, abhängig von der Größe des AFM Cantileverhalter und sollte entsprechend eingestellt werden. </li></ol></li><li> Ablagerung von unilamellare Vesikel auf einem festen Träger <ol><li> Pipette das gesamte Liposomenlösung direkt auf den Glimmer. Noch ein SLB Puffer auf ein Volumen von 300 &amp; mgr; l zu erreichen. </li><li> Add 0,9 ul 1 M Calciumchlorid-Lösung bis zu einer Endkonzentration von 3 mM Ca 2+ erreichen. </li><li> Inkubieren bei 37 ° C für 2 min und dann bei 65 ° C für mindestens 10 min. Immer decken die Doppelschichten mit Puffer. Kontakt mit Luft und Luftblasen zu zerstören. Während der Inkubation fügen weitere Puffer, wenn notwendig, insbesondere, wenn die Inkubation bei höheren Temperaturen. Anmerkung: Die Inkubationstemperaturen je nach den Lipidmischungen und Phasen erforderlich. Inkubationszeit von mindestens 10 min erforderlich ist, um getragen Doppelschichten zu bilden, aber es länger sein könnte, abhängig von der Temperatur und Zusammensetzung. </li><li> Wäschedie Doppelschicht mit heißem (65 ° C) SLB Puffer 15-20 mal Calcium und nichtkondensierten Vesikeln zu entfernen. Seien Sie besonders vorsichtig während der Waschschritte, um die Doppelschicht unter Puffer zu halten und vorsichtig pipettieren der Waschlösung zu verhindern die Zerstörung der Doppelschicht. </li><li> Coole unterstützt Doppelschichten auf Raumtemperatur vor AFM-Messungen. Dies ist erforderlich, um die unterschiedlichen Phasen der Membran sowie bilden Minimierung thermischer Drift im Gerät. </li></ol></li></ol> 2. Rasterkraftmikroskopie-Messungen 11,12 <ol><li> Imaging Hinweis: Führen Sie die Rasterkraftmikroskopie-Bildgebung im Kontaktmodus oder Tapping-Modus. Bild unterstützt Doppelschichten in Lösung; erlauben keine Lösung vollständig verdampfen, da dies die Doppelschichten zu zerstören. Wie man es mit einem Puffer zu arbeiten, beachten Sie bitte Vorsichtsmaßnahmen, dafür zu sorgen, dass jeder AFM Teil von Flüssigkeiten geschützt. <ol><li> Wählen Sie ein weiches Ausleger (unter 0,2 N / m Federkonstante wird empfohlen) und montieren Sie ihn auf ter AFM. Die Wahl des Auslegersteifigkeit für die Kraftspektroskopie kritischer (und dies wird später diskutiert werden). </li><li> Montieren Sie die Probe auf der Bühne AFM und stellen Sie sicher, dass alle Schwingungsisolationsmodule eingeschaltet sind. Wartezeit von mindestens 15 min äquilibrieren und verringern die thermische Drift des Systems. In Abhängigkeit von der AFM-Set-up kann Tuning und Imaging-Spezifikationen variieren. Wenden Handbuch des Herstellers. </li><li> Nähern Sie sich der Probe mit der AFM-Spitze bis zum Kontakt. </li><li> Da Lipiddoppelschichten sind in der Regel 4 nm in der Höhe, verwenden die Z-Bereich des Instruments, die den höchsten z-Auflösung (beispielsweise 1,5 um) erhalten wird. </li><li> Wählen Sie eine Region, die dem Bild. Um einen Überblick über die Lipiddoppelschicht, eine 50 &amp; mgr; m × 50 &amp; mgr; m oder 25 &amp; mgr; m × 25 &amp; mgr; m-Region wird ein guter Ausgangspunkt, um sein Bild zu bekommen. Wenn kleinere Features erscheinen, kann man Bild in kleinere Bereiche (10 &amp; mgr; m × 10 &amp; mgr; m oder 2 um x 2 um). Die Wahl der Abbildungsbereich hängt auch von der Arbeits range des piezoelektrischen Scanner. Bitte konsultieren Sie die Instrumentenhand dafür. </li><li> Als Doppelschichten sind sehr zerbrechlich, den Sollwert der AFM-Spitze einstellen während der Bilderzeugung, die Kraft bei minimalem und richtig für thermische Drift zu halten, dabei ständig in Kontakt mit der Probe. Im Kontaktmodus, den Sollwert zu minimieren. Im Tipp-Betrieb, den Sollwert zu maximieren. </li><li> Prozessbilder durch Anbringen jeder Scanlinie zu Polynom Ausgleichsfunktionen. Führen Linienentfernung für Scans, die Kontakt mit der Membran unter Verwendung der proprietären Software der AFM-Produktionsunternehmen zu verlieren. </li></ol></li><li> Kraftspektroskopie <ol><li> Kalibrieren des Auslegers entsprechend den Anweisungen nach dem Protokoll des Herstellers. Kalibrierung ermöglicht die Umwandlung des elektrischen Signals der Photodioden, um eine Kraft (1B). <ol><li> Kalibrieren Sie die Empfindlichkeit