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Method Article
Questo protocollo descrive un processo per fabbricare reti di nanotubi lipidici utilizzando la motilità della kinesina planante in combinazione con vescicole lipidiche unilamellari giganti.
Le reti di nanotubi lipidici (LNT) rappresentano un sistema modello in vitro per lo studio del trasporto molecolare e della biofisica lipidica con rilevanza per i tubuli lipidici ubiquitari presenti nelle cellule eucariotiche. Tuttavia, gli LNT in vivo sono strutture altamente in equilibrio che richiedono energia chimica e motori molecolari per essere assemblati, mantenuti e riorganizzati. Inoltre, la composizione degli LNT in vivo è complessa, comprendente più specie lipidiche diverse. I metodi tipici per estrudere gli LNT sono sia dispendiosi in termini di tempo che di lavoro e richiedono pinzette ottiche, microsfere e micropipette per estrarre forzatamente nanotubi da vescicole lipidiche giganti. Qui viene presentato un protocollo per il test di motilità planante (GMA), in cui le reti LNT su larga scala vengono rapidamente generate da vescicole unilamellari giganti (GUV) utilizzando la motilità dei microtubuli alimentati da chinesina. Utilizzando questo metodo, le reti LNT sono formate da una vasta gamma di formulazioni lipidiche che imitano la complessità degli LNT biologici, rendendoli sempre più utili per studi in vitro di biofisica lipidica e trasporto associato alla membrana. Inoltre, questo metodo è in grado di produrre in modo affidabile reti LNT in breve tempo (<30 min) utilizzando apparecchiature di laboratorio comunemente utilizzate. Anche le caratteristiche della rete LNT come lunghezza, larghezza e partizionamento lipidico sono sintonizzabili alterando la composizione lipidica dei GUV utilizzati per fabbricare le reti.
La fabbricazione di reti di nanotubi lipidici (LNT) è di crescente interesse per l'esame in vitro delle strutture lipidiche non equivalenti 1,2,3. Le cellule utilizzano tubuli lipidici per il trasporto diffusivo delle proteine4 e degli acidi nucleici5 e per la comunicazione cellula-cellula 6,7. Il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi sono particolarmente interessanti, in quanto questi organelli legati alla membrana sono le posizioni primarie per la sintesi lipidica e proteica, nonché per il trasporto di queste biomolecole integrali all'interno del citoplasma di una cellula 8,9. Le membrane di questi organelli sono composte da più specie lipidiche tra cui sfingolipidi, colesterolo e fosfolipidi10 che alla fine aiutano a definire la loro funzionalità. Pertanto, per replicare e studiare più da vicino questi organelli, gli LNT in vitro devono essere fabbricati da vescicole con formulazioni lipidiche sempre più complesse11.
Le vescicole unilamellari giganti (GUV) sono utilizzate in modo pervasivo per studiare il comportamento della membrana lipidica perché possono essere sintetizzate in modo affidabile con formulazioni complesse che includono colesterolo, fosfatidilcolina (PC), fosfatidiletanolammina (PE), fosfatidilserina (PS) e fosfatidilinositolo (PI) 12,13. Qui è descritto un metodo per fabbricare LNT da GUV con diverse formulazioni lipidiche utilizzando il test di motilità planante (GMA), in cui gli LNT vengono estrusi in base al lavoro svolto dai motori kinesin e dai filamenti di microtubuli che agiscono sui VAV. In questo sistema, le proteine motorie della chinesina adsorbite in superficie spingono microtubuli biotinilati, convertendo l'energia chimica dall'idrolisi dell'ATP in lavoro utile (in particolare, l'estrusione di LNT da vescicole biotinilate)11. La rete LNT risultante fornisce una piattaforma modello per studiare gli effetti delle differenze nelle fasi lipidiche sui cambiamenti nella morfologia LNT.
In breve, le proteine motorie della chinesina vengono introdotte in una camera di flusso in una soluzione contenente caseina, che consente l'adsorbimento dei motori sulla superficie di vetro della camera. Successivamente, i microtubuli biotinilati in una soluzione contenente ATP fluiscono attraverso la camera e vengono lasciati legare ai motori della kinesina e iniziare la motilità. Una soluzione di streptavidina viene quindi introdotta nella camera e lasciata legare in modo non covalente ai microtubuli. Infine, i GUV contenenti un lipide biotinilato vengono introdotti nella camera e si legano ai microtubuli rivestiti di streptavidina, quindi estrudono gli LNT per formare reti su larga scala nel corso di 15-30 minuti. Questo metodo produce grandi reti LNT ramificate utilizzando apparecchiature di laboratorio standard e reagenti a basso costo11.
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1. Preparazione di soluzioni di microtubuli di riserva
ATTENZIONE: occhiali di sicurezza, guanti e un camice da laboratorio devono essere sempre indossati durante tutto il protocollo.
2. Preparazione di vescicole unilamellari giganti (GUV)
3. Preparazione delle scorte e dei reagenti per il saggio di motilità
4. Saggio di motilità planante (GMA)
5. Caratterizzazione della rete LNT
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Le reti LNT (Figura 4) sono state fabbricate utilizzando il protocollo descritto, che utilizza il lavoro svolto dal trasporto kinesin di microtubuli per estrudere LNT dai GUV. In breve, i VAV sono stati preparati utilizzando la reidratazione del gel di agarosio utilizzando soluzione di saccarosio e i microtubuli sono stati polimerizzati in soluzione GPEM e stabilizzati in BRB80T. Successivamente, i motori kinesin sono stati introdotti in una cella di flusso formando uno strato attivo di moto...
