VJ y HS reconocen el apoyo de NIH R01 GM094246 a VJ. HS reconoce fondos de puesta en marcha del Programa de Investigación Creativa de la Universidad de Clemson y el Centro de Ciencia de Materiales Ópticos y Tecnologías de Ingeniería en la Universidad de Clemson. Este proyecto también fue apoyado por una beca de formación del Centro Keck para el Entrenamiento Interdisciplinario en Biociencias de los Consorcios de la Costa del Golfo (NIGMS Subvención No. 1 T32GM089657-05) y la Beca de la Fundación Schissler para Estudios Traslacionales de Enfermedades Humanas Comunes a DD. El contenido es exclusivamente responsabilidad de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.

Todos los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia con el contenido de este artículo.

En este trabajo se presenta el protocolo para alinear, calibrar y medir las distancias de interdye con alta precisión usando experimentos FRET de una sola molécula PIE-MFD. Al calibrar cuidadosamente todos los parámetros instrumentales, se puede aumentar la precisión de las distancias medidas y alcanzar la precisión de Angstrom. Para ello, se utilizan varios histogramas multidimensionales para analizar e identificar poblaciones para su posterior caracterización. Utilizando el tiempo macro medio para verificar la e...

Un objetivo fundamental de los estudios de biología estructural es desentrañar la relación entre la estructura y la función de las máquinas biomoleculares. La primera impresión visual de las biomoléculas ( por ejemplo, proteínas y ácidos nucleicos) se produjo en la década de 1950 a través del desarrollo de la cristalografía de rayos X 1 , 2 . La cristalografía de rayos X proporciona información estructural estática de alta resolución restringida por el empaque de cristal. Por lo tanto, la inmovilidad inherente de los modelos estructurales de rayos X evita la naturaleza dinámica de las biomoléculas, un factor que afecta a la mayoría de las funciones biológicas [ 3 , 4 , 5] . La resonancia magnética nuclear (RMN) 6 , 7 , 8 proporcionó una solución alternativa al problema resolviendo modelos estructurales en soluciones acuosas. Una gran ventajaDe la RMN es su capacidad para recuperar la naturaleza intrínseca dinámica de las biomoléculas y conjuntos conformacionales, lo que ayuda a aclarar las relaciones intrínsecas entre la estructura, la dinámica y la función 3 , 4 , 5 . Sin embargo, la RMN, limitada por el tamaño de la muestra y grandes cantidades de muestra, requiere complejas estrategias de etiquetado para sistemas más grandes. Por lo tanto, existe una necesidad acuciante de desarrollar métodos alternativos en biología estructural. Históricamente, la transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET) 9 no ha tenido un papel importante en la biología estructural debido a la idea errónea de que FRET proporciona medidas de distancia de baja precisión. Es el propósito de este protocolo revisar la capacidad de FRET para determinar las distancias en la escala nanométrica, de tal manera que estas distancias pueden ser utilizadas para construir modelos estructurales de biomoléculas. El primer experimento verificLa dependencia de R - 6 de la eficiencia de FRET fue realizada por Stryer en 1967 10 midiendo poliprolinas de varias longitudes como una &quot;regla espectroscópica&quot;. Un experimento similar se llevó a cabo a nivel de una sola molécula en 2005 [ 11] . Las moléculas de poliprolina resultaron ser no ideales y, por lo tanto, las moléculas de ADN de doble cadena se utilizaron más tarde 12 . Esto abrió la ventana para medidas de distancia precisas y la idea de utilizar FRET para identificar las propiedades estructurales de las biomoléculas. FRET es óptimo cuando el rango de distancia entre interditos es de ~ 0.6-1.3 R 0 , donde R 0 es la distancia de Förster. Para fluoróforos típicos usados ​​en experimentos de FRET de molécula única, R $ . $ Es de aproximadamente 50 Å. Típicamente, FRET ofrece muchas ventajas sobre otros métodos en su capacidad de resolver y diferenciar las estructuras y la dinámica enHeterogéneos: i) Debido a la máxima sensibilidad de la fluorescencia, los experimentos FRET de una sola molécula 13 , 14 , 15 , 16 pueden resolver conjuntos heterogéneos contando directamente y caracterizando simultáneamente las estructuras de sus miembros individuales. (Ii) Las vías de reacción complejas pueden ser descifradas directamente en estudios FRET de molécula única porque no es necesaria la sincronización de un conjunto. (Iii) FRET puede acceder a una amplia gama de dominios temporales que abarcan más de 10 décadas en el tiempo, cubriendo una amplia variedad de dinámicas biológicamente relevantes. (Iv) Los experimentos de FRET pueden realizarse en cualquier condición de solución, tanto in vitro como in vivo . La combinación de FRET con microscopía de fluorescencia permite el estudio de estructuras moleculares y las interacciones directamente en las células vivas [ 15 , 16 , </<html> Sup&gt; 17 , 18 , 19 , incluso con alta precisión 20 . (V) FRET se puede aplicar a sistemas de casi cualquier tamaño ( por ejemplo, oligómeros de poliprolina 21 , 22 , 23 , 24 , Hsp9025, transcriptasa inversa 26 de HIV y ribosomas 27 ). (Vi) Por último, una red de distancias que contiene toda la dimensionalidad de las biomoléculas podría utilizarse para derivar modelos estructurales de moléculas estáticas o dinámicas 18 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 ,Ref &quot;&gt; 35 , 36 , 37 . Por lo tanto, la espectroscopia FRET de una sola molécula se puede utilizar para derivar distancias que son lo suficientemente precisas para ser utilizado para modelado estructural restringido a distancia [ 26] . Esto es posible aprovechando la detección de fluorescencia multiparámetro 28 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , que utiliza ocho dimensiones de información de fluorescencia ( es decir, espectro de excitación, espectro de fluorescencia, anisotropía, duración de la fluorescencia, rendimiento cuántico de fluorescencia, El tiempo macroscópico, las intensidades de fluorescencia y la distancia entre los fluoróforos) para