der Spitze zur Ablenkung als z-Piezo-Bewegung (in Längeneinheiten) zu messen, anstatt elektrische Signal in Volt. <br /&gt; Anmerkung: AFM detektiert Änderungen in der Auslenkung des Auslegers mit Hilfe eines Lasers auf der Rückseite des Auslegers reflektierten. Der Laser erreicht eine Photodiode, die die Position des Laserspots räumlich erfassen kann. Eine Änderung in der Durchbiegung des Auslegers, da es bei Kontakt mit der Probe biegt durch diese Fotodiode als &quot;vertikale Ablenkung&quot; erkannt, und dies ist in den Einheiten der Spannung. Da der Ausleger durch den z-Piezo bewegt wird, wird die vertikale Ablenkung auf die Bewegung in der z-Piezo verwandt. Das Verhältnis von vertikalen Ablenkung und z-Bewegung Empfindlichkeit genannt und wandelt Spannung an Distanz. </li><li> Berechnung des Auslegerfederkonstante mit dem thermischen Rauschfrequenzverfahren, in der Regel in der AFM-Software integriert. Bei diesem Verfahren zeigen die Amplitude der Schwingung von Rauschen mit Bezug auf die Frequenz der Schwingung, wodurch eine spektrale Leistungsdichteverteilung. Dieses Grundstück wird eine Spitze um die Resonanzfrequenz zu zeigen. Die Frequenz, bei der die Amplitude idas Größte ist die Resonanzfrequenz. Setzen Sie eine Lorentz-Funktion rund um den Gipfel zu berechnen automatisch die Federkonstante durch die Software. Hier werden einige nützliche Ressourcen für die Theorie des thermischen Rauschens Verfahrens sind in den Artikeln 27 bis 30 angegeben. </li></ol></li><li> Nach der Bebilderung eine Fläche von der Doppelschicht, wählen Sie eine 5 um x 5 um-Bereich in der Doppelschicht auf Kraftspektroskopie durchzuführen. </li><li> Einrichten des AFM so, dass es Kraftkurven in einem 16 x 16 Raster von der Region. Dies führt zu 256 Kraftkurven pro Region. Der Raum zwischen zwei benachbarten Punkten sollte ausreichen, um zu vermeiden, dass die Membranfläche von einem Punkt untersucht würde mit dem nächsten Punkt übereinstimmt. Dies ist abhängig von der Spitzenradius. A 100 nm Abstand zwischen zwei Punkten wäre ideal. Teilen Sie die 5 &amp; mgr; m × 5 &amp; mgr; m Bereich in 16 x 16 Gitter. Abhängig von der Größe der Phasen kann man einen kleineren oder größeren Bereich auszuwählen, und dann entsprechend an die Rastergröße. </li><li> Stellen Sie z-Piezoverschiebung zu400 nm. Dies bestimmt die maximale Reichweite der Bewegung des z-piezo. Sie sollte groß genug sein, um sicherzustellen, dass der Ausleger vollständig weg von der Probe in zwischen den Messungen eingefahren werden. </li><li> Stellen Annäherungsgeschwindigkeit bis 800 nm / sec und zurückzuziehen Geschwindigkeit bis 200 nm / sec. Verwenden Sie eine Annäherungsgeschwindigkeit von 400 bis 6000 nm / s in Abhängigkeit von der Doppelschichtzusammensetzung und Lipidphase zu unter 6,16 werden. </li><li> Nach dem Einstellen aller Parameter, erwerben Kraftkurven, durch Drücken der Taste &quot;RUN&quot; der AFM-Software. </li><li> Sparen Kraftkurven als Kraft-Höhenkurven (ein Maß der z-Piezo-Bewegung). Dies berücksichtigt nicht die Biegung des Auslegers in Kontakt mit der Probe zu nehmen. Während der Datenverarbeitungsschritt, kann der AFM-Software-Korrektur für Auslegerbiege zu Kraft-Spitze und Probe-Kurven (Abbildung 1c), die richtigen Werte für die Doppelschichtdicke zu geben erhalten. Die Korrekturwerte werden in der Regel im calibr eingeation, die mit jedem Kraftkurve gespeichert wird. Berechnen Spitze und Probe durch Subtrahieren der vertikalen Ablenkung vom piezoBewegung an einem gegebenen Punkt. Anmerkung: Der Peak in der Annäherungskraft-Kurve (der Kraftwert sinkt, auch wenn die Auslegerbewegung noch auf dem Ansatz-Zyklus) ist die Bruchkraft der Membran, während die Differenz zwischen der Position der Spitze und der Position des Punktes wo die Kraft zu steigen beginnt wieder stellt die Dicke der Membran. </li><li> Erwerben Sie mindestens 500 Kraftkurven für jede Bedingung, um gute Statistiken zu erhalten. Zeichnen Sie ein Histogramm der Werte mit Programmen wie Origin oder MatLab, und passen Sie die Histogramme zu einer Gauß-Verteilung, um die Spitze und Breite der Verteilung zu erhalten. </li></ol></li></ol>