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Le reti LNT sono uno strumento utile per studi in vitro sulle proprietà della membrana e sul trasporto di biomolecole come le proteine transmembrana. Inoltre, l'utilizzo di formulazioni lipidiche complesse per fabbricare reti LNT consente studi più rilevanti dal punto di vista biologico. Altri studi di fabbricazione hanno utilizzato 1) semplici formulazioni lipidiche e vescicole multilamellari o 2) tecniche di motilità più ingombranti per fabbricare reti da GUV composte da formulazioni lipidiche complesse. Il metodo ...
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Sandia National Laboratories è un laboratorio multi-missione gestito e operato da National Technology & Engineering Solutions di Sandia, LLC., una consociata interamente controllata da Honeywell International, Inc., per la National Nuclear Security Administration del DOE degli Stati Uniti sotto contratto DE-NA-0003525. Questo documento descrive risultati tecnici oggettivi e analisi. Eventuali opinioni o opinioni soggettive che potrebbero essere espresse nel documento non rappresentano necessariamente le opinioni del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti o del Governo degli Stati Uniti.
Questo lavoro è stato supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering (BES-MSE). La sintesi della kinesina e la microscopia a fluorescenza sono state eseguite attraverso un progetto utente (ZIM) presso il Center for Integrated Nanotechnologies, una struttura per utenti dell'Office of Science gestita per l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
100x/1.4 Numerical Aperture Oil Immersion Objective | Olympus | 1-U2B836 | Olympus UPlanSApo 100x/1.40 Oil Objective Infinity Corrected, RMS Thread Working Distance 0.12mm |
3.0 ND Filter | Olympus | Neutral Density Filter | |
AMP-PNP | Sigma-Aldrich | A2647 | (β,γ-imidoadenosine 5′-triphosphate) |
ATP | Sigma-Aldrich | A7699 | Adenosine 5'-triphosphate disodium salt hydrate BioXtra |
Brightline Pinkel DA/FI/TR/Cy5/Cy7-5X-A000 filter set | Semrock | LED-DA/FI/TR/Cy5/Cy7-5X-A-000 | BrightLine Pinkel filter set, optimized for DAPI, FITC, TRITC, Cy5 & Cy7 and other like fluorophores, illuminated with LED-based light sources |
Casein | Sigma-Aldrich | 22090 | Casein hydrolysate for microbiology |
Catalase | Sigma-Aldrich | C9322 | Catalase from Bovine Liver |
Chloroform | Sigma-Aldrich | 288306 | Chloroform anhydrous contains 0.5-1.0% ethanol as stabilizer |
Cholesterol | Avanti | 700000P | cholesterol (ovine wool, >98%) (powder) |
D-Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | D-(+)-Glucose powder, BioReagent, suitable for cell culture, suitable for insect cell culture, suitable for plant cell culture, ≥99.5% |
DOPC | Avanti | 850375C | 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (in chloroform) |
DOPE-Biotin | Avanti | 870282C | 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(biotinyl) (sodium salt) |
DPPC | Avanti | 850355P | 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (powder) |
DPPE-Biotin | Avanti | 870285P | 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(biotinyl) (sodium salt) |
DTT | Sigma-Aldrich | 43816 | DL-Dithiothreitol solution 1 M |
EGTA | Sigma-Aldrich | E4378 | EGTA, Egtazic acid, Ethylene-bis(oxyethylenenitrilo)tetraacetic acid, Glycol ether diamine tetraacetic acid |
Glucose Oxidase | Sigma-Aldrich | G6125 | Glucose Oxidase from Aspergillus niger Type II, ≥10,000 units/g solid (without added oxygen) |
Glycerol | Fisher | G33 | Glycerol (Certified ACS), Fisher Chemical |
GTP | Sigma-Aldrich | G8877 | Guanosine 5′-triphosphate sodium salt hydrate |
IX-81 Olympus Microscope | Olympus | N/A | IX81 Inverted Microscope from Olympus |
KOH | Sigma-Aldrich | 1050121000 | Potassium Hydroxide |
Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | M1028 | 1.00 M magnesium chloride solution |
Orca Flash 4.0 Digital Camera | Hamamatsu | C13440-20CU | ORCA-Flash 4.0 V3 Digital CMOS camera |
Oregon Green-DHPE | Invitrogen | O12650 | Oregon Green 488 1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine |
Paclitaxel | ThermoFisher | P3456 | Paclitaxel (Taxol Equivalent) - for use in research only |
PIPES | Sigma-Aldrich | P6757 | 1,4-Piperazinediethanesulfonic acid, Piperazine-1,4-bis(2-ethanesulfonic acid), Piperazine-N,N′-bis(2-ethanesulfonic acid) |
Texas Red-DHPE | Invitrogen | T1395MP | Texas Red 1,2-Dihexadecanoyl-sn-Glycero-3-Phosphoethanolamine, Triethylammonium Salt |
Trolox | Sigma-Aldrich | 238813 | (±)-6-Hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid |
Tubulin, Biotin | Cytoskeleton | T333P | Tubulin protein (biotin) porcine brain |
Tubulin, Hy-Lite 488 | Cytoskeleton | TL488M | Tubulin protein (fluorescent HiLyte 488) porcine brain |
Tubulin, Unlabeled | Cytoskeleton | T240 | Tubulin protein porcine brain |
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