Die Autoren danken Benoit Sorre, Damien Cuvelier, Pierre Nassoy, François Quemeneur und Gil Toombes für ihre wesentliche Beiträge zur Nanotube-Methode in der Gruppe zu etablieren. Die P.B-Gruppe gehört das CNRS-Konsortium CellTiss, Labex CelTisPhyBio (ANR-11-LABX0038) und Paris Sciences et Lettres (ANR-10-IDEX-0001-02). F. C. Tsai wurde von EMBO langfristige Fellowship (ALTF 1527-2014) und Marie Curie Aktionen (H2020-MSCA-IF-2014, Projekt Membran-Ezrin-Aktin) finanziert. M.S. ist Junior Fellow Simons Society of Fellows.

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Die Methode des Ziehens Röhren aus GUVs gibt umfassende Informationen über das Membranprotein System, wie es nicht nur die Mittel ist, um die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der Membran zu messen, aber es hilft, die Aufschluss über die Kopplung zwischen Proteinen und Membran Krümmung. Wie in der Einleitung erwähnt, andere Techniken existieren, um die Wirkungen der Membran-geschwungene Proteine messen durch Inkubation der Proteine mit Sub-Mikrometer-Liposomen angebunden an eine passivierte Oberfläche<sup cl...

Viele zelluläre Prozesse, wie z. B. Endozytose, Menschenhandel, die Bildung von Filopodien, Infektion, etc., werden durch eine dramatische Veränderung in der Form von Zellmembranen1,2begleitet. In der Zelle beteiligen sich eine Reihe von Proteinen in diesen Prozessen durch Bindung an die Membran und verändern ihre Form. Die bemerkenswertesten Beispiele sind Mitglieder der Bin/gekrümmte/Rvs (BAR)-Proteinfamilie, enthält ein Merkmal intrinsisch geschwungene BAR Domäne3,4,5,6,7. In der Regel interagieren sie mit der Membran durch die Einhaltung der BAR-Domäne an die Oberfläche und in vielen Fällen auch flach amphipathische Helices in der Bilayer einfügen. Form, Größe und Ladung des Geschäftsfeldes BAR zusammen mit der Anzahl der amphipathische Helices bestimmt: (1) die Richtung der Krümmung der Membran (d. h., ob sie Invaginations oder Vorsprünge induziert werden), und (2) das Ausmaß der Membran Krümmung5,8. Der Hinweis hier positive Krümmung der konvexen Seite die gebogene Membran, d.h., die Ausbuchtung in Richtung der wechselwirkenden Teilchen, und negative sonst bezeichnet. Darüber hinaus quantitative Studien der BAR Proteine ergaben, dass ihre Wirkung auf die Membran hängt von einer Reihe von physikalischen Parametern: Dichte von Proteinen, Membran-Spannung und Membran-Form (flach im Vergleich zu röhrenförmigen im Vergleich zu sphärischen Oberfläche Form)7. Abhängig von diesen Parametern BAR Proteine können: (1) dienen als Sensoren der Membran Krümmung, (2) beugen Membranen oder (3) induzieren Membran Spaltung7.
Aufgrund der Vielzahl der Beteiligten bei der Neugestaltung der Membran in die Zelle, studieren die quantitativen Aspekte der Phänomene, wie z. B. Endozytose Komponenten, ist in Vivo extrem schwierig. In-vitro- Rekonstitution der minimalen Komponenten imitiert gekrümmte Membranen in der Zelle ermöglicht ein mechanistischen Verständnis wie Membran-geschwungene Proteine zu betreiben. Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll um eine Membran Nanoröhrchen in Vitro mit Mikromanipulation, konfokale Mikroskopie und optische Pinzette wieder zusammenzusetzen. Der Ansatz kann verwendet werden, in einer quantitativen Weise zu untersuchen, wie Proteine, Lipide oder kleine Moleküle mit gebogenen Membranen interagieren. Lipid GUVs dienen als Modelle für eine Zellmembran, deren Krümmung im Vergleich zur Größe der interagierenden Membran-geschwungene Moleküle vernachlässigbar. Sie sind bereit, mit der Electroformation Methode9 in dem die Bläschen gebildet werden, durch ein Lipid-Film feuchtigkeitsspendende und Schwellung es in GUVs unter einem Wechselstrom (AC)10. Am häufigsten verwendeten Substrate auf die GUVs angebaut werden sind entweder halbleitenden Platten beschichtet mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder Platin (Pt-Drähte)11Drähte. In dieser Arbeit werden GUVs auf Pt-Drähte angebaut, wie diese Methode viel besser als die Alternative bei der Herstellung GUVs in Anwesenheit von Salzen in den Puffer12Arbeiten gezeigt hat. Obwohl das Electroformation-Protokoll ausreichend detailliert, es zu reproduzieren hier beschrieben ist, verweisen wir den Leser auf früheren Artikeln, in denen ähnliche und andere Verfahren zur Herstellung von GUVs im Detail13,14beschrieben wurden. In unseren Händen hat Electroformation auf Pt-Drähte erfolgreich GUVs aus einer Mischung von synthetischen Lipiden oder natürliche Lipid Extrakte in einem Puffer mit ~ 100 mM NaCl erbracht. Darüber hinaus war es auch möglich, Proteine innen GUVs während des Wachstums zu Kapseln. Abbildung 1Azeigt eine Beispiel-Electroformation-Kammer; Es besteht aus zwei ca. 10 cm lange Pt-Drähte eingefügt in eine Halterung hergestellt aus Polytetrafluorethylen (PTFE), die auf beiden Seiten mit Glasdeckgläser versiegelt werden kann ~ 1-2 cm auseinander (Abb. 1A).