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	<li>Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+Force+Microscope.">Atomic Force Microscope.</a> Phys. Rev. Lett. 56, 930-933 (1986).</li><li>Hansma, P. K., Elings, V. B., Marti, O., Bracker, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+Tunneling+Microscopy+and+Atomic+Force+Microscopy:+Application+to+Biology+and+Technology.">Scanning Tunneling Microscopy and Atomic Force Microscopy: Application to Biology and Technology.</a> Science. 242, 209-216 (1988).</li><li>Gaczynska, M., Osmulski, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFM+of+biological+complexes:+What+can+we+learn.">AFM of biological complexes: What can we learn.</a> Curr, Opin. Colloid In. 13, 351-367 (2008).</li><li>Goksu, E. I., Vanegas, J. M., Blanchette, C. D., Lin, W. -. C., Longo, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFM+for+structure+and+dynamics+of+biomembranes.">AFM for structure and dynamics of biomembranes.</a> BBA-Biomembranes. 1788, 254-266 (2009).</li><li>Muller, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFM:+A+Nanotool+in+Membrane+Biology.">AFM: A Nanotool in Membrane Biology.</a> Biochemistry-US. 47, 7986-7998 (2008).</li><li>Redondo-Morata, L., Giannotti, M. I., Sanz, F., Bar&#243;, A. M., Reifenberger, R. G., Sanz, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Atomic Force Microscopy in Liquid: Biological Applications. , (2012).</li><li>Castellana, E. T., Cremer, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+supported+lipid+bilayers:+From+biophysical+studies+to+sensor+design.">Solid supported lipid bilayers: From biophysical studies to sensor design.</a> Surf. Sci. Rep. 61, 429-444 (2006).</li><li>Frederix, P. L. T. M., Bosshart, P. D., Engel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+Force+Microscopy+of+Biological+Membranes.">Atomic Force Microscopy of Biological Membranes.</a> Biophys. J. 96, 329-338 (2009).</li><li>Mennicke, U., Salditt, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+Solid-Supported+Lipid+Bilayers+by+Spin-Coating.">Preparation of Solid-Supported Lipid Bilayers by Spin-Coating.</a> Langmuir. 18, 8172-8177 (2002).</li><li>Raviakine, I., Brisson, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+Supported+Phospholipid+Bilayers+from+Unilamellar+Vesicles+Investigated+by+Atomic+Force+Microscopy.">Formation of Supported Phospholipid Bilayers from Unilamellar Vesicles Investigated by Atomic Force Microscopy.</a> Langmuir. 16, 1806-1815 (2000).</li><li>Chiantia, S., Ries, J., Kahya, N., Schwille, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+AFM+and+Two-Focus+SFCS+Study+of+Raft-Exhibiting+Model+Membranes.+.">Combined AFM and Two-Focus SFCS Study of Raft-Exhibiting Model Membranes. .</a> ChemPhysChem. 7, 2409-2418 (2006).</li><li>Unsay, J., Cosentino, K., Subburaj, Y., Garcia-Saez, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiolipin+effects+on+membrane+structure+and+dynamics.">Cardiolipin effects on membrane structure and dynamics.</a> Langmuir. 29, 15878-15887 (2013).</li><li>Dom&#232;nech, &. #. 2. 1. 0. ;., Sanz, F., Montero, M. T., Hern&#225;ndez-Borrell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermodynamic+and+structural+study+of+the+main+phospholipid+components+comprising+the+mitochondrial+inner+membrane.">Thermodynamic and structural study of the main phospholipid components comprising the mitochondrial inner membrane.</a> BBA-Biomembranes. 1758, 213-221 (2006).</li><li>Dom&#232;nech, &. #. 2. 1. 0. ;., Morros, A., Caba&#241;as, M. E., Teresa Montero, M., Hern&#225;ndez-Borrell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Supported+planar+bilayers+from+hexagonal+phases.">Supported planar bilayers from hexagonal phases.</a> BBA-Biomembranes. 1768, 100-106 (2007).</li><li>Garcia-Saez, A. J., Chiantia, S., Schwille, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+line+tension+on+the+lateral+organization+of+lipid+membranes.">Effect of line tension on the lateral organization of lipid membranes.</a> J Biol Chem. 282, 33537-33544 (2007).</li><li>Alessandrini, A., Seeger, H. M., Caramaschi, T., Facci, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+Force+Spectroscopy+on+Supported+Lipid+Bilayers:+Effect+of+Temperature+and+Sample+Preparation.">Dynamic Force Spectroscopy on Supported Lipid Bilayers: Effect of Temperature and Sample Preparation.</a> Biophys. J. 103, 38-47 (2012).</li><li>Butt, H. -. J., Franz, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rupture+of+molecular+thin+films+observed+in+atomic+force+microscopy+I.+Theory.">Rupture of molecular thin films observed in atomic force microscopy I. Theory.</a> Physical Review E. 66, 031601 (2002).</li><li>Garcia-Manyes, S., Oncins, G., Sanz, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+Temperature+on+the+Nanomechanics+of+Lipid+Bilayers+Studied+by+Force+Spectroscopy.">Effect of Temperature on the Nanomechanics of Lipid Bilayers Studied by Force Spectroscopy.</a> Biophys. J. 89, 4261-4274 (2005).</li><li>Chiantia, S., Kahya, N., Schwille, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raft+domain+reorganization+driven+by+short-+and+long-chain+ceramide:+a+combined+AFM+and+FCS+study.">Raft domain reorganization driven by short- and long-chain ceramide: a combined AFM and FCS study.</a> Langmuir. 23, 7659-7665 (2007).