proporcionar con exactitud y precisión las restricciones de distancia. Además, la excitación intercalada pulsada (PIE) se combina con MFD(PIE-MFD) 42 para monitorear la fluorescencia del aceptor de excitación directo y seleccionar eventos de molécula única que surgen de muestras que contienen una estequiometría de donante a aceptor de 1: 1. Una configuración típica de PIE-MFD usa láseres de excitación entrelazados de dos pulsos conectados a un cuerpo de microscopio confocal, donde la detección de fotones se divide en cuatro canales diferentes en diferentes ventanas espectrales y características de polarización. Más detalles se pueden encontrar en la Figura 1 . Es importante señalar que FRET debe combinarse con métodos computacionales para lograr atomístico-como los modelos estructurales que son coherentes con los resultados FRET 26 , 30 . No es el objetivo del presente protocolo revisar la metodología asociada para construir modelos estructurales con distancias derivadas de FRET. Sin embargo, estos enfoques se han aplicado en combinación con otras técnicas ( por ejemplo, dispersión de rayos X de ángulo pequeñoO la resonancia paramagnética electrónica), dando origen al campo de la biología estructural integradora 43 , 44 , 45 , 46 . El objetivo actual es allanar el camino para FRET como una herramienta cuantitativa en biología estructural. Como ejemplo, esta metodología se utilizó para identificar tres estados conformacionales en el dominio de unión al ligando (LBD) del receptor N-metil-D-aspartato (NMDA). El objetivo final es superar las limitaciones antes mencionadas y traer FRET entre los métodos integradores utilizados para la determinación estructural de biomoléculas proporcionando distancias medidas con alta precisión.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="672">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">charcoal</td>
			<td style="width:183px;">Merck KGaA</td>
			<td style="width:119px;">K42964486 320</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">syringe filter</td>
			<td style="width:183px;">Fisherbrand</td>
			<td style="width:119px;">09-719C</td>
			<td>size: 0.20um</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">chambered coverglass</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td align="right" style="width:119px;">155409</td>
			<td>1.5 borosilicate glass, 8 wells</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">microscope cover glass</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">063014-9</td>
			<td>size: 24X60-1.5</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Nuclease free water</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">148859</td>
			<td>nuclease free</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">tween-20</td>
			<td style="width:183px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:119px;">28320</td>
			<td>10% solution of Polysorbate 20</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">acceptor DNA strand (High FRET)</td>
			<td style="width:183px;">Integrated DNA Technologies</td>
			<td style="width:119px;">178124895</td>
			<td>5&#180;-d(CGG CCT ATT TCG GAG TTG TAA ACA GAG AT(Cy5)C GCC TTA AAC GTT CGC CTA GAC TAG TCC AAG TAT TGC)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">acceptor DNA strand (Low FRET)</td>
			<td style="width:183px;">Integrated DNA Technologies</td>
			<td style="width:119px;">177956424</td>
			<td>5&#180;-d(CGG CCT ATT TCG GAG TTG TAA ACA GAG ATC GCC TT(Cy5)A AAC GTT CGC CTA GAC TAG TCC AAG TAT TGC)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">donor DNA strand</td>
			<td style="width:183px;">Integrated DNA Technologies</td>
			<td style="width:119px;">177951437</td>
			<td>5&#180; -d(GCA ATA CTT GGA CTA GTC TAG GCG AAC GTT TAA GGC GAT CTC TGT TT(Alexa488)A CAA CTC CGA AAT AGG CCG)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">DNA strand (No FRET)</td>
			<td style="width:183px;">Integrated DNA Technologies</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>5&#180; -d(CGG CCT ATT TCG GAG TTG TAA ACA GAG ATC GCC TTA AAC GTT CGC CTA GAC TAG TCC AAG TAT TGC)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">thermal cycler</td>
			<td style="width:183px;">Eppendorf</td>
			<td style="width:119px;">E6331000025</td>
			<td>nexus gradient</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">Alexa Fluor 488 C5&#160;Maleimide</td>
			<td style="width:183px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:119px;">A10254</td>
			<td>termed cyan-green fluorophore in the manuscript</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">Alexa Fluor 647 C2&#160;Maleimide</td>
			<td style="width:183px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:119px;">A20347</td>
			<td>termed far-red fluorophore in the manuscript</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Rhodamine 110</td>
			<td style="width:183px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">83695-250MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Rhodamine 101</td>
			<td style="width:183px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">83694-500MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">LB Broth, Miller</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP1426</td>
			<td>For culture of E. coli</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Ampicillin</td>
			<td style="width:183px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">A0166</td>
			<td>Used at 100 ug/ml final concentration in selective LB medium to maintain plasmid selection</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Tetracyline&#160;</td>
			<td style="width:183px;">Calbiochem</td>
			<td style="width:119px;">58346</td>
			<td>Used at 12.5 ug/ml final concentration in selective LB medium to maintain gor (flutathione reductase) mutation in Origami B(DE3) strains to facilitate disulfide bond oxidation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Kanamycin</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP906-5</td>