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56086/56086fig1.jpg"> Abbildung 1: Versuchsaufbau. (A) die GUV Electroformation Kammer mit elektrischen Anschlüssen an Pt-Drähte befestigt. (B) links: das experimentelle System das Mikroskop zeigt, die experimentelle Kammer über das Ziel und zwei Mikropipetten (links und rechts) die Mikromanipulatoren zugeordnet und eingefügt in die experimentelle Kammer für das Rohr zu ziehen und Protein Injektion. Rechts: eine Nahansicht der experimentellen Kammer über dem Ziel zeigen die Spitzen der Aspiration und die Injektion Mikropipetten eingefügt montiert. (C) eine Spritze ist ausgestattet mit einem dünnen Dispenser in einer Mikropipette an seinem hinteren Ende eingefügt. Der Boden ist eine Nahansicht des Spenders in die Mikropipette mit der blau gepunkteten Linie umreißt die Mikropipette. Dieses System wird verwendet, um die Mikropipette mit Kasein auf die Glasoberfläche passiviert und füllen mit Mineralöl bei Bedarf wieder zu füllen. (D) ein System zur µL Mengen der Proteinlösung Aspirieren. Die Nadel ist verbunden, um eine Spritze und Schläuche, die mit der Injektion Mikropipette verbunden ist. Die Mikropipette Spitze sorgfältig eingetaucht in die Proteinlösung und abgesaugt, also um die Mikropipette Spitze gefüllt. Die Mikropipette wird dann wieder gefüllt mit Mineralöl mit dem System gezeigt im Bedienfeld "C. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56086/56086fig1large.jpg" target="_blank">Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.</a>
Ein Membran-Nanoröhrchen, im Umkreis von 7 nm bis mehrere hundert nm, kann aus einer GUV durch eine externe Kraft gezogen werden. Diese Methode wurde ursprünglich entwickelt, um die elastischen Eigenschaften von Zellmembranen und Vesikel, wie z. B. die Biege Steifigkeit15,16messen. In jüngsten Arbeiten wurde die Methode erweitert, um die Wechselwirkung von Proteinen mit gebogenen Membranen zu studieren, von den Proteinen in der Nähe der gezogenen Nanotube7,17microinjecting. Andere Methoden haben für das Studium geschwungenen Membran Proteine entwickelt worden. In einer Methode sind Proteine mit unterschiedlich großen Liposomen angebunden an eine passivierte Oberfläche inkubiert. Konfokale Mikroskopie wird verwendet, um die Proteinbindung als Funktion der Liposomen Durchmesser messen die Krümmung-induzierte Sortierung18,19angeben können. In einer anderen Methode werden Proteine in der Nähe einer Mikro-aspirierten GUV, Messen Sie ihre Fähigkeit, spontan Tubuli20,21induzieren injiziert. In diesem Protokoll beschriebene Methode eignet sich eindeutig studieren geschwungenen Membran Proteine beteiligt Endozytose, begegnen die meisten Proteine in der Regel vorgeformte Membran Nanoröhren verbinden die Fracht-haltigen Membran Einstülpen mit der zugrunde liegenden flachen Plasmamembran. Darüber hinaus ist bei dieser Methode wird im Gegensatz zu in der Probe mit gefesselte kleine Liposomen Membran Nanotube kontinuierlich an die Membran verbunden; Daher ist es im mechanischen Gleichgewicht mit der GUV, eine Situation erwartet in Vivo. Daher grundlegende Membran Physik gilt, und wir können eine Vielzahl von mechanischen Eigenschaften ableiten, aus unseren Messungen22,23,24.
Für eine vollständige Implementierung dieser Methode beinhaltet die notwendige Ausrüstung ein confocal Mikroskop, optische Pinzette und ein oder zwei Mikropipetten mit einem Wassertank (Abbildung 1 b) verbunden. Durch die Kombination aller drei, ist es möglich, gleichzeitig messen Membran Spannung, Membran Krümmung, Flächendichte von Proteinen, und Kraft25Rohr. Mikropipette Aspiration ist wichtig und es ist einfach aufgebaut, indem man ein Glas Mikropipette in eine Halterung mit einem Wassertank, der über hydrostatischen Druck die Aspiration Druck26 steuertverbunden. Die Mikropipette und der Halter sind mit einem Mikromanipulator und idealerweise in eine Richtung ein Piezo-Aktor für präzise Bewegung gesteuert. Ein Nanoröhrchen zu ziehen, ist Microaspirated GUV kurz auf ein Mikron mittelständische Korn dann zog Weg schaffen ein Nanotube aufgeklebt. In dieser Implementierung ist die Perle von optischen Pinzette gehalten, konstruiert werden kann, indem Sie die folgenden veröffentlichten Protokoll27. Es ist möglich, auf unterschiedliche Weise der optischen Pinzette und Pull-Nanoröhren verzichten zwar auf Kosten der genaue Kraftmessungen. Wenn es zu schwierig, eine optische Falle zu bauen oder Kraftmessungen sind nicht zwingend notwendig, wie will man einfach nur die Vorliebe von Proteinen für gekrümmte Membranen überprüfen kann ein Rohr mit einer Perle an der Spitze einer zweiten Mikropipette28aspiriert gezogen werden. Es ist auch möglich, ziehen Röhrchen mit Gravitationskraft29 oder30,31zu fließen. Darüber hinaus ist auch konfokalen Mikroskopie nicht wesentlich; Es ist jedoch so bevorzugt die Flächendichte von Proteinen zu messen. Es ermöglicht auch die Messung des Nanotube-Radius von Fluoreszenzintensität von Lipiden in der Röhre, also unabhängig von der Membran Kraft und Spannung. Ableitens Rohr-Radius von Fluoreszenz ist besonders wichtig, wenn die Beziehung zwischen diesen Größen von etablierten Gleichungen aufgrund des Vorhandenseins der Membran eingehalten Proteine25abweicht. Wichtig ist, kann nicht einer optischen Falle sowohl der konfokalen Mikroskopie zu verzichten, da es nicht möglich, die Krümmung des Rohres zu messen.