</li><li>Canale, C., Jacono, M., Diaspro, A., Dante, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force+spectroscopy+as+a+tool+to+investigate+the+properties+of+supported+lipid+membranes.">Force spectroscopy as a tool to investigate the properties of supported lipid membranes.</a> Microsc. Res. Techniq. 73, 965-972 (2010).</li><li>Garc&#237;a-S&#225;ez, A. J., Chiantia, S., Salgado, J., Schwille, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pore+Formation+by+a+Bax-Derived+Peptide:+Effect+on+the+Line+Tension+of+the+Membrane+Probed+by+AFM.">Pore Formation by a Bax-Derived Peptide: Effect on the Line Tension of the Membrane Probed by AFM.</a> Biophys. J. 93, 103-112 (2007).</li><li>Moreno Flores, S., Toca-Herrera, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+new+future+of+scanning+probe+microscopy:+Combining+atomic+force+microscopy+with+other+surface-sensitive+techniques,+optical+microscopy+and+fluorescence+techniques.">The new future of scanning probe microscopy: Combining atomic force microscopy with other surface-sensitive techniques, optical microscopy and fluorescence techniques.</a> Nanoscale. 1, 40-49 (2009).</li><li>Simons, K., Vaz, W. L. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Model+Systems,+Lipid+Rafts,+and+Cell+Membranes1.">Model Systems, Lipid Rafts, and Cell Membranes1.</a> Annu. Rev. Bioph. Biom. 33, 269-295 (2004).</li><li>Pike, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rafts+defined:+a+report+on+the+Keystone+symposium+on+lipid+rafts+and+cell+function.">Rafts defined: a report on the Keystone symposium on lipid rafts and cell function.</a> The Journal of Lipid Research. 47, 1597-1598 (2006).</li><li>Kahya, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+Lipid+Mobility+of+Raft-exhibiting+Model+Membranes+by+Fluorescence+Correlation+Spectroscopy.">Probing Lipid Mobility of Raft-exhibiting Model Membranes by Fluorescence Correlation Spectroscopy.</a> J. Biol. Chem. 278, 28109-28115 (2003).</li><li>Akbarzadeh, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liposome:+classification,+preparation+and+applications.">Liposome: classification, preparation and applications.</a> Nanoscale Research Letters. 8, 102 (2013).</li><li>Butt, H. -. J., Jaschke, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calculation+of+thermal+noise+in+atomic+force+microscopy.">Calculation of thermal noise in atomic force microscopy.</a> Nanotechnology. 6, 1-7 (1995).</li><li>Chon, J. W. M., Mulvaney, P., Sader, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+validation+of+theoretical+models+for+the+frequency+response+of+atomic+force+microscope+cantilever+beams+immersed+in+fluids.">Experimental validation of theoretical models for the frequency response of atomic force microscope cantilever beams immersed in fluids.</a> Journal of Applied Physics. 87, 3973 (2000).</li><li>Sader, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+response+of+cantilever+beams+immersed+in+viscous+fluids+with+applications+to+the+atomic+force+microscope.">Frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with applications to the atomic force microscope.</a> Journal of Applied Physics. 84, 64 (1998).</li><li>Sader, J. E., Pacifico, J., Green, C. P., Mulvaney, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=General+scaling+law+for+stiffness+measurement+of+small+bodies+with+applications+to+the+atomic+force+microscope.">General scaling law for stiffness measurement of small bodies with applications to the atomic force microscope.</a> Journal of Applied Physics. 97, 12490310 (2005).</li><li>Canale, C., Torre, B., Ricci, D., Braga, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recognizing+and+avoiding+artifacts+in+atomic+force+microscopy+imaging.">Recognizing and avoiding artifacts in atomic force microscopy imaging.</a> Methods Mol Biol. 736, 31-43 (2011).</li><li>Lee, M. -. T., Chen, F. -. Y., Huang, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energetics+of+Pore+Formation+Induced+by+Membrane+Active+Peptides.">Energetics of Pore Formation Induced by Membrane Active Peptides.</a> Biochemistry-US. 43, 3590-3599 (2004).</li><li>Henriksen, J. R., Ipsen, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+membrane+elasticity+by+micro-pipette+aspiration.">Measurement of membrane elasticity by micro-pipette aspiration.</a> The European physical journal. E, Soft matter. 14, 149-167 (2004).</li><li>Nichols-Smith, S., Teh, S. -. Y., Kuhl, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermodynamic+and+mechanical+properties+of+model+mitochondrial+membranes.">Thermodynamic and mechanical properties of model mitochondrial membranes.</a> BBA-Biomembranes. 1663, 82-88 (2004).</li><li>Tian, A., Johnson, C., Wang, W., Baumgart, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Line+Tension+at+Fluid+Membrane+Domain+Boundaries+Measured+by+Micropipette+Aspiration.">Line Tension at Fluid Membrane Domain Boundaries Measured by Micropipette Aspiration.</a> Phys. Rev. Lett. 98, (2007).</li><li>Rigaud, J. -. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Membrane+proteins:+functional+and+structural+studies+using+reconstituted+proteoliposomes+and+2-D+crystals.">Membrane proteins: functional and structural studies using reconstituted proteoliposomes and 2-D crystals.</a> Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 35, 753-766 (2002).</li></ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

