This article was supported by Award Number R01GM087227 from the National Institute of General Medical Sciences, the Norman Ackerman Advanced Research Program, and the Robert A. Welch foundation (Grant A-1769).

1. SPPS: CK (TMR) TATG (fTAT) Síntesis Nota: dfTAT se produce en dos etapas: la síntesis del monómero fTAT por síntesis de péptidos en fase sólida seguida de dimerización disulfuro de bonos para formar dfTAT. <ol><li> Swell 500 mg de resina MBHA de amida de Rink en dimetilformamida (DMF) en un recipiente de 50 ml SPPS estándar para 1 hr. </li><li> Realizar desprotección de Fmoc mediante la incubación de la resina protegida con Fmoc en una solución de piperidina al 20% (20% de piperidina en DMF, 10 ml (0,30 mmol). Llevar a cabo etapas de desprotección dos veces (1 x 5 min y 1 x 15 min) con una etapa de lavado usando DMF (la etapa de lavado incluye enjuagar la resina varias veces con un volumen total de aproximadamente 150 ml de DMF y eliminar el disolvente por filtración al vacío) entre reacciones. </li><li> Sintetizar CK (TMR) RKKRRQRRRG (fTAT) en la resina MBHA de amida pista. Utiliza el siguiente Fmoc aminoácidos protegidos: Fmoc-Lys (MTT) -OH (sólo en el extremo N-terminal), Fmoc-Lys (Boc) -OH, Fmoc-Gly-OH, Fmoc-Arg (Pbf) -OH, Fmoc- Gln (Trt) -OH, Fmoc-Cys y (Trt) -OH. Llevar a cabo la reacción utilizando N 2 (20 PSI) para agitar la reacción. Realizar todas las reacciones a temperatura ambiente. <ol><li> Realizar cada reacción de acoplamiento de aminoácidos durante 4 horas. Para cada acoplamiento, utilice el aminoácido protegido con Fmoc (1,2 mmol), N, N, N &#39;, N&#39; -tetrametil- O- (benzotriazol-1 H-1 il) uronio (HBTU) (0,44 g, 1,1 mmol ), y diisopropiletilamina (DIEA) (0,51 ml, 3,0 mmol) disuelto en DMF. Después del acoplamiento 4 hr, lavar la resina con DMF y llevar a cabo la etapa de desprotección Fmoc como se describe en el paso 1.2. </li><li> Repita hasta que la cadena peptídica lineal de fTAT: fue sintetizado (cadena peptídica lineal CKRKKRRQRRRG sin TMR). </li><li> A continuación, lavar la resina a fondo usando primero DMF y después de que con diclorometano (DCM). Enjuagar la resina varias veces con un volumen total de aproximadamente 150 ml de DMF o DCM y eliminar el disolvente por filtración al vacío. </li><li> Use MALDI-TOF para confirmar que el péptido obtenido tiene el peso molecular correcto. <ol><li> Hacer una mezcla matriz mediante la adición de 1 mg de la matriz a una solución compuesta por 50 l de 0,01% TFA en solución de agua y 50 l de acetonitrilo. </li><li> Para confirmar masa cadena de péptido lineal, utilizar el ácido α-ciano-4-hidroxicinámico. Ejecutar un HPLC analítico del péptido en bruto y recoger 50 l desde la parte superior del pico puro. </li><li> Para preparar la muestra a la placa en la placa de MALDI: Añadir 8 l de péptido a 2 l de la solución de la matriz y el lugar en la placa de MALDI secar al aire o en una placa de calor 37 ° C. Nota: La arginina es conocido por ser un ácido difícil de pareja en SPPS amino. Acoplamiento exitoso se establece mediante la realización de una prueba de Kaiser 14 (prueba por ejemplo, ninhidrina). Esta prueba permite la detección de aminas libres que no hayan quedado desacoplada en la resina. En caso de que se detecte un color azul (indicativo de la presencia de aminas libres), de acoplamiento steps se repiten. </li></ol></li></ol></li><li> Para CK (-NH-TMR) TATG (fTAT), escindir el grupo protector MTT en el grupo amino de Lys en la CK (-NH-MTT) TATG con una solución compuesta de ácido 1% trifluoroacético (TFA) y 2% triisopropilsilano (TIS) en DCM. <ol><li> Como la eliminación de grupo protector MTT daría lugar a la aparición de un color amarillo, se incuba la resina con 20 ml de la solución anterior durante 5 minutos, repetir esto hasta que no se observa ningún color amarillo. Lavar la resina con DCM y DMF en el medio. Además desde TIS es un limpiador que captar el MTT, una vez que no aparece ningún color amarillo en la solución en presencia de MTT. </li><li> Añadir una solución adicional con 1% de TFA en DCM (sin TIS) a la resina para asegurar que no más MTT se retira y la solución permanece clara. </li></ol></li><li> Disolver los tres componentes: carboxitetrametilrodamina (TMR), HBTU y