Die Methode wie beschrieben in diesem Protokoll wurde verwendet, um zu studieren, die Krümmung-induzierte Sortierung von verschiedenen peripheren Membranproteinen auf Nanoröhren, vor allem diejenigen aus der BAR Familie25,32,33,34 . Es wurde auch gezeigt, dass die konisch geformten transmembranen Kaliumkanal KvAP auf bereichert ist als BAR-Proteine35Nanoröhren in gleicher Weise gebogen. Durch die Optimierung der Methode um Proteine innen GUVs Kapseln, ist die Interaktion von Proteinen mit negativer Krümmung vor kurzem als gut36untersucht worden. Darüber hinaus wurde diese Methode, die Bildung von Protein Gerüste25,37 aufzuklären und den Mechanismus der Spaltung der Membran durch entweder Linie Spannung38, Protein Dynamin39, oder BAR zu studieren verwendet Proteine-40,-41. Neben Proteinen können kleine Moleküle oder Ionen auch Krümmung auslösen. Mit dieser Methode wurden Calcium-Ionen induzieren positive Krümmung unter salzfreie Bedingungen42gezeigt. Interessanterweise hat auch gezeigt, dass die Lipide Krümmung sortieren, obwohl nur für Kompositionen unterziehen können, die in der Nähe ein demixing Punkt43,44. Zusammenfassend lässt sich sagen die Methode kann verwendet werden, von Forschern interessiert untersucht wie entweder fester Membran-Komponenten (z. B., Lipide oder transmembranen Proteine) oder peripher Moleküle binden (entweder innen oder außen GUVs) interagieren mit zylindrisch gebogenen Membranen aus mechanischen und quantitativen Gesichtspunkten. Es richtet sich auch an Interessenten, die bei der Messung der mechanischen Eigenschaften der Membran selbst22,23,45.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DOPC)</td>
			<td>Avanti</td>
			<td>850375</td>
			<td>Example lipid used in data for Figure 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[biotinyl(polyethyleneglycol)-2000] [DSPE-PEG(2000)-biotin]</td>
			<td>Avanti</td>
			<td>880129</td>
			<td>biotinylated lipid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BODIPY-TR-C5-ceramide</td>
			<td>Molecular Probes (ThermoFisher)</td>
			<td>D7540</td>
			<td>fluorescent lipid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BODIPY- FLC5-hexadecanoyl phosphatidylcholine (HPC*)</td>
			<td>Molecular Probes (ThermoFisher)</td>
			<td></td>
			<td>fluorescent lipid for protein density calibration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>egg L-&#945;-phosphatidylcholine (eggPC)</td>
			<td>Avanti</td>
			<td>840051</td>
			<td>used for calibrating the tube radius constant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#946;-casein from bovine milk (&#62;99%)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>C6905</td>
			<td>used for passivating the micropipette and the experimental chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sucrose</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S7903</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D(+) glucose</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>G7021</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S7653</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>10708976001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>osmometer</td>
			<td>Loser</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pt-wires, 0.5 mm diameter, 99.99% pure</td>
			<td>Goodfellow USA</td>
			<td>PT005139</td>
			<td>used for GUV electroformation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>function generator</td>
			<td></td>
			<td>n/a</td>
			<td>used to create current for GUV electroformation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>putty sealant</td>
			<td>Vitrex (from CML France)</td>
			<td>CRIT 140013</td>
			<td>used to seal the electroformation chamber</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>bath sonicator</td>
			<td></td>
			<td>n/a</td>
			<td>useful to clean the electroformation chamber, but not crucial</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon TE2000 inverted microscope, eC1 confocal system (Nikon), with two laser lines (&#955; = 488 nm and 543 nm); optical tweezers induced by a 5 W ytterbium fiber continuous wave laser (&#955; &#62; 1070 nm; IPG GmBH Germany)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>an example of a confocal microscopy system equipped with optical tweezers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>micromanipulators</td>
			<td></td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>borosilicate capillaries (with internal and external radii of 0.78 mm and 1 mm, respectively)</td>
			<td>Harvard apparatus</td>
			<td>30-0036</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>micropipette puller</td>
			<td>Sutter Instrument</td>
			<td>P-2100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microforge</td>
			<td>Narishige</td>
			<td>MF-800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>piezoelectric actuator</td>
			<td>Physik Instrumente</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>polystyrene streptavidin coated beads (diameter 3.2 &#181;m)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>SVP-30-5</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