			<td>Used at 15 ug/ml final concentration in selective LB medium to maintain trxB (rhioredoxin reductase) mutation in B(DE3) stains to facilitate disulfide bond oxidation</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">Origami B(DE3) Competent Cells</td>
			<td style="width:183px;">Millipore</td>
			<td style="width:119px;">70837-3</td>
			<td>Competent E. coli cells for expression of protein with disulfide bridges</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">Isopropyl-&#946;-D-thiogalactopyranoside (IPTG)</td>
			<td style="width:183px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP1755</td>
			<td>For induction of E. coli protein expression</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">HiTrap Chelating HP</td>
			<td style="width:183px;">GE Life Sciences</td>
			<td style="width:119px;">17-0409-01</td>
			<td>For Large-scale FPLC Purification of His-tagged protein</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Imidazole</td>
			<td style="width:183px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:119px;">56749</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Ni-NTA Agarose&#160;</td>
			<td style="width:183px;">Qiagen</td>
			<td align="right" style="width:119px;">30210</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">PD-10 Desalting Column</td>
			<td style="width:183px;">GE Life Sciences</td>
			<td style="width:119px;">17-0851-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">AktaPurifier</td>
			<td style="width:183px;">GE Life Sciences</td>
			<td align="right" style="width:119px;">28406264</td>
			<td>FPLC Instrument</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Dialysis tubing</td>
			<td style="width:183px;">Spectrum labs</td>
			<td style="width:119px;">132562</td>
			<td>15 kD MWCO 24 mm Flath width, 10 meters/roll</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">Dichroics</td>
			<td style="width:183px;">Semrock</td>
			<td style="width:119px;">FF500/646-Di01-25x36</td>
			<td>500/646 BrightLight</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">50/50 Beam splitter polarizer</td>
			<td style="width:183px;">Qioptiq Linos&#160;</td>
			<td style="width:119px;">G33 5743 000</td>
			<td>10x10 film polarizer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">Green pass filer</td>
			<td style="width:183px;">Chroma</td>
			<td style="width:119px;">ET525/50m</td>
			<td style="width:167px;">ET525/50m 25 mm diameter mount</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Red pass filter</td>
			<td style="width:183px;">Chroma</td>
			<td>ET720/150m</td>
			<td>ET720/150m 25 mm diameter mount</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Power Meter</td>
			<td style="width:183px;">ThorLabd</td>
			<td style="width:119px;">PM200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">UV-Vis spectrophotometer</td>
			<td style="width:183px;">Varian</td>
			<td style="width:119px;">Cary300Bio</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Fluorolog 3 fluorometer</td>
			<td style="width:183px;">Horiba</td>
			<td style="width:119px;">FL3-22-R3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Fluorohub TCSPC controller</td>
			<td style="width:183px;">Horiba</td>
			<td style="width:119px;">Fluorohub-B</td>
			<td>TCSPC electronics for ensemble measurements</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">NanoLed 485L</td>
			<td style="width:183px;">Horiba</td>
			<td style="width:119px;">485L</td>
			<td>Blue diode laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">NanoLed 635L</td>
			<td style="width:183px;">Horiba</td>
			<td style="width:119px;">635L</td>
			<td>Red diode laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">Olympus IX73 Microscope</td>
			<td style="width:183px;">Olympus</td>
			<td style="width:119px;">IX73P2F</td>
			<td>Microscope frame</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">PMA 40 Hybrid Detector</td>
			<td style="width:183px;">PicoQuant GmbH</td>
			<td style="width:119px;">932200, PMA 40</td>
			<td>Optimized for green detection</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">PMA 50 Hybrid Detector</td>
			<td style="width:183px;">PicoQuant GmbH</td>
			<td style="width:119px;">932201, PMA 50</td>
			<td>Optimized for ed shifter sensitivity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">485nm laser</td>
			<td style="width:183px;">PicoQuant GmbH</td>
			<td style="width:119px;">LDH-D-C-485</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">640nm laser</td>
			<td style="width:183px;">PicoQuant GmbH</td>
			<td style="width:119px;">LDH-D-C-640</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">Hydraharp 400 and TTTR acqusition software</td>
			<td style="width:183px;">PicoQuant</td>
			<td align="right" style="width:119px;">930021</td>
			<td>Picosecond event timer and Time Correlated Single Photon Coutning Unit, includes TTTR acqusition software</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">SEPIA II SLM 828 and SEPIA software</td>
			<td style="width:183px;">PicoQuant</td>
			<td align="right" style="width:119px;">910028</td>
			<td>Laser driver for picosecond pulses , includes SEPIA software controller.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">computer</td>
			<td style="width:183px;">Dell</td>
			<td style="width:119px;">optiplex 7010</td>
			<td>cpu: i7-3770 ram:16GB</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:204px;">FRET Positioning and Screening (FPS) software</td>
			<td style="width:183px;">Heinrich Heine Unviersity</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>It include the Accesibel Volume clacualtor available at http://www.mpc.hhu.de/software/fps.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:204px;">MFD suite</td>
			<td style="width:183px;">Heinrich Heine Unviersity</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>It includes the BIFL software package Paris; Margarita for visualization of the multiparameter hisotrams, and Probability Distribution Analysis software availabel at http://www.mpc.hhu.de/software/software-package.html</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high precision fret at single-molecule level for biomolecule structure determination