DIEA (4, 3.9 y 10 la equivalencia con respecto a la cantidad de resina (en mg)) en DMF y añadir esta mezclaa la resina y llevar a cabo la reacción de O / N utilizando N2 seco para proporcionar agitación. </li><li> Siguiendo Fmoc-desprotección y conjugación de aminoácidos, lavar la resina con DCM y deje que se seque. Para la escisión completa del péptido de la resina, se añade una solución que contiene 92,5% de TFA, 2,5% H 2 O, 2,5%, TIS y 2,5% de etanoditiol (EDT) (volumen total = 4 ml) a la peptidil-resina para 3 hr a RT para lograr la desprotección global y escisión de la resina. <ol><li> Precipitar los productos peptídicos bruto usando éter etílico anhidro frío (Et 2 O) mediante el drenaje de la solución de la etapa 1.6 en 40 ml de Et 2 O, girar esto abajo a 4 ° C y 4.000 xg durante 20 - 25 min. Repita este paso para permitir el lavado del precipitado con anhidro frío Et2O </li><li> Resuspender el precipitado en agua (5 ml o hasta que se haya disuelto completamente precipitado) y se liofiliza. Entonces resuspender los productos obtenidos en 0,1% TFA acuoso / acetonitrilo. </li></ol></li> &lt;li&gt; Realizar el análisis por HPLC con una columna analítica C18 (5 m, 4 x 150 mm) para analizar cada péptido. Utilice una velocidad de flujo de 1 ml / min, y detección a 214 nm y 550 nm. </li><li> Realizar HPLC semi-preparativa en una columna C18 10 x 250 mm para la purificación de péptidos. Utilice una velocidad de flujo de 4 ml / min, y detección a 214 nm y 550 nm. Para todas las corridas, utilizar gradientes lineales de 0,1% TFA acuosa (disolvente A) y 90% de acetonitrilo, 9,9% de agua, y 0,1% de TFA (disolvente B). </li><li> Confirmar la identidad correcta de los péptidos por MALDI-TOF de acuerdo con el protocolo del fabricante: fTAT, masa esperada: 2,041.17, masa observada: 2.040,66. DEAC-K9, que se espera de masas: 1,412.97, observó masa: 1,415.59. Utilice una matriz de ácido ciano-4-hidroxicinámico α- para el MALDI-TOF. </li></ol> 2. Oxidación de reacción: dfTAT Generación <ol><li> Airear salina tamponada con fosfato (PBS) pH 7,4 durante 1 hora (al menos 5 ml para la reacción a continuación). </li><li> Disolver fTAT (0,3 mg, 1,5 x 10 -4 mmol) en aerado PBS pH 7,4 (5 ml). Asegúrese de que el pH está entre 7.0 - 7.5 después de la adición del péptido. Si no añadir hidróxido de sodio (1 M, en pequeños incrementos 1 - 5 l) para llevar el pH de nuevo hasta 7,4. </li><li> Nota: El oxígeno disuelto en PBS actúa para oxidar los grupos tiol en fTAT y formar un enlace disulfuro. </li><li> Inclinar la cabeza de la reacción de O / N para permitir que reaccione hasta la finalización (rendimiento 100% basado en el análisis HPLC). Se purifica el producto mediante HPLC de fase inversa y analizar mediante espectrometría de masas (MALDI-TOF) como en el paso 1.9. Masa esperado: 4,080.34, observó masa: 4,084.21. </li><li> Liofilizar pura dfTAT (0,71 x 10 -4 mmol) y resuspender en 200 l de agua (concentración pura dfTAT = 356,3 M). </li></ol> 3. Medir dfTAT Concentración <ol><li> Resuspender una alícuota de la dfTAT purificada (típicamente 1 l dependiendo de la cantidad de péptido purificado) en un 149 l de 50 mM solución de TCEP. </li><li> Nota: En este paso dfTAT se reduce a su monomer contraparte fTAT para eliminar la absorbancia de enfriamiento que se produce debido a la proximidad del fluoróforo TMR en dfTAT (ε el coeficiente de extinción de TMR en dfTAT se reduce en comparación con el ε de TMR en fTAT reducida). </li><li> Permitir que la muestra reaccione durante aproximadamente 20 min (HPLC analítica se puede utilizar para confirmar la formación de fTAT). </li><li> Añadir toda la solución a la cubeta de cuarzo y se mide la absorbancia a 556 nm. </li><li> Usando la ley de Beer (A = εcl: ε = 91500 M -1 cm -1) para calcular la concentración de fTAT, determine la concentración de dfTAT y dividir [fTAT] por dos. </li></ol> 4. Experimentos de entrega celulares <ol><li> Seed las células (HeLa, HDF, etc.) En un plato en una confluencia del 80 - 90% (por ejemplo, 8 pocillos o de 24 pocillos plato). Cultivan las células en un medio apropiado (por ejemplo, DMEM suplementado con 10% de FBS y Pen / Strep) hasta 80 - 90% de confluencia en un 37 ° Cambiente humidificado contiene 5% de CO 2. </li><li> Se