pulling membrane nanotubes from giant unilamellar vesicles

Die Umgestaltung der Zellmembran ist ein integraler Bestandteil der viele zelluläre Phänomene, z. B. Endozytose, Menschenhandel, die Bildung von Filopodien, etc.. Viele verschiedene Proteine assoziieren mit gebogenen Membranen aufgrund ihrer Fähigkeit, Sinn oder Membran Krümmung zu induzieren. Diese Prozesse beinhalten in der Regel eine Vielzahl von Proteinen macht sie zu komplex, um quantitativ in der Zelle zu studieren. Wir beschreiben ein Protokoll, um eine gebogene Membran in Vitro, rekonstruieren imitiert eine gebogene Zellstruktur, wie der endocytic Hals. Ein giant Unilamellar Vesicle (GUV) dient als ein Modell der Zellmembran, dessen Innendruck und Oberflächenspannung mit Mikropipette Aspiration gesteuert werden. Anwendung einer Zugkraft von Punkt auf der optischen Pinzette GUV erstellt ein Nanotube starken Kurven auf eine flache Membran verbunden. Diese Methode ist traditionell verwendet, um die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der Lipidmembranen, wie biegen Steifigkeit zu messen. In den letzten Jahren wurde es erweitert um Interaktion von Proteinen mit Membran-Krümmung und die Art und Weise, die Sie die Form und die Mechanik der Membranen beeinflussen, zu studieren. Ein System verbindet Mikromanipulation, Mikroinjektion, optische Pinzette und konfokalen Mikroskopie ermöglicht Messung der Krümmung der Membran Membran Spannung und die Flächendichte von Proteinen, gleichzeitig. Aus diesen Messungen können viele wichtige mechanische und morphologische Eigenschaften von Protein-Membran-System abgeleitet werden. Darüber hinaus legen wir ein Protokoll GUVs im Beisein von physiologischen Salzkonzentration und eine Methode zur Quantifizierung der Flächendichte von Proteinen auf der Membran von Fluoreszenz-Intensität von markierte Proteine und Lipide zu schaffen.

Das Rohr ziehen Experiment kann wichtige mechanische Informationen über die Membran geben. Bei fehlender Proteine oder andere Moleküle, die paar mit Krümmung der Membran, die Membran zu erzwingen und Rohr-Radius kann mit Membran Spannung bezogen werden, durch die Anwendung der Canham Helfrich Hamiltonian zog Gleichung zu einem Schlauch aus GUV50,51 
<img alt="Equation...

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Pulling Membrane Nanotubes from Giant Unilamellar Vesicles

Viele Proteine in der Zelle spüren und Krümmung der Membran zu induzieren. Wir beschreiben eine Methode zur Membran Nanoröhrchen aus Lipid Vesicles, die Interaktion von Proteinen oder jede Krümmung-aktive Molekül mit gebogenen Membranen in VitroStudie ziehen.

Membran-Nanoröhrchen ziehen aus riesigen Unilamellar Vesikel

The reshaping of the cell membrane is an integral part of many cellular phenomena, such as endocytosis, trafficking, the formation of filopodia, etc. Many ...

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Research

JoVE Journal

Biology

10.9K Aufrufe.  PSL Research University, CNRS UMR168. Viele Proteine in der Zelle spüren und Krümmung der Membran zu induzieren. Wir beschreiben eine Methode zur Membran Nanoröhrchen aus Lipid Vesicles, die Interaktion von Proteinen oder jede Krümmung-aktive Molekül mit gebogenen Membranen in VitroStudie ziehen.

Serie: Pulling Membrane Nanotubes from Giant Unilamellar Vesicles

Crystallizing Membrane Proteins for Structure Determination using Lipidic Mesophases

A detailed protocol for crystallizing membrane proteins by using lipidic mesophases is described. This method has variously been referred to as the lipidic cubic phase or in meso method. The method has been shown to be quite versatile in that it has been used to solve X-ray crystallographic structures of prokaryotic and eukaryotic proteins, proteins that are monomeric, homo- and hetero-multimeric, chromophore-containing and chromophore-free, and alpha-helical and beta-barrel proteins. Recent successes using in meso crystallization are the human engineered beta2-adrenergic and adenosine A2a G protein-coupled receptors. Protocols are presented for reconstituting the membrane protein into the monoolein-based mesophase, and for setting up crystallizations in the manual mode. Additional steps in the overall process, such as crystal harvesting, are to be addressed in future video articles. The time required to prepare the protein-loaded mesophase and to set up a crystallization plate manually is about one hour.