SLBs composed of DOPC:SM:Chol (2:2:1) were formed on mica after vesicle adsorption and rupture induced by calcium chloride. This lipid composition separated into Ld and Lo phases. The Lo phase is enriched in sphingomyelin and cholesterol and is less fluid/more viscous (Figure 1A) than the Ld phase11. The separation of Lo from Ld phase manifests as circular structures elevated above the surrounding (Figure 1B, C)...

Rasterkraftmikroskopie (AFM) erzeugt ein Bild einer Oberfläche durch Abtasten über einen Bereich der Probe unter Verwendung eines Auslegers mit einer sehr scharfen Spitze 1. Die Bewegung des Auslegers tastet die Oberflächentopologie der Probe. AFM wurde weithin an biologische Moleküle aufgebracht - einschließlich Proteinen, DNA und Membranen, die aufgrund ihrer Flexibilität bei der Analyse von festen Proben in Luft oder nahezu native Zustand in flüssiger 2-5. Abgesehen von seiner hochauflösenden Imaging-Fähigkeit im Nanometerbereich, wirkt der AFM Cantilever als Feder, um Wechselwirkungskräfte (Adhäsion und Repulsion) und mechanischen Eigenschaften der Probe 5,6 sondieren. Dies wird als Kraftspektroskopie bekannt. In diesem Modus wird zuerst nähert die Sonde die Probe und übt eine Kraft auf, dann zurückgezogen wird, bis er den Kontakt verliert mit der Probe (1A). Die erzeugten Kurven zeigen Kraft als Funktion der Entfernung des Auslegers sowohl für den AppRotauge und Einfahren. Mehrere Objekte einschließlich des Elastizitätsmoduls, die Steifigkeit eines Materials zu messen, und Adhäsionskräfte ableiten. Unterstützte Lipid-Doppelschichten sind biologische Modellmembranen auf einem festen Träger liegend - in der Regel Glimmer, Borosilikatglas, Quarzglas, oder oxidierten Silizium 7. Sie werden mit verschiedenen Techniken wie Vesikel Abscheidung hergestellt, Langmuir-Blodgett-Verfahren und Spin-Coating 8,9. AFM verwendet wurde, um die Bildung dieser abgestützt Doppelschichten 10 zu folgen, und der Sonde unterschiedliche Strukturen von Membranen unterschiedlicher Zusammensetzungen 11-15 gebildet. Darstellende Kraftspektroskopie auf unterstützten Doppelschichten führt zu einer Spitze in der Ansatz-Kurve. Dieser Peak zeigt die Kraft, die benötigt, um die Doppelschicht zu durchdringen, und heißt Durchbruch Kraft. Die Doppelschichtdicke kann auch über die Kraftkurve 6 gemessen werden. Die typische Durchbruchkraft von DoppelschichtenBereich zwischen 1-50 nN 6. Diese Eigenschaften hängen von Lipidpackung (flüssig oder Gelphase) und Struktur (Acylkettenlänge und Grad der Ungesättigtheit) von membranaktiven Mittel 16 verändert. Die Theorie hinter dem Bruch wurde erläutert, 17 und andere experimentelle Parameter wie Cantilever Weichheit, Spitzenradius und Annäherungsgeschwindigkeit auch die bahnbrechende Kraft 15,16,18 beeinflussen. Kraftspektroskopie wurde verwendet, um die Eigenschaften der verschiedenen Lipidphasen 11,19, Zusammensetzung abhängigen Änderungen 12,20 sowie Wirkungen anderer Biomoleküle wie Peptide zu analysieren, auf die Stabilität der Membran 21. Die flache Orientierung unterstützt Doppelschichten ist für die Kombination von AFM mit anderen Verfahren wie Oberflächenplasmonresonanz 22 und der Fluoreszenzmikroskopie 11,19 eine bessere Charakterisierung Struktur und die Eigenschaften von Membranen vorteilhaft. Diese ausführliche Video protocol soll unterstützten Lipiddoppelschichten bereiten Vesikel mit Abscheidung und mit AFM und Kraftspektroskopie zu analysieren. Während Vesikel in verschiedenen Größen verwendet werden, um Doppelschichten herzustellen, konzentriert sich dieses Protokoll auf kleinen und großen unilamellaren Vesikeln. Unterstützte Doppelschichten, die in flüssige Phase bestellt (L o) und flüssige ungeordneten (L d) Phasentrennung wurden 11,15 aus. 2: 1-Verhältnis die Membran aus Di-oleoyl-phosphatidylcholin (DOPC), Sphingomyelin (SM) und Cholesterin (Chol) bei 2 besteht. Diese Zusammensetzung Modelle die Lipid Rafts, die vorgeschlagen werden, um als Plattform für wichtige Proteintransport und Sortierung, Zellsignalisierung und andere zelluläre Prozesse 23,24 verhalten.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine</td>
			<td>Avanti Polar Lipids, Inc.</td>
			<td>850375P</td>
			<td>Comes as lyophilized powder in sealed vials. Dissolve all powder in chloroform upon opening. Store extra as dried lipid films, under inert atmosphere, at -20&#176;C. For more information on storage and handling visit http://www.avantilipids.com/index.php?option=com_content&#38;view=article&#38;id=1679&#38;Itemid=398</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sphingomyelin (Brain, Porcine)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids, Inc.</td>
			<td>860062P</td>
			<td>Comes as lyophilized powder in large sealed plastic containers. Dissolve a spatula point of powder powder in chloroform upon opening. Store extra as dried lipid films, under inert atmosphere, at -20&#176;C.&#160; For more information on storage and handling visit http://www.avantilipids.com/index.php?option=com_content&#38;view=article&#38;id=1679&#38;Itemid=398</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cholesterol</td>
			<td>Avanti Polar Lipids, Inc.</td>
			<td>700000P</td>
			<td>Comes as lyophilized powder in large sealed plastic containers. Dissolve a spatula point of powder powder in chloroform upon opening. Store extra as dried lipid films, under inert atmosphere, at -20&#176;C.&#160; For more information on storage and handling visit http://www.avantilipids.com/index.php?option=com_content&#38;view=article&#38;id=1679&#38;Itemid=398</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium chloride (NaCl), 99.8%</td>
			<td>Carl Roth GmbH + Co. KG</td>
			<td>9265.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium chloride (KCl), 88%</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P9541</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydrogenphosphate (Na2HPO4), &#62;99%</td>
			<td>AppliChem GmbH</td>
			<td>A1046</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium dihydrogenphosphate (KH2PO4), 99%</td>
			<td>Carl Roth GmbH + Co. KG</td>
			<td>3904.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calcium chloride dihydrate (CaCl2), molecular biology grade</td>
			<td>AppliChem GmbH</td>
			<td>A4689</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES, molecular biology grade</td>
			<td>AppliChem GmbH</td>
			<td>A3724</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass coverslip, 24x60 mm, 1mm thickness</td>
			<td>Duran Group</td>
			<td>2355036</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mica blocks</td>
			<td>NSC Mica Exports Ltd.</td>
			<td></td>
			<td>These are mica pieces at least 1 sq. Inches in area and thickness randing from 0.006 inches to 0.016 inches. They are cut to a specific size by the company for shipping. Small mica discs can be punched from the mica blocks using the punch and die set.&#160; Always handle mica with gloves or tweezers.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Punch and Die Set</td>
			<td>Precision Brand Products, Inc</td>
			<td>40105</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Adhesive</td>
			<td>Norland Products, Inc.</td>
			<td>NOA 88</td>
			<td>Liquid adhesive that hardens when cured under long wavelength UV light.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory Equipment Grease</td>
			<td>Borer Chemie AG</td>
			<td>Glisseal N</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liposome Extruder</td>
			<td>Avestin</td>
			<td>LiposoFast-Basic</td>
			<td>As an alternative one can also look at offers from Northern Lipids, Inc.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adhesive Tape</td>
			<td>3M</td>
			<td>Scotch(R) Magic (TM) Tape 810 (1-inch)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bath Sonicator</td>
			<td>Bandelin Sonorex Digitec</td>
			<td>DT-31</td>
			<td>No heating, Frequency: 35 kHz, Ultrasonic Peak Output: 160 W, HF Power: 40 W. http://www.bandelin.com/datenblaetter/dt/DT_31_H_1798d_DE_GB_FR_BANDELIN.pdf</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon Nitride AFM Cantilever&#160;</td>
			<td>Bruker AFM Probes</td>
			<td>DNP-10</td>
			<td>Each cantilever has four tips and their nominal tip radius is 20 nm (with possible maximum at 60 nm). Based on the specifications, we use tip D with resonance frequency of 18 kHz, and nominal spring constant of 0.06 N/m.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AFM</td>
			<td>JPK</td>
			<td>JPK Nanowizard II mounted on Zeiss Axiovert 200</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