lavan las células tres veces (3X) con PBS (mediante la adición de 200 l de PBS y luego extraerla tres veces). </li><li> Haga una concentración de trabajo 5 M de dfTAT diluyendo un stock de dfTAT (en agua) en la NRL-15 medios de comunicación (para un 8 y plato el volumen total debe ser de 200 l). Una concentración de 5 mM dfTAT conduce a la entrega eficiente (alto nivel de entrega citosólica en más de 90% de las células presentes en un plato) en la mayoría de tipos de células ensayadas hasta la fecha (Figura 3). Sin embargo, las concentraciones inferiores o superiores pueden ser más adecuados para tipos de células con una propensión alta o baja para la penetración. NOTA SOBRE MEDIOS: NRL-15 se utiliza para la entrega de dfTAT ya que no contiene cisteína, que podría reducir el enlace disulfuro en dfTAT. Sin embargo, nuestros datos indican que tanto regulares L-15 (con cisteína) y DMEM puede ser utilizado como los medios de entrega. L-15 contiene el aminoácido cisteína reducir pero presumab cisteínaly se oxida en los medios para formar la cistina (DMEM se formula con cistina). por lo tanto, dfTAT permanece intacto en estos medios y la entrega trabaja en la misma eficacia que la obtenida con nrL15. </li><li> Se incuban las células con dfTAT (5 M) con o sin carga (por ejemplo., EGFP (10 mM)) y mantener a 37 ° C durante 1 h (tiempo de incubación puede ser reducida pero dfTAT típicamente requiere aproximadamente 30 a 45 min para inducir la fuga de endosomal ). </li><li> Lavar las células con heparina (1 mg / ml) en L-15 (se recomiendan 3 lavados) para eliminar dfTAT unido a la membrana plasmática de las células. </li><li> Se incuban las células con tinción nuclear impermeable a las células, por ejemplo., Sytox Azul, Sytox Green (2 M en NRL-15), para determinar si la membrana plasmática de las células se ve comprometida (células muertas se tiñeron mientras que las células vivas no) de acuerdo con protocolo del fabricante. </li><li> Celdas de imagen utilizando un microscopio de fluorescencia (inmersión en aceite 100X u objetivo 20X). Imagen dfTAT utilizando un filtro de RFP (Ex =560 ± 20 nm / Em = 630 ± 35 nm). Nota: la entrega exitosa conduce a una fluorescencia difusa de dfTAT toda la célula (la evaluación de la entrega de proteína o péptido de interés dependerá de la aplicación). La tinción de nucleolos por fTAT (el producto reducido de dfTAT a la entrada citosólica) se puede utilizar como una indicación de que la fluorescencia detectada es intracelular. fTAT degradará dentro de pocas horas. En este punto, la fluorescencia de los fragmentos de degradación aparecerá como puntiforme. Esto no se debe confundir la distribución puntiforme que también se ve si dfTAT permanece sin éxito atrapado dentro de endosomas (esto puede suceder si dfTAT está presente en muy baja de una concentración). </li></ol> 5. Controling Concentración de MOI Entregado <ol><li> Identificar la concentración &quot;entrega óptima&quot; necesario para lograr eficientes liberación citosólica de dfTAT en el tipo celular utilizado. Realizar microscopía de fluorescencia en células incubadas con increasinconcentraciones g de dfTAT. La concentración óptima dfTAT se define como la concentración mínima que conduce a despejar citosólica &quot;difundir&quot; TMR de fluorescencia en aproximadamente 100% de las células en un cultivo. </li><li> Vary la concentración de MOI utilizada en el protocolo de co-incubación mientras se mantiene la concentración de dfTAT constante (por ejemplo, utilizando la concentración de la entrega óptima de dfTAT). Cambiar el tiempo de incubación a menos de 1 hr también podría ser una opción para variar la cantidad de MOI entregado. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Las células utilizadas para la entrega dfTAT no debe ser demasiado confluentes (&gt; 90% de confluencia), ya que esto podría afectar a la eficiencia en la entrega. Las células también deben ser saludables: las células muertas en el cultivo pueden liberar fragmentos apoptóticos con la que dfTAT puede interactuar (por ejemplo, el ADN de núcleos degradados). Esto a su vez puede interferir con la eficacia del suministro y la calidad de la imagen. Las células se deben lavar a fondo para eliminar FBS antes de...