Herein is described the procedure implemented in the Caffrey Membrane Structural and Functional Biology Group to set up manually crystallization trials of membrane proteins in lipidic mesophases.

Crystallizing Membranproteinen zur Strukturaufklärung mittels Lipidische Mesophasen

A detailed protocol for crystallizing membrane proteins by using lipidic mesophases is described. This method has variously been referred to as the ...

Forschung

Biologie

Measuring Peptide Translocation into Large Unilamellar Vesicles

There is an active interest in peptides that readily cross cell membranes without the assistance of cell membrane receptors1. Many of these are referred to as cell-penetrating peptides, which are frequently noted for their potential as drug delivery vectors1-3. Moreover, there is increasing interest in antimicrobial peptides that operate via non-membrane lytic mechanisms4,5, particularly those that cross bacterial membranes without causing cell lysis and kill cells by interfering with intracellular processes6,7. In fact, authors have increasingly pointed out the relationship between cell-penetrating and antimicrobial peptides1,8. A firm understanding of the process of membrane translocation and the relationship between peptide structure and its ability to translocate requires effective, reproducible assays for translocation. Several groups have proposed methods to measure translocation into large unilamellar lipid vesicles (LUVs)9-13. LUVs serve as useful models for bacterial and eukaryotic cell membranes and are frequently used in peptide fluorescent studies14,15. Here, we describe our application of the method first developed by Matsuzaki and co-workers to consider antimicrobial peptides, such as magainin and buforin II16,17. In addition to providing our protocol for this method, we also present a straightforward approach to data analysis that quantifies translocation ability using this assay. The advantages of this translocation assay compared to others are that it has the potential to provide information about the rate of membrane translocation and does not require the addition of a fluorescent label, which can alter peptide properties18, to tryptophan-containing peptides. Briefly, translocation ability into lipid vesicles is measured as a function of the Foster Resonance Energy Transfer (FRET) between native tryptophan residues and dansyl phosphatidylethanolamine when proteins are associated with the external LUV membrane (Figure 1). Cell-penetrating peptides are cleaved as they encounter uninhibited trypsin encapsulated with the LUVs, leading to disassociation from the LUV membrane and a drop in FRET signal. The drop in FRET signal observed for a translocating peptide is significantly greater than that observed for the same peptide when the LUVs contain both trypsin and trypsin inhibitor, or when a peptide that does not spontaneously cross lipid membranes is exposed to trypsin-containing LUVs. This change in fluorescence provides a direct quantification of peptide translocation over time.

This protocol details a method for the quantitative measure of peptide translocation into large unilamellar lipid vesicles. This method also provides information about the rate of membrane translocation and can be used to identify peptides that efficiently and spontaneously cross lipid bilayers.

Mess-Peptide Translokation in große unilamellare Vesikel

There is an active interest in peptides that readily cross cell membranes without the assistance of cell membrane receptors1.  Many of these are referred ...

Use of a Robot for High-throughput Crystallization of Membrane Proteins in Lipidic Mesophases

Structure-function studies of membrane proteins greatly benefit from having available high-resolution 3-D structures of the type provided through macromolecular X-ray crystallography (MX). An essential ingredient of MX is a steady supply of ideally diffraction-quality crystals. The in meso or lipidic cubic phase (LCP) method for crystallizing membrane proteins is one of several methods available for crystallizing membrane proteins. It makes use of a bicontinuous mesophase in which to grow crystals. As a method, it has had some spectacular successes of late and has attracted much attention with many research groups now interested in using it. One of the challenges associated with the method is that the hosting mesophase is extremely viscous and sticky, reminiscent of a thick toothpaste. Thus, dispensing it manually in a reproducible manner in small volumes into crystallization wells requires skill, patience and a steady hand. A protocol for doing just that was developed in the Membrane Structural &amp; Functional Biology (MS&amp;FB) Group1-3. JoVE video articles describing the method are available1,4. 
The manual approach for setting up in meso trials has distinct advantages with specialty applications, such as crystal optimization and derivatization. It does however suffer from being a low throughput method. Here, we demonstrate a protocol for performing in meso crystallization trials robotically. A robot offers the advantages of speed, accuracy, precision, miniaturization and being able to work continuously for extended periods under what could be regarded as hostile conditions such as in the dark, in a reducing atmosphere or at low or high temperatures. An in meso robot, when used properly, can greatly improve the productivity of membrane protein structure and function research by facilitating crystallization which is one of the slow steps in the overall structure determination pipeline. 
In this video article, we demonstrate the use of three commercially available robots that can dispense the viscous and sticky mesophase integral to in meso crystallogenesis. The first robot was developed in the MS&amp;FB Group5,6. The other two have recently become available and are included here for completeness.	
An overview of the protocol covered in this article is presented in Figure 1. All manipulations were performed at room temperature (~20 &deg;C) under ambient conditions.