atomic force microscopy imaging and force spectroscopy of supported lipid bilayers

Atomic force microscopy (AFM) is a versatile, high-resolution imaging technique that allows visualization of biological membranes. It has sufficient magnification to examine membrane substructures and even individual molecules. AFM can act as a force probe to measure interactions and mechanical properties of membranes. Supported lipid bilayers are conventionally used as membrane models in AFM studies. In this protocol, we demonstrate how to prepare supported bilayers and characterize their structure and mechanical properties using AFM. These include bilayer thickness and breakthrough force. 
The information provided by AFM imaging and force spectroscopy help define mechanical and chemical properties of membranes. These properties play an important role in cellular processes such as maintaining cell hemostasis from environmental stress, bringing membrane proteins together, and stabilizing protein complexes.

Unterstützte Lipid-Doppelschichten von DOPC zusammengesetzt: SM: Chol (2: 2: 1) wurden in AFM abgebildet (Abbildung 2 AC). Aufgrund der Lipidzusammensetzung wurden SM / Chol reiche L o und DOPC reiche L d Phasen beobachtet. Das Höhenprofil der AFM-Bildgebung kann wichtige Informationen über die Membranstruktur zu schaffen. Indem man die Höhenprofils kann die Dicke der Doppelschicht in Anwesenheit von Defekten in der Membran (2B), oder die Differenz in der Höhe...

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Atomic Force Microscopy Imaging and Force Spectroscopy of Supported Lipid Bilayers

We describe a protocol for preparation of supported lipid bilayers and its characterization using atomic force microscopy and force spectroscopy.

Rasterkraftmikroskopie und Imaging Kraftspektroskopie von unterstützten Lipiddoppelschichten

Atomic force microscopy (AFM) is a versatile, high-resolution imaging technique that allows visualization of biological membranes. It has sufficient ...

atomic-force-microscopy-imaging-force-spectroscopy-supported-lipid

Research

JoVE Journal

Bioengineering

14.5K Aufrufe.  Interfaculty Institute for Biochemistry. We describe a protocol for preparation of supported lipid bilayers and its characterization using atomic force microscopy and force spectroscopy.

Serie: Atomic Force Microscopy Imaging and Force Spectroscopy of Supported Lipid Bilayers

Bacterial Immobilization for Imaging by Atomic Force Microscopy

AFM is a high-resolution (nm scale) imaging tool that mechanically probes a surface. It has the ability to image cells and biomolecules, in a liquid environment, without the need to chemically treat the sample. In order to accomplish this goal, the sample must sufficiently adhere to the mounting surface to prevent removal by forces exerted by the scanning AFM cantilever tip. In many instances, successful imaging depends on immobilization of the sample to the mounting surface. Optimally, immobilization should be minimally invasive to the sample such that metabolic processes and functional attributes are not compromised. By coating freshly cleaved mica surfaces with porcine (pig) gelatin, negatively charged bacteria can be immobilized on the surface and imaged in liquid by AFM. Immobilization of bacterial cells on gelatin-coated mica is most likely due to electrostatic interaction between the negatively charged bacteria and the positively charged gelatin. Several factors can interfere with bacterial immobilization, including chemical constituents of the liquid in which the bacteria are suspended, the incubation time of the bacteria on the gelatin coated mica, surface characteristics of the bacterial strain and the medium in which the bacteria are imaged. Overall, the use of gelatin-coated mica is found to be generally applicable for imaging microbial cells.

Live Gram-negative and Gram-positive bacteria can be immobilized on gelatin-coated mica and imaged in liquid using Atomic Force Microscopy (AFM).

Bakterielle Immobilisierung für Imaging von Atomic Force Microscopy

AFM is a high-resolution (nm scale) imaging tool that mechanically probes a surface.  It has the ability to image cells and biomolecules, in a liquid ...

Forschung

Biotechnik

Visualization of Recombinant DNA and Protein Complexes Using Atomic Force Microscopy

Atomic force microscopy (AFM) allows for the visualizing of individual proteins, DNA molecules, protein-protein complexes, and DNA-protein complexes. On the end of the microscope's cantilever is a nano-scale probe, which traverses image areas ranging from nanometers to micrometers, measuring the elevation of macromolecules resting on the substrate surface at any given point. Electrostatic forces cause proteins, lipids, and nucleic acids to loosely attach to the substrate in random orientations and permit imaging. The generated data resemble a topographical map, where the macromolecules resolve as three-dimensional particles of discrete sizes (Figure 1) 1,2. Tapping mode AFM involves the repeated oscillation of the cantilever, which permits imaging of relatively soft biomaterials such as DNA and proteins. One of the notable benefits of AFM over other nanoscale microscopy techniques is its relative adaptability to visualize individual proteins and macromolecular complexes in aqueous buffers, including near-physiologic buffered conditions, in real-time, and without staining or coating the sample to be imaged. 
The method presented here describes the imaging of DNA and an immunoadsorbed transcription factor (i.e. the glucocorticoid receptor, GR) in buffered solution (Figure 2). Immunoadsorbed proteins and protein complexes can be separated from the immunoadsorbing antibody-bead pellet by competition with the antibody epitope and then imaged (Figure 2A). This allows for biochemical manipulation of the biomolecules of interest prior to imaging. Once purified, DNA and proteins can be mixed and the resultant interacting complex can be imaged as well. Binding of DNA to mica requires a divalent cation 3,such as Ni2+ or Mg2+, which can be added to sample buffers yet maintain protein activity. Using a similar approach, AFM has been utilized to visualize individual enzymes, including RNA polymerase 4 and a repair enzyme 5, bound to individual DNA strands. These experiments provide significant insight into the protein-protein and DNA-protein biophysical interactions taking place at the molecular level. Imaging individual macromolecular particles with AFM can be useful for determining particle homogeneity and for identifying the physical arrangement of constituent components of the imaged particles. While the present method was developed for visualization of GR-chaperone protein complexes 1,2 and DNA strands to which the GR can bind, it can be applied broadly to imaging DNA and protein samples from a variety of sources.

A tapping mode atomic force microscope (AFM) method for the visualization of plasmid DNA, cytoplasmic proteins, and DNA-protein complexes is described. The method includes alternate approaches for preparing samples for AFM imaging following biochemical manipulation. DNA containing specific protein interacting regions are observed in near-physiologic buffer conditions.

Visualisierung von rekombinanten DNA-und Protein-Komplexe mit Atomic Force Microscopy

Atomic force microscopy (AFM) allows for the visualizing of individual proteins, DNA molecules, protein-protein complexes, and DNA-protein complexes. On ...