La entrega de proteínas, péptidos o pequeñas moléculas impermeables a las células en células vivas es a menudo deseable en muchas aplicaciones biológicas o biotecnológicas (de imagen celular, ensayos funcionales, la reprogramación celular, etc.) A 1-4. Ya se han reportado muchos enfoques de entrega, incluyendo la microinyección, electroporación, o el uso de agentes de portador (por ejemplo., Péptidos penetran en las células, tales como TAT, lípidos) 5-7. Cada técnica tiene normalmente ventajas y desventajas específicas que podrían hacer que estos enfoques adecuados para ciertas aplicaciones, pero no para otros. Problemas comunes incluyen la eficiencia de entrega de pobres y / o la falta de control de la cantidad de material que se entrega 8,9, toxicidad o efectos fisiológicos deletéreos 10,11, la falta de control temporal, entrega en pocas células, pero no en toda una población (por ejemplo., microinyección) 12, y la conjugación química compleja o de formulación de planes de 11. s = &quot;jove_content&quot;&gt; Recientemente, hemos desarrollado una estrategia de entrega novela que evita estas limitaciones. Esta estrategia se basa en un péptido llamado dfTAT (dímero TAT fluorescente) 13. dfTAT se deriva a partir del péptido de penetración celular bien conocido (CPP) TAT. dfTAT contiene dos copias disulfuro unido de TAT etiquetados con el tetrametilrodamina fluoróforo. A pesar de sus similitudes, TAT y dfTAT difieren significativamente en la actividad. TAT típicamente se internaliza en las células por endocitosis. Sin embargo, esto CPP permanece atrapado en su mayoría dentro de los endosomas (esto por lo general conduce a una distribución puntiforme del péptido dentro de las células cuando se examina por microscopía de fluorescencia). Como TAT, dfTAT se endocitosis eficientemente por las células. Sin embargo, dfTAT no se queda atrapado dentro de endosomas. En su lugar, media la fuga de endosomal de una manera que es extremadamente eficiente. La actividad endosomolítica de dfTAT puede entonces ser explotado para entregar macromoléculas mediante un ensayo de incubación simple. ntent &quot;&gt; La comprensión actual del proceso de entrega es como sigue. dfTAT induce macropinocytosis. Como resultado, las células incubadas con dfTAT ocupan proteínas solubles, péptidos, o pequeñas moléculas (moléculas de interés, MOI) presentes en los medios de comunicación por el fluido de fase endocitosis (ver Figura 1). Las interacciones entre dfTAT y MOI no son necesarios, siempre y cuando tanto el tráfico entidades juntos dentro de la vía endocítica. Como dfTAT alcanza un cierto umbral dentro de la luz de los orgánulos endocíticas, expresa su actividad fuga de endosomal (los detalles moleculares siendo para ser totalmente caracterizado). El contenido del lumen de los orgánulos que gotean, y por lo tanto la MOI, se libera en las células. Por tanto, este enfoque es muy conveniente, ya que no se requieren de conjugación o formulación esquemas con MOI. Además, debido a dfTAT es no modificar directamente una MOI, también no debe interferir con la función de las MOI una vez que se consigue el suministro intracelular. Además, la concentración dedfTAT utiliza entrega es independiente de la de MOI en medios de comunicación. Por ejemplo, la concentración dfTAT puede mantenerse constante entre los diferentes experimentos para garantizar la eficiencia reproducibles en fugas endosomal. En contraste, la concentración de MOI en los medios se puede cambiar gradualmente para lograr los niveles deseados de MOI entregado en el citosol. La alta eficacia de fuga endosomal logrado con dfTAT es notablemente inocuos para muchas de las células ensayadas hasta la fecha. Esto es una sorpresa porque orgánulos endocíticas son componente importante de las células y uno esperaría que la fuga dramática mediada por dfTAT iría acompañado de las respuestas celulares deletéreos. Sin embargo, las células tratadas proliferan a la misma velocidad que las células no tratadas y no muestran cambios significativos en su transcriptoma. Por otra parte, la entrega se puede repetir dentro de minutos con eficiencias de entrega reproducibles, lo que indica que las células pueden o bien tolerar o recuperarse de el proceso de entrega sin perdersu capacidad para la endocitosis o fugas endosomal. Respuestas celulares sutiles pueden tener lugar durante el parto dfTAT y los detalles moleculares de lo que podrían ser permanecen estas respuestas para ser explorado. Sin embargo, mediante la combinación de alta eficiencia, conveniencia de protocolos, y la falta de toxicidad, este enfoque entrega debe demostrar inmediatamente útil en muchas aplicaciones basadas en células. Los protocolos presentados en este documento están dirigidas a hacer esta tecnología al alcance de la comunidad científica.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Heparin&#160;</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>CAS 9041-08-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SYTOX Blue</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>S11348</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SYTOX Green</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>S7020</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>nrL15 L-15 (&#8211;) cysteine</td>
			<td>Hyclone</td>
			<td></td>
			<td>Special order</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fmoc-protected Amino acids</td>
			<td>Novabiochem</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dfTAT</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Samples will be provided upon request (contact: pellois@tamu.edu)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biosafety Cabinet</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inverted epifluorescence microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>model IXB1</td>
			<td>equipped with a heating stage maintained at 37 &#176;C and with a Rolera-MGI Plus back-illuminated electron-multiplying charge-coupled device (EMCCD) camera (Qimaging).&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>37 &#176;C humidified, 5% CO2 incubator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peptide synthesizer or vessel to preform manual peptide synthesis</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