Herein is described a robotic approach to high-throughput crystallization of membrane proteins in lipidic mesophases for use in structure determination using macromolecular X-ray crystallography. Three robots capable of handling the viscous and sticky protein-laden mesophase integral to the method are introduced.

Einsatz eines Roboters für High-Throughput-Kristallisation von Membranproteinen in Lipidische Mesophasen

Structure-function studies of membrane proteins greatly benefit from having available high-resolution 3-D structures of the type provided through ...

Examining BCL-2 Family Function with Large Unilamellar Vesicles

The BCL-2 (B cell CLL/Lymphoma) family is comprised of approximately twenty proteins that collaborate to either maintain cell survival or initiate apoptosis1. Following cellular stress (e.g., DNA damage), the pro-apoptotic BCL-2 family effectors BAK (BCL-2 antagonistic killer 1) and/or BAX (BCL-2 associated X protein) become activated and compromise the integrity of the outer mitochondrial membrane (OMM), though the process referred to as mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP)1. After MOMP occurs, pro-apoptotic proteins (e.g., cytochrome c) gain access to the cytoplasm, promote caspase activation, and apoptosis rapidly ensues2.
In order for BAK/BAX to induce MOMP, they require transient interactions with members of another pro-apoptotic subset of the BCL-2 family, the BCL-2 homology domain 3 (BH3)-only proteins, such as BID (BH3-interacting domain agonist)3-6. Anti-apoptotic BCL-2 family proteins (e.g., BCL-2 related gene, long isoform, BCL-xL; myeloid cell leukemia 1, MCL-1) regulate cellular survival by tightly controlling the interactions between BAK/BAX and the BH3-only proteins capable of directly inducing BAK/BAX activation7,8. In addition, anti-apoptotic BCL-2 protein availability is also dictated by sensitizer/de-repressor BH3-only proteins, such as BAD (BCL-2 antagonist of cell death) or PUMA (p53 upregulated modulator of apoptosis), which bind and inhibit anti-apoptotic members7,9. As most of the anti-apoptotic BCL-2 repertoire is localized to the OMM, the cellular decision to maintain survival or induce MOMP is dictated by multiple BCL-2 family interactions at this membrane.
 Large unilamellar vesicles (LUVs) are a biochemical model to explore relationships between BCL-2 family interactions and membrane permeabilization10. LUVs are comprised of defined lipids that are assembled in ratios identified in lipid composition studies from solvent extracted Xenopus mitochondria (46.5% phosphatidylcholine, 28.5% phosphatidylethanoloamine, 9% phosphatidylinositol, 9% phosphatidylserine, and 7% cardiolipin)10. This is a convenient model system to directly explore BCL-2 family function because the protein and lipid components are completely defined and tractable, which is not always the case with primary mitochondria. While cardiolipin is not usually this high throughout the OMM, this model does faithfully mimic the OMM to promote BCL-2 family function. Furthermore, a more recent modification of the above protocol allows for kinetic analyses of protein interactions and real-time measurements of membrane permeabilization, which is based on LUVs containing a polyanionic dye (ANTS: 8-aminonaphthalene-1,3,6-trisulfonic acid) and cationic quencher (DPX: p-xylene-bis-pyridinium bromide)11. As the LUVs permeabilize, ANTS and DPX diffuse apart, and a gain in fluorescence is detected. Here, commonly used recombinant BCL-2 family protein combinations and controls using the LUVs containing ANTS/DPX are described.

Biochemically-defined large unilamellar vesicles (LUVs) are a convenient model system to analyze BCL-2 family interactions with immediate implications in better understanding the mitochondrial pathway of apoptosis. A method to produce LUVs, along with standard BCL-2 family protein combinations and controls to examine LUV permeabilization, are presented.

Untersuchen BCL-2 Family Funktion mit großen unilamellaren Vesikeln

The BCL-2 (B cell CLL/Lymphoma) family is comprised of approximately twenty proteins that collaborate to either maintain cell survival or initiate ...

Giant Liposome Preparation for Imaging and Patch-Clamp Electrophysiology

The reconstitution of ion channels into chemically defined lipid membranes for electrophysiological recording has been a powerful technique to identify and explore the function of these important proteins. However, classical preparations, such as planar bilayers, limit the manipulations and experiments that can be performed on the reconstituted channel and its membrane environment. The more cell-like structure of giant liposomes permits traditional patch-clamp experiments without sacrificing control of the lipid environment.
Electroformation is an efficient mean to produce giant liposomes &gt;10 &mu;m in diameter which relies on the application of alternating voltage to a thin, ordered lipid film deposited on an electrode surface. However, since the classical protocol calls for the lipids to be deposited from organic solvents, it is not compatible with less robust membrane proteins like ion channels and must be modified. Recently, protocols have been developed to electroform giant liposomes from partially dehydrated small liposomes, which we have adapted to protein-containing liposomes in our laboratory.
We present here the background, equipment, techniques, and pitfalls of electroformation of giant liposomes from small liposome dispersions. We begin with the classic protocol, which should be mastered first before attempting the more challenging protocols that follow. We demonstrate the process of controlled partial dehydration of small liposomes using vapor equilibrium with saturated salt solutions. Finally, we demonstrate the process of electroformation itself. We will describe simple, inexpensive equipment that can be made in-house to produce high-quality liposomes, and describe visual inspection of the preparation at each stage to ensure the best results.