Quantifying the Mechanical Properties of the Endothelial Glycocalyx with Atomic Force Microscopy

Our understanding of the interaction of leukocytes and the vessel wall during leukocyte capture is limited by an incomplete understanding of the mechanical properties of the endothelial surface layer. It is known that adhesion molecules on leukocytes are distributed non-uniformly relative to surface topography 3, that topography limits adhesive bond formation with other surfaces 9, and that physiological contact forces (&asymp; 5.0 &minus; 10.0 pN per microvillus) can compress the microvilli to as little as a third of their resting length, increasing the accessibility of molecules to the opposing surface 3, 7. We consider the endothelium as a two-layered structure, the relatively rigid cell body, plus the glycocalyx, a soft protective sugar coating on the luminal surface 6. It has been shown that the glycocalyx can act as a barrier to reduce adhesion of leukocytes to the endothelial surface 4. In this report we begin to address the deformability of endothelial surfaces to understand how the endothelial mechanical stiffness might affect bond formation. Endothelial cells grown in static culture do not express a robust glycocalyx, but cells grown under physiological flow conditions begin to approximate the glycocalyx observed in vivo 2. The modulus of the endothelial cell body has been measured using atomic force microscopy (AFM) to be approximately 5 to 20 kPa 5. The thickness and structure of the glycocalyx have been studied using electron microscopy 8, and the modulus of the glycocalyx has been approximated using indirect methods, but to our knowledge, there have been no published reports of a direct measurement of the glycocalyx modulus in living cells. In this study, we present indentation experiments made with a novel AFM probe on cells that have been cultured in conditions to maximize their glycocalyx expression to make direct measurements of the modulus and thickness of the endothelial glycocalyx.

The mechanical characteristics of endothelial glycocalyx were measured by indentation using micron sized spheres on AFM cantilevers. Endothelial cells were cultured in a custom chamber under physiological flow conditions to induce glycocalyx expression. Data were analyzed using a thin film model to determine the glycocalyx thickness and modulus.

Die Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften des Endothelial Glykokalyx mit Atomic Force Microscopy

Our  understanding of the interaction of leukocytes and the vessel wall during  leukocyte capture is limited by an incomplete understanding of the ...

Measuring the Mechanical Properties of Living Cells Using Atomic Force Microscopy

Mechanical properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many biological processes including stem cell differentiation, tumor formation, and wound healing. Changes in stiffness of cells and ECM are often signs of changes in cell physiology or diseases in tissues. Hence, cell stiffness is an index to evaluate the status of cell cultures. Among the multitude of methods applied to measure the stiffness of cells and tissues, micro-indentation using an Atomic Force Microscope (AFM) provides a way to reliably measure the stiffness of living cells. This method has been widely applied to characterize the micro-scale stiffness for a variety of materials ranging from metal surfaces to soft biological tissues and cells. The basic principle of this method is to indent a cell with an AFM tip of selected geometry and measure the applied force from the bending of the AFM cantilever. Fitting the force-indentation curve to the Hertz model for the corresponding tip geometry can give quantitative measurements of material stiffness. This paper demonstrates the procedure to characterize the stiffness of living cells using AFM. Key steps including the process of AFM calibration, force-curve acquisition, and data analysis using a MATLAB routine are demonstrated. Limitations of this method are also discussed.

This paper demonstrates a protocol to characterize the mechanical properties of living cells by means of microindentation using an Atomic Force Microscope (AFM).

Messung der mechanischen Eigenschaften von lebenden Zellen mit Atomic Force Microscopy

Mechanical  properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many  biological processes including stem cell differentiation, ...

Preparation of Mica Supported Lipid Bilayers for High Resolution Optical Microscopy Imaging

Supported lipid bilayers (SLBs) are widely used as a model for studying membrane properties (phase separation, clustering, dynamics) and its interaction with other compounds, such as drugs or peptides. However SLB characteristics differ depending on the support used. 
Commonly used techniques for SLB imaging and measurements are single molecule fluorescence microscopy, FCS and atomic force microscopy (AFM). Because most optical imaging studies are carried out on a glass support, while AFM requires an extremely flat surface (generally mica), results from these techniques cannot be compared directly, since the charge and smoothness properties of these materials strongly influence diffusion. Unfortunately, the high level of manual dexterity required for the cutting and gluing thin slices of mica to the glass slide presents a hurdle to routine use of mica for SLB preparation. Although this would be the method of choice, such prepared mica surfaces often end up being uneven (wavy) and difficult to image, especially with small working distance, high numerical aperture lenses. Here we present a simple and reproducible method for preparing thin, flat mica surfaces for lipid vesicle deposition and SLB preparation. Additionally, our custom made chamber requires only very small volumes of vesicles for SLB formation. The overall procedure results in the efficient, simple and inexpensive production of high quality lipid bilayer surfaces that are directly comparable to those used in AFM studies.

We present a method of preparing mica supported lipid bilayers for high resolution microscopy. Mica is transparent and flat on an atomic scale, but rarely used in imaging because of handling difficulties; our preparation results in even deposition of the mica sheet, and reduces the material used in bilayer preparation.

Herstellung von Mica Unterstützte Lipiddoppelschichten für Hochauflösende Optische Mikroskopie Imaging

Supported lipid bilayers (SLBs) are widely used as a model for studying membrane properties (phase separation, clustering, dynamics) and its interaction ...

Novel Atomic Force Microscopy Based Biopanning for Isolation of Morphology Specific Reagents against TDP-43 Variants in Amyotrophic Lateral Sclerosis

Because protein variants play critical roles in many diseases including TDP-43 in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), alpha-synuclein in Parkinson&#8217;s disease and beta-amyloid and tau in Alzheimer&#8217;s disease, it is critically important to develop morphology specific reagents that can selectively target these disease-specific protein variants to study the role of these variants in disease pathology and for potential diagnostic and therapeutic applications. We have developed novel atomic force microscopy (AFM) based biopanning techniques that enable isolation of reagents that selectively recognize disease-specific protein variants. There are two key phases involved in the process, the negative and positive panning phases. During the negative panning phase, phages that are reactive to off-target antigens are eliminated through multiple rounds of subtractive panning utilizing a series of carefully selected off-target antigens. A key feature in the negative panning phase is utilizing AFM imaging to monitor the process and confirm that all undesired phage particles are removed. For the positive panning phase, the target antigen of interest is fixed on a mica surface and bound phages are eluted and screened to identify phages that selectively bind the target antigen. The target protein variant does not need to be purified providing the appropriate negative panning controls have been used. Even target protein variants that are only present at very low concentrations in complex biological material can be utilized in the positive panning step. Through application of this technology, we acquired antibodies to protein variants of TDP-43 that are selectively found in human ALS brain tissue. We expect that this protocol should be applicable to generating reagents that selectively bind protein variants present in a wide variety of different biological processes and diseases.