delivery of proteins, peptides or cell-impermeable small molecules into live cells by incubation with the endosomolytic reagent dftat

Estrategias de prestación macromoleculares normalmente utilizan la vía endocítica como una vía de entrada celular. Sin embargo, el atrapamiento endosomal limita severamente la eficiencia con la que las macromoléculas penetrar en el espacio citosólico de células. Recientemente, hemos eludido este problema mediante la identificación del reactivo dfTAT, un dímero enlace disulfuro del péptido TAT etiquetado con la tetrametilrodamina fluoróforo. Hemos generado un dímero marcado con fluorescencia del péptido de penetración celular (CPP) TAT prototípico, dfTAT, que penetra en las células vivas y alcanza el espacio citosólico de células con una eficiencia particularmente alta. La entrega citosólica de dfTAT se logra en varias líneas celulares, incluyendo células primarias. Por otra parte, la entrega no afecta notablemente la viabilidad celular, la proliferación o la expresión génica. dfTAT puede entregar moléculas pequeñas, péptidos, anticuerpos, enzimas biológicamente activa y un factor de transcripción. En este informe se describen los protocolos involucrados en DFTASíntesis de T y la entrega celular. El manuscrito describe cómo controlar la cantidad de proteína entregada al espacio citosólico de las células mediante la variación de la cantidad de proteína administrada extracelularmente. Finalmente, se discuten las limitaciones actuales de esta nueva tecnología y pasos involucrados en la validación de la entrega. Los protocolos descritos deben ser extremadamente útil para ensayos basados ​​en células, así como para la manipulación ex vivo y la reprogramación de las células.

Para evaluar la diferencia entre fTAT y dfTAT, células HeLa se incuban durante 1 h con cada péptido para determinar la diferencia en su localización celular. La internalización de los dos CPP de se evaluó mediante microscopía de fluorescencia. Figura 2 muestra que fTAT (20 mM) se localiza en una distribución punteada. Esta distribución es coherente con el péptido restante atrapado dentro de los endosomas. Por el contrario, la señal de fluorescencia de dfTAT (5 M) muestra una distribución homo...

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Delivery of Proteins, Peptides or Cell-impermeable Small Molecules into Live Cells by Incubation with the Endosomolytic Reagent dfTAT

We describe how to deliver proteins and cell-impermeable small molecules into cultured mammalian cells by a simple co-incubation protocol with a reagent that causes endocytic organelles to become leaky.

La entrega de proteínas, péptidos o impermeable a las células pequeñas moléculas en células vivas por incubación con el reactivo endosomolítico dfTAT

Macromolecular delivery strategies typically utilize the endocytic pathway as a route of cellular entry. However, endosomal entrapment severely limits the ...

delivery-proteins-peptides-or-cell-impermeable-small-molecules-into

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.2K vistas.  Texas A&M University. We describe how to deliver proteins and cell-impermeable small molecules into cultured mammalian cells by a simple co-incubation protocol with a reagent that causes endocytic organelles to become leaky. 

Video: Delivery of Proteins, Peptides or Cell-impermeable Small Molecules into Live Cells by Incubation with the Endosomolytic Reagent dfTAT

Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. Many patients would be better served by rapid, bedside tests. To this end our laboratory and others have developed a versatile, reagentless 
biosensor platform that supports the quantitative, reagentless, electrochemical detection of nucleic acids (DNA, RNA), proteins (including antibodies) and small 
molecules analytes directly in unprocessed clinical and environmental samples. In this video, we demonstrate the preparation and use of several biosensors in this 
"E-DNA" class. In particular, we fabricate and demonstrate sensors for the detection of a target DNA sequence in a polymerase chain reaction mixture, an HIV-specific antibody and the drug cocaine. The preparation procedure requires only three hours of hands-on effort followed by an overnight incubation, and their use requires only minutes.

"E-DNA" sensors, reagentless, electrochemical biosensors that perform well even when challenged directly in blood and other complex matrices, have been adapted to the detection of a wide range of nucleic acid, protein and small molecule analytes. Here we present a general procedure for the fabrication and use of such sensors.

Fabricación de ADN electroquímico biosensores para la detección Reagentless de ácidos nucleicos, proteínas y moléculas pequeñas

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. ...

Investigación

Bioingeniería

Live-cell Imaging of Migrating Cells Expressing Fluorescently-tagged Proteins in a Three-dimensional Matrix

Traditionally, cell migration has been studied on two-dimensional, stiff plastic surfaces. However, during important biological processes such as wound healing, tissue regeneration, and cancer metastasis, cells must navigate through complex, three-dimensional extracellular tissue. To better understand the mechanisms behind these biological processes, it is important to examine the roles of the proteins responsible for driving cell migration. Here, we outline a protocol to study the mechanisms of cell migration using the epithelial cell line (MDCK), and a three-dimensional, fibrous, self-polymerizing matrix as a model system. This optically clear extracellular matrix is easily amenable to live-cell imaging studies and better mimics the physiological, soft tissue environment. This report demonstrates a technique for directly visualizing protein localization and dynamics, and deformation of the surrounding three-dimensional matrix. 
Examination of protein localization and dynamics during cellular processes provides key insight into protein functions. Genetically encoded fluorescent tags provide a unique method for observing protein localization and dynamics. Using this technique, we can analyze the subcellular accumulation of key, force-generating cytoskeletal components in real-time as the cell maneuvers through the matrix. In addition, using multiple fluorescent tags with different wavelengths, we can examine the localization of multiple proteins simultaneously, thus allowing us to test, for example, whether different proteins have similar or divergent roles. Furthermore, the dynamics of fluorescently tagged proteins can be quantified using Fluorescent Recovery After Photobleaching (FRAP) analysis. This measurement assays the protein mobility and how stably bound the proteins are to the cytoskeletal network.
By combining live-cell imaging with the treatment of protein function inhibitors, we can examine in real-time the changes in the distribution of proteins and morphology of migrating cells. Furthermore, we also combine live-cell imaging with the use of fluorescent tracer particles embedded within the matrix to visualize the matrix deformation during cell migration. Thus, we can visualize how a migrating cell distributes force-generating proteins, and where the traction forces are exerted to the surrounding matrix. Through these techniques, we can gain valuable insight into the roles of specific proteins and their contributions to the mechanisms of cell migration.