Reconstituting functional membrane proteins into giant liposomes of defined composition is a powerful approach when combined with patch-clamp electrophysiology. However, conventional giant liposome production may be incompatible with protein stability. We describe protocols for producing giant liposomes from pure lipids or small liposomes containing ion channels.

Riesen-Liposomen-Herstellung für Imaging und Patch-Clamp-Elektrophysiologie

The reconstitution of ion channels into chemically defined lipid membranes for electrophysiological recording has been a powerful technique to identify ...

Reconstitution of a Transmembrane Protein, the Voltage-gated Ion Channel, KvAP, into Giant Unilamellar Vesicles for Microscopy and Patch Clamp Studies

Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) are a popular biomimetic system for studying membrane associated phenomena. However, commonly used protocols to grow GUVs must be modified in order to form GUVs containing functional transmembrane proteins. This article describes two dehydration-rehydration methods &#8212; electroformation and gel-assisted swelling &#8212; to form GUVs containing the voltage-gated potassium channel, KvAP. In both methods, a solution of protein-containing small unilamellar vesicles is partially dehydrated to form a stack of membranes, which is then allowed to swell in a rehydration buffer. For the electroformation method, the film is deposited on platinum electrodes so that an AC field can be applied during film rehydration. In contrast, the gel-assisted swelling method uses an agarose gel substrate to enhance film rehydration. Both methods can produce GUVs in low (e.g., 5 mM) and physiological (e.g., 100 mM) salt concentrations. The resulting GUVs are characterized via fluorescence microscopy, and the function of reconstituted channels measured using the inside-out patch-clamp configuration. While swelling in the presence of an alternating electric field (electroformation) gives a high yield of defect-free GUVs, the gel-assisted swelling method produces a more homogeneous protein distribution and requires no special equipment.

The reconstitution of the transmembrane protein, KvAP, into giant unilamellar vesicles (GUVs) is demonstrated for two dehydration-rehydration methods &#8212; electroformation, and gel-assisted swelling. In both methods, small unilamellar vesicles containing the protein are fused together to form GUVs that can then be studied by fluorescence microscopy and patch-clamp electrophysiology.

Rekonstitution der ein Transmembranprotein, das spannungsgesteuerten Ionenkanal, KvAP, in Riesen unilamellare Vesikel für Mikroskopie und Patch-Clamp-Studien

Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) are a popular biomimetic system for studying membrane associated phenomena. However, commonly used protocols to grow ...

Microperfusion Technique to Investigate Regulation of Microvessel Permeability in Rat Mesentery

Experiments to measure the permeability properties of individually perfused microvessels provide a bridge between investigation of molecular and cellular mechanisms regulating vascular permeability in cultured endothelial cell monolayers and the functional exchange properties of whole microvascular beds. A method to cannulate and perfuse venular microvessels of rat mesentery and measure the hydraulic conductivity of the microvessel wall is described. The main equipment needed includes an intravital microscope with a large modified stage that supports micromanipulators to position three different microtools: (1) a beveled glass micropipette to cannulate and perfuse the microvessel; (2) a glass micro-occluder to transiently block perfusion and enable measurement of transvascular water flow movement at a measured hydrostatic pressure, and (3) a blunt glass rod to stabilize the mesenteric tissue at the site of cannulation. The modified Landis micro-occlusion technique uses red cells suspended in the artificial perfusate as markers of transvascular fluid movement, and also enables repeated measurements of these flows as experimental conditions are changed and hydrostatic and colloid osmotic pressure difference across the microvessels are carefully controlled. Measurements of hydraulic conductivity first using a control perfusate, then after re-cannulation of the same microvessel with the test perfusates enable paired comparisons of the microvessel response under these well-controlled conditions. Attempts to extend the method to microvessels in the mesentery of mice with genetic modifications expected to modify vascular permeability were severely limited because of the absence of long straight and unbranched microvessels in the mouse mesentery, but the recent availability of the rats with similar genetic modifications using the CRISPR/Cas9 technology is expected to open new areas of investigation where the methods described herein can be applied.

The modified Landis technique enables paired measurement of the hydraulic conductivity of individual microvessels in the mesentery of normal and genetically modified rats under control and test conditions using microperfusion techniques. It provides a convenient method to evaluate mechanisms that regulate microvessel permeability and transvascular exchange under physiological conditions.

Mikroperfusion Technik zur Untersuchung von Mikrogefäßdurchlässigkeit Verordnung in Rattengekröse

Experiments to measure the permeability properties of individually perfused microvessels provide a bridge between investigation of molecular and cellular ...