Using atomic force microscopy in combination with biopanning technology we created a negative and positive biopanning system to acquire antibodies against disease-specific protein variants present in any biological material, even at low concentrations. We were successful in obtaining antibodies to TDP-43 protein variants involved in Amyotrophic Lateral Sclerosis.

Novel Rasterkraftmikroskopie.Wie Biopanning für Isolierung von Morphologie Spezifische Reagenzien gegen TDP-43 Varianten in Amyotrophe Lateralsklerose

Because protein variants play critical roles in many diseases including TDP-43 in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), alpha-synuclein in ...

Single Molecule Fluorescence Microscopy on Planar Supported Bilayers

In the course of a single decade single molecule microscopy has changed from being a secluded domain shared merely by physicists with a strong background in optics and laser physics to a discipline that is now enjoying vivid attention by life-scientists of all venues 1. This is because single molecule imaging has the unique potential to reveal protein behavior in situ in living cells and uncover cellular organization with unprecedented resolution below the diffraction limit of visible light 2. Glass-supported planar lipid bilayers (SLBs) are a powerful tool to bring cells otherwise growing in suspension in close enough proximity to the glass slide so that they can be readily imaged in noise-reduced Total Internal Reflection illumination mode 3,4. They are very useful to study the protein dynamics in plasma membrane-associated events as diverse as cell-cell contact formation, endocytosis, exocytosis and immune recognition. Simple procedures are presented how to generate highly mobile protein-functionalized SLBs in a reproducible manner, how to determine protein mobility within and how to measure protein densities with the use of single molecule detection. It is shown how to construct a cost-efficient single molecule microscopy system with TIRF illumination capabilities and how to operate it in the experiment.

Preparation of protein-functionalized planar glass-supported lipid bilayers, determination of protein mobility within and measurement of protein densities is shown here. A roadmap to building a noise-reduced Total Internal Reflection microscope is outlined, which allows visualizing single bilayer-resident fluorochromes with high spatiotemporal resolution.

Einzelmolekülfluoreszenzmikroskopie auf Planar Unterstützte Bilayers

In the course of a single decade single molecule microscopy has changed from being a secluded domain shared merely by physicists with a strong background ...

Fabrication and Implementation of a Reference-Free Traction Force Microscopy Platform

Quantifying cell-induced material deformation provides useful information concerning how cells sense and respond to the physical properties of their microenvironment. While many approaches exist for measuring cell-induced material strain, here we provide a methodology for monitoring strain with sub-micron resolution in a reference-free manner. Using a two-photon activated photolithographic patterning process, we demonstrate how to generate mechanically and bio-actively tunable synthetic substrates containing embedded arrays of fluorescent fiducial markers to easily measure three-dimensional (3D) material deformation profiles in response to surface tractions. Using these substrates, cell tension profiles can be mapped using a single 3D image stack of a cell of interest. Our goal with this methodology is to make traction force microscopy a more accessible and easier to implement tool for researchers studying cellular mechanotransduction processes, especially newcomers to the field.

This protocol provides instructions for implementing multiphoton lithography to fabricate three-dimensional arrays of fluorescent fiducial markers embedded in poly(ethylene glycol)-based hydrogels for use as reference-free, traction force microscopy platforms. Using these instructions, measurement of 3D material strain and calculation of cellular tractions is simplified to promote high-throughput traction force measurements.

Herstellung und Implementierung einer referenzfreien Traktionskraftmikroskopie-Plattform

Quantifying cell-induced material deformation provides useful information concerning how cells sense and respond to the physical properties of their ...

Application of Atomic Force Microscopy to Detect Early Osteoarthritis

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in elasticity can propagate or trigger the onset of major diseases like cancer or osteoarthritis (OA). Atomic force microscopy (AFM) has emerged as a strong tool to qualitatively and quantitatively characterize the biomechanical properties of specific biological target structures on a microscopic scale, measuring forces in a range from as small as the piconewton to the micronewton. Biomechanical properties are of special importance in musculoskeletal tissues, which are subjected to high levels of strain. OA as a degenerative disease of the cartilage results in the disruption of the pericellular matrix (PCM) and the spatial rearrangement of the chondrocytes embedded in their extracellular matrix (ECM). Disruption in PCM and ECM has been associated with changes in the biomechanical properties of cartilage. In the present study we used AFM to quantify these changes in relation to the specific spatial pattern changes of the chondrocytes. With each pattern change, significant changes in elasticity were observed for both the PCM and ECM. Measuring the local elasticity thus allows for drawing direct conclusions about the degree of local tissue degeneration in OA.

We present a method to investigate early osteoarthritic changes at the cellular level in articular cartilage by using atomic force microscopy (AFM).

Anwendung der Atomkraftmikroskopie zur Erkennung früher Osteoarthritis

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in ...

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record forces curves on 1000 cells in 4 hours automatically. To maintain a 4 hour analysis time, the number of force curves per cell is reduced to 9 or 16. The method combines a Jython based program and a strategy for assembling cells on defined patterns. The program, implemented on a commercial Bio-AFM, can center the tip on the first cell of the array and then move, automatically, from cell to cell while recording force curves on each cell. Using this methodology, it is possible to access the biophysical parameters of the cells such as their rigidity, their adhesive properties, etc. With the automation and the large number of cells analyzed, one can access the behavior of the cell population. This is a breakthrough in the Bio-AFM field where data have, so far, been recorded on only a few tens of cells.

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

This protocol aims to automate AFM measurements on hundreds of microbial cells. First, microbes are immobilized into PDMS stamp microstructures and then force spectroscopy measurements are performed automatically on hundreds of immobilized cells.

Automatisierung von Bio-Rasterkraftmikroskop-Messungen an Hunderten von C. albicans-Zellen

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record ...