Cellular processes such as cell migration have traditionally been studied on two-dimensional, stiff plastic surfaces. This report describes a technique for directly visualizing protein localization and analyzing protein dynamics in cells migrating in a more physiologically relevant, three-dimensional matrix.

Células vivas imágenes de la migración de las células que expresan proteínas de fluorescencia etiquetado en una matriz tridimensional

Traditionally, cell migration has been studied on two-dimensional, stiff plastic surfaces. However, during important biological processes such as wound ...

PLGA Nanoparticles Formed by Single- or Double-emulsion with Vitamin E-TPGS

Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) is a biocompatible member of the aliphatic polyester family of biodegradable polymers. PLGA has long been a popular choice for drug delivery applications, particularly since it is already FDA-approved for use in humans in the form of resorbable sutures. Hydrophobic and hydrophilic drugs are encapsulated in PLGA particles via single- or double-emulsion. Briefly, the drug is dissolved with polymer or emulsified with polymer in an organic phase that is then emulsified with the aqueous phase. After the solvent has evaporated, particles are washed and collected via centrifugation for lyophilization and long term storage. PLGA degrades slowly via hydrolysis in aqueous environments, and encapsulated agents are released over a period of weeks to months. Although PLGA is a material that possesses many advantages for drug delivery, reproducible formation of nanoparticles can be challenging; considerable variability is introduced by the use of different equipment, reagents batch, and precise method of emulsification. Here, we describe in great detail the formation and characterization of microparticles and nanoparticles formed by single- or double-emulsion using the emulsifying agent vitamin E-TPGS. Particle morphology and size are determined with scanning electron microscopy (SEM). We provide representative SEM images for nanoparticles produced with varying emulsifier concentration, as well as examples of imaging artifacts and failed emulsifications. This protocol can be readily adapted to use alternative emulsifiers (e.g. poly(vinyl alcohol), PVA) or solvents (e.g.&#160;dichloromethane, DCM).

We describe the production and characterization of nanoparticles and microparticles composed of poly(lactic-co-glycolic acid) using vitamin E-TPGS as an emulsifier. By varying formulation parameters such as the concentration of emulsifier, it is possible to produce nanoparticles with mean diameters ranging from 220 nm to&#160;1.98 &#181;m.

Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) is a biocompatible member of the aliphatic polyester family of biodegradable polymers. PLGA has long been a popular ...

Nanomanipulation of Single RNA Molecules by Optical Tweezers

A large portion of the human genome is transcribed but not translated. In this post genomic era, regulatory functions of RNA have been shown to be increasingly important. As RNA function often depends on its ability to adopt alternative structures, it is difficult to predict RNA three-dimensional structures directly from sequence. Single-molecule approaches show potentials to solve the problem of RNA structural polymorphism by monitoring molecular structures one molecule at a time. This work presents a method to precisely manipulate the folding and structure of single RNA molecules using optical tweezers. First, methods to synthesize molecules suitable for single-molecule mechanical work are described. Next, various calibration procedures to ensure the proper operations of the optical tweezers are discussed. Next, various experiments are explained. To demonstrate the utility of the technique, results of mechanically unfolding RNA hairpins and a single RNA kissing complex are used as evidence. In these examples, the nanomanipulation technique was used to study folding of each structural domain, including secondary and tertiary, independently. Lastly, the limitations and future applications of the method are discussed.

Optical tweezers have been used to study RNA folding by stretching individual molecules from their 5&#8217; and 3&#8217; ends. Here common procedures are described to synthesize RNA molecules for tweezing, calibration of the instrument, and methods to manipulate single molecules.

Nanomanipulación de Soltero moléculas de ARN por Pinzas Ópticas

A large portion of the human genome is transcribed but not translated. In this post genomic era, regulatory functions of RNA have been shown to be ...

Hydrogel Nanoparticle Harvesting of Plasma or Urine for Detecting Low Abundance Proteins

Novel biomarker discovery plays a crucial role in providing more sensitive and specific disease detection. Unfortunately many low-abundance biomarkers that exist in biological fluids cannot be easily detected with mass spectrometry or immunoassays because they are present in very low concentration, are labile, and are often masked by high-abundance proteins such as albumin or immunoglobulin. Bait containing poly(N-isopropylacrylamide) (NIPAm) based nanoparticles are able to overcome these physiological barriers. In one step they are able to capture, concentrate and preserve biomarkers from body fluids. Low-molecular weight analytes enter the core of the nanoparticle and are captured by different organic chemical dyes, which act as high affinity protein baits. The nanoparticles are able to concentrate the proteins of interest by several orders of magnitude. This concentration factor is sufficient to increase the protein level such that the proteins are within the detection limit of current mass spectrometers, western blotting, and immunoassays. Nanoparticles can be incubated with a plethora of biological fluids and they are able to greatly enrich the concentration of low-molecular weight proteins and peptides while excluding albumin and other high-molecular weight proteins. Our data show that a 10,000 fold amplification in the concentration of a particular analyte can be achieved, enabling mass spectrometry and immunoassays to detect previously undetectable biomarkers.