Ground State Depletion Super-resolution Imaging in Mammalian Cells

Advances in fluorescent microscopy and cell biology are intimately correlated, with the enhanced ability to visualize cellular events often leading to dramatic leaps in our understanding of how cells function. The development and availability of super-resolution microscopy has considerably extended the limits of optical resolution from ~250-20 nm. Biologists are no longer limited to describing molecular interactions in terms of colocalization within a diffraction limited area, rather it is now possible to visualize the dynamic interactions of individual molecules. Here, we outline a protocol for the visualization and quantification of cellular proteins by ground-state depletion microscopy&#160;for fixed cell imaging. We provide examples from two different membrane proteins, an element of the endoplasmic reticulum translocon, sec61&#946;, and a plasma membrane-localized voltage-gated L-type Ca2+ channel (CaV1.2). Discussed are the specific microscope parameters, fixation methods, photo-switching buffer formulation, and pitfalls and challenges of image processing.

This article outlines a protocol for the detection of one or more plasma and/or intracellular membrane proteins using Ground State Depletion (GSD) super-resolution microscopy in mammalian cells. Here, we discuss the benefits and considerations of using such approaches for the visualization and quantification of cellular proteins.

Grundzustand Erschöpfung Super-Resolution Imaging in Säugerzellen

Advances in fluorescent microscopy and cell biology are intimately correlated, with the enhanced ability to visualize cellular events often leading to ...

Flow Cytometric Analysis of Extracellular Vesicles from Cell-conditioned Media

Flow cytometry (FC) is the method of choice for semi-quantitative measurement of cell-surface antigen markers. Recently, this technique has been used for phenotypic analyses of extracellular vesicles (EV) including exosomes (Exo) in the peripheral blood and other body fluids. The small size of EV mandates the use of dedicated instruments having a detection threshold around 50-100 nm. Alternatively, EV can be bound to latex microbeads that can be detected by FC. Microbeads, conjugated with antibodies that recognize EV-associated markers/Cluster of Differentiation CD63, CD9, and CD81 can be used for EV capture. Exo isolated from CM can be analyzed with or without pre-enrichment by ultracentrifugation. This approach is suitable for EV analyses using conventional FC instruments. Our results demonstrate a linear correlation between Mean Fluorescence Intensity (MFI) values and EV concentration. Disrupting EV through sonication dramatically decreased MFI, indicating that the method does not detect membrane debris. We report an accurate and reliable method for the analysis of EV surface antigens, which can be easily implemented in any laboratory.

The protocol describes a reproducible method designed for use with cell culture supernatants to detect surface epitopes on small extracellular vesicles (EV). It utilizes specific EV immunoprecipitation using beads coupled with antibodies that recognize surface antigen CD9, CD63, and CD81. The method is optimized for downstream flow cytometry analysis.

Fließen Sie durchflusszytometrischen Analyse der extrazellulären Vesikel aus Zelle konditioniertes Medien

Flow cytometry (FC) is the method of choice for semi-quantitative measurement of cell-surface antigen markers. Recently, this technique has been used for ...

Scalable Isolation and Purification of Extracellular Vesicles from Escherichia coli and Other Bacteria

Diverse bacterial species secrete ~20-300 nm extracellular vesicles (EVs), comprised of lipids, proteins, nucleic acids, glycans, and other molecules derived from the parental cells. EVs function as intra- and inter-species communication vectors while also contributing to the interaction between bacteria and host organisms in the context of infection and colonization. Given the multitude of functions attributed to EVs in health and disease, there is a growing interest in isolating EVs for in vitro and in vivo studies. It was hypothesized that the separation of EVs based on physical properties, namely size, would facilitate the isolation of vesicles from diverse bacterial cultures. 
The isolation workflow consists of centrifugation, filtration, ultrafiltration, and size-exclusion chromatography (SEC) for the isolation of EVs from bacterial cultures. A pump-driven tangential flow filtration (TFF) step was incorporated to enhance scalability, enabling the isolation of material from liters of starting cell culture. Escherichia coli was used as a model system expressing EV-associated nanoluciferase and non-EV-associated mCherry as reporter proteins. The nanoluciferase was targeted to the EVs by fusing its N-terminus with cytolysin A. Early chromatography fractions containing 20-100 nm EVs with associated cytolysin A - nanoLuc were distinct from the later fractions containing the free proteins. The presence of EV-associated nanoluciferase was confirmed by immunogold labeling and transmission electron microscopy. This EV isolation workflow is applicable to other human gut-associated gram-negative and gram-positive bacterial species. In conclusion, combining centrifugation, filtration, ultrafiltration/TFF, and SEC enables scalable isolation of EVs from diverse bacterial species. Employing a standardized isolation workflow will facilitate comparative studies of microbial EVs across species.

Scalable Isolation and Purification of Extracellular Vesicles from Escherichia coli and Other Bacteria

Bacteria secrete nanometer-sized extracellular vesicles (EVs) carrying bioactive biological molecules. EV research focuses on understanding their biogenesis, role in microbe-microbe and host-microbe interactions and disease, as well as their potential therapeutic applications. A workflow for scalable isolation of EVs from various bacteria is presented to facilitate standardization of EV research.

Skalierbare Isolierung und Reinigung extrazellulärer Vesikel aus Escherichia coli und anderen Bakterien

Diverse bacterial species secrete ~20-300 nm extracellular vesicles (EVs), comprised of lipids, proteins, nucleic acids, glycans, and other molecules ...