Aquí se presenta un protocolo sobre cómo realizar mediciones de distancia interdye de alta precisión utilizando la transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET) a nivel de molécula única en el modo de detección de fluorescencia multiparámetro (MFD). MFD maximiza el uso de todas las &quot;dimensiones&quot; de la fluorescencia para reducir los artefactos fotofísicos y experimentales y permite la medición de la distancia interdye con una precisión de hasta 1 Å en biomoléculas rígidas. Este método se utilizó para identificar tres estados conformacionales del dominio de unión al ligando del receptor N-metil-D-aspartato (NMDA) para explicar la activación del receptor tras la unión del ligando. Al comparar las estructuras cristalográficas conocidas con mediciones experimentales, acordaron dentro de menos de 3 Å para biomoléculas más dinámicas. La reunión de un conjunto de restricciones de distancia que cubre toda la dimensionalidad de las biomoléculas haría posible proporcionar un modelo estructural de biomolécula dinámicaEs

En experimentos típicos de smFRET usando una configuración de MFD (líneas de láser: 485 nm a 60 μW y 640 nm a 23 μW, sección 5.1), la muestra de fluorescencia se diluye a una concentración picomolar baja ( 10-12 M = 1 pM) y se coloca En un microscopio confocal, donde un pulso de láser sub-nanosegundo excita las moléculas marcadas que se difunden libremente a través de un volumen de excitación. Un volumen confocal típico es &lt;4 femtolitros (fL). A concentraciones...

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High Precision FRET at Single-molecule Level for Biomolecule Structure Determination

Aquí se presenta un protocolo para experimentos FRET de alta precisión en el nivel de una sola molécula. Además, esta metodología puede usarse para identificar tres estados conformacionales en el dominio de unión al ligando del receptor de N-metil-D-aspartato (NMDA). Determinar las distancias exactas es el primer paso hacia la construcción de modelos estructurales basados ​​en experimentos FRET.

FRET de alta precisión a nivel de molécula única para la determinación de estructuras de biomoléculas

A protocol on how to perform high-precision interdye distance measurements using F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) at the single-molecule ...

The overall goal of this protocol is to perform high precision inter-dye distance measurements using multi-parameter fluorescence detection of F

high-precision-fret-at-single-molecule-level-for-biomolecule

Research

JoVE Journal

Biochemistry

10.6K vistas.  Clemson University. The overall goal of this protocol is to perform high precision inter-dye distance measurements using multi-parameter fluorescence detection of F