Several pathological biomarkers cannot be easily detected by current techniques because of their low concentration in biological fluids, the presence of degrading enzymes, and large amounts of high molecular weight proteins. Chemically functionalized hydrogel nanoparticles can harvest, preserve and concentrate low abundance proteins enabling the detection of previously undetectable biomarkers.

Hidrogel Nanoparticle recolección de plasma o de orina para la detección de proteínas de baja abundancia

Novel biomarker discovery plays a crucial role in providing more sensitive and specific disease detection. Unfortunately many low-abundance biomarkers ...

In Vitro Permeation of FITC-loaded Ferritins Across a Rat Blood-brain Barrier: a Model to Study the Delivery of Nanoformulated Molecules

Brain microvascular endothelial cells, supported by pericytes and astrocytes endfeet, are responsible for the low permeation of large hydrosoluble drugs through the blood-brain barrier (BBB), causing difficulties for effective pharmacological therapies. In recent years, different strategies for promoting brain targeting have aimed to improve drug delivery and activity at this site, including innovative nanosystems for drug delivery across the BBB. In this context, an in vitro approach based on a simplified cellular model of the BBB provides a useful tool to investigate the effect of nanoformulations on the trans-BBB permeation of molecules. This study describes the development of a double-layer BBB, consisting of co-cultured commercially available primary rat brain microvascular endothelial cells and astrocytes. A multiparametric approach for the validation of the model, based on the measurement of the transendothelial electrical resistance and the apparent permeability of a high molecular weight dextran, is also described. As proof of concept for the employment of this BBB model to study the effect of different nanoformulations on the translocation of fluorescent molecules across the barrier, we describe the use of fluorescein isothiocyanate (FITC), loaded into ferritin nanoparticles. The ability of ferritins to improve the trans-BBB permeation of FITC was demonstrated by flux measurements and confocal microscopy analyses. The results suggest this is a useful system for validating nanosystems for delivery of drugs across the BBB.

In Vitro Permeation of FITC-loaded Ferritins Across a Rat Blood-brain Barrier: a Model to Study the Delivery of Nanoformulated Molecules

A method to establish an in vitro model of blood-brain barrier based on a co-culture of rat brain microvascular endothelial cells and astrocytes is described and validated. This system proved to be a valid tool to study the effect of nanoformulation on the trans-barrier permeation of fluorescent molecules.

In vitro de permeación de ferritinas cargados con FITC través de una barrera sangre-cerebro de rata: un modelo para estudiar la entrega de moléculas Nanoformulated

Brain microvascular endothelial cells, supported by pericytes and astrocytes endfeet, are responsible for the low permeation of large hydrosoluble drugs ...

Patterning Bioactive Proteins or Peptides on Hydrogel Using Photochemistry for Biological Applications

There are many biological stimuli that can influence cell behavior and stem cell differentiation. General cell culture approaches rely on soluble factors within the medium to control cell behavior. However, soluble additions cannot mimic certain signaling motifs, such as matrix-bound growth factors, cell-cell signaling, and spatial biochemical cues, which are common influences on cells. Furthermore, biophysical properties of the matrix, such as substrate stiffness, play important roles in cell fate, which is not easily manipulated using conventional cell culturing practices. In this method, we describe a straightforward protocol to provide patterned bioactive proteins on synthetic polyethylene glycol (PEG) hydrogels using photochemistry. This platform allows for the independent control of substrate stiffness and spatial biochemical cues. These hydrogels can achieve a large range of physiologically relevant stiffness values. Additionally, the surfaces of these hydrogels can be photopatterned with bioactive peptides or proteins via thiol-ene click chemistry reactions. These methods have been optimized to retain protein function after surface immobilization. This is a versatile protocol that can be applied to any protein or peptide of interest to create a variety of patterns. Finally, cells seeded onto the surfaces of these bioactive hydrogels can be monitored over time as they respond to spatially specific signals.

In this method, we use photopolymerization and click chemistry techniques to create protein or peptide patterns on the surface of polyethylene glycol (PEG) hydrogels, providing immobilized bioactive signals for the study of cellular responses in vitro.

Patrones bioactivas proteínas o péptidos en hidrogel con fotoquímica para usos biológicos

There are many biological stimuli that can influence cell behavior and stem cell differentiation. General cell culture approaches rely on soluble factors ...

Development of Microfluidic Devices to Study the Elongation Capability of Tip-growing Plant Cells in Extremely Small Spaces

In vivo, tip-growing plant cells need to overcome a series of physical barriers; however, researchers lack the methodology to visualize cellular behavior in such restrictive conditions. To address this issue, we have developed growth chambers for tip-growing plant cells that contain a series of narrow, micro-fabricated gaps (~1 &#181;m) in a poly-dimethylsiloxane (PDMS) substrate. This transparent material allows the user to monitor tip elongation processes in individual cells during microgap penetration by time-lapse imaging. Using this experimental platform, we observed morphological changes in pollen tubes as they penetrated the microgap. We captured the dynamic changes in the shape of a fluorescently labeled vegetative nucleus and sperm cells in a pollen tube during this process. Furthermore, we demonstrated the capability of root hairs and moss protonemata to penetrate the 1 &#181;m gap. This in vitro platform can be used to study how individual cells respond to physically constrained spaces and may provide insights into tip-growth mechanisms.

We describe a method to investigate the capability of tip-growing plant cells, including pollen tubes, root hairs, and moss protonemata, to elongate through extremely narrow gaps (~1 &#181;m) in a microfluidic device.

Desarrollo de dispositivos microfluídicos para estudiar la capacidad de elongación de la punta de crecimiento de las células vegetales en espacios extremadamente pequeños

In vivo, tip-growing plant cells need to overcome a series of physical barriers; however, researchers lack the methodology to visualize cellular behavior ...

Antimicrobial Peptides Produced by Selective Pressure Incorporation of Non-canonical Amino Acids

Nature has a variety of possibilities to create new protein functions by modifying the sequence of the individual amino acid building blocks. However, all variations are based on the 20 canonical amino acids (cAAs). As a way to introduce additional physicochemical properties into polypeptides, the incorporation of non-canonical amino acids (ncAAs) is increasingly used in protein engineering. Due to their relatively short length, the modification of ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides by ncAAs is particularly attractive. New functionalities and chemical handles can be generated by specific modifications of individual residues. The selective pressure incorporation (SPI) method utilizes auxotrophic host strains that are deprived of an essential amino acid in chemically defined growth media. Several structurally and chemically similar amino acid analogs can then be activated by the corresponding aminoacyl-tRNA synthetase and provide residue-specific cAA(s) &#8594; ncAA(s) substitutions in the target peptide or protein sequence. Although, in the context of the SPI method, ncAAs are also incorporated into the host proteome during the phase of recombinant gene expression, the majority of the cell&#39;s resources are assigned to the expression of the target gene. This enables efficient residue-specific incorporation of ncAAs often accompanied with high amounts of modified target. The presented work describes the in vivo incorporation of six proline analogs into the antimicrobial peptide nisin, a lantibiotic naturally produced by Lactococcus lactis. Antimicrobial properties of nisin can be changed and further expanded during its fermentation and expression in auxotrophic Escherichia coli strains in defined growth media. Thereby, the effects of residue-specific replacement of cAAs with ncAAs can deliver changes in antimicrobial activity and specificity. Antimicrobial activity assays and fluorescence microscopy are used to test the new nisin variants for growth inhibition of a Gram-positive Lactococcus lactis indicator strain. Mass spectroscopy is used to confirm ncAA incorporation in bioactive nisin variants.

The protocol presents the Escherichia coli-based selective pressure incorporation of non-canonical amino acids (ncAAs) into the lactococcal antimicrobial peptide nisin. Its properties can be changed during recombinant expression via substitution with desired ncAAs in defined growth media. Resulting changes in bioactivity are mapped by growth inhibition assays and fluorescence microscopy.

Péptidos antimicrobianos producidos por presión selectiva incorporación de aminoácidos no-canónico

Nature has a variety of possibilities to create new protein functions by modifying the sequence of the individual amino acid building blocks. However, all ...

Production of E. coli-expressed Self-Assembling Protein Nanoparticles for Vaccines Requiring Trimeric Epitope Presentation

Self-assembling protein nanoparticles (SAPNs) function as repetitive antigen displays and can be used to develop a wide range of vaccines for different infectious diseases. In this article we demonstrate a method to produce a SAPN core containing a six-helix bundle (SHB) assembly that is capable of presenting antigens in a trimeric conformation. We describe the expression of the SHB-SAPN in an E. coli system, as well as the necessary protein purification steps. We included an isopropanol wash step to reduce the residual bacterial lipopolysaccharide. As an indication of the protein identity and purity, the protein reacted with known monoclonal antibodies in Western blot analyses. After refolding, the size of the particles fell in the expected range (20 to 100 nm), which was confirmed by dynamic light scattering, nanoparticle tracking analysis, and transmission electron microscopy. The methodology described here is optimized for the SHB-SAPN, however, with only slight modifications it can be applied to other SAPN constructs. This method is also easily transferable to large scale production for GMP manufacturing for human vaccines.

Production of E. coli-expressed Self-Assembling Protein Nanoparticles for Vaccines Requiring Trimeric Epitope Presentation

A detailed method is provided here describing the purification, refolding, and characterization of self-assembling protein nanoparticles (SAPNs) for use in vaccine development.

Producción de E. coli-expresada Nanopartículas de Proteína Auto-Ensamblaje para Vacunas Que Requieren Presentación de Epitope Trimérico

Self-assembling protein nanoparticles (SAPNs) function as repetitive antigen displays and can be used to develop a wide range of vaccines for different ...