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) Sintesi Nota: dfTAT viene prodotta in due fasi: sintesi del monomero da fTAT solida sintesi del peptide fase seguita da disolfuro dimerizzazione legame per formare dfTAT. <ol><li> Swell 500 mg di pista di ammide resina MBHA in dimetilformammide (DMF) in una da 50 ml SPPS nave standard per 1 ora. </li><li> Eseguire Fmoc deprotezione incubando resina protetto Fmoc in una soluzione di piperidina 20% (20% piperidina in DMF, 10 ml (0.30 mmoli). Eseguire i punti deprotezione doppio (1 x 5 min e 1 x 15 min) con una fase di lavaggio usando DMF (la fase di lavaggio comprende risciacquo resina più volte con un volume totale di circa 150 ml di DMF e allontanando il solvente per filtrazione sotto vuoto) in tra le reazioni. </li><li> Sintetizzare CK (TMR) RKKRRQRRRG (fTAT) sulla pista di ammide di resina MBHA. Utilizzare il seguente Fmoc protetta aminoacidi: Fmoc-Lys (MTT) -OH (solo su N-terminale), Fmoc-Lys (Boc) -OH, Fmoc-Gly-OH, Fmoc-Arg (Pbf) -OH, Fmoc- solln (Trt) -OH, e Fmoc-Cys (Trt) -OH. Effettuare la reazione con N 2 (20 PSI) per agitare la reazione. Eseguire tutte le reazioni a temperatura ambiente. <ol><li> Eseguire ogni aminoacido reazione di accoppiamento per 4 ore. Per ogni accoppiamento, utilizzare il Fmoc protetta aminoacido (1,2 mmol), N, N, N &#39;, N&#39; -Tetramethyl- O- (1 H -benzotriazol-1-il) uronium esafluorofosfato (HBTU) (0,44 g, 1,1 mmol ) e diisopropiletilammina (DIEA) (0,51 ml, 3,0 mmoli) sciolto in DMF. Dopo l&#39;accoppiamento 4 ore, lavare la resina con DMF e eseguire la fase di deprotezione Fmoc come descritto al punto 1.2. </li><li> Ripetere fino a quando la catena peptide lineare di fTAT: è stato sintetizzato (catena peptidica lineare CKRKKRRQRRRG senza TMR). </li><li> Lavare quindi accuratamente utilizzando resina primo DMF e dopo che con diclorometano (DCM). Risciacquare la resina più volte con un volume totale di circa 150 ml di DMF o DCM e rimuovere il solvente sotto vuoto per filtrazione. </li><li> Use MALDI-TOF per confermare che il peptide ottenuta ha il peso molecolare corretto. <ol><li> Fare un mix matrice aggiungendo 1 mg di matrice per una soluzione composta da 50 ml di 0,01% TFA in soluzione acqua e 50 ml di acetonitrile. </li><li> Per confermare massa catena peptide lineare, utilizzare l&#39;acido α-ciano-4-idrossicinnamico. Eseguire un HPLC analitica del peptide grezzo e raccogliere 50 microlitri dalla sommità del picco puro. </li><li> Per preparare il campione per placcare sulla piastra MALDI: Aggiungere 8 ml di peptide 2 microlitri della soluzione di matrice e posto sulla piastra MALDI asciugare all&#39;aria o su una piastra di calore 37 ° C. Nota: Arginina è noto per essere un acido difficile coppia SPPS amino. Accoppiamento di successo è stabilita eseguendo un test Kaiser 14 (test ad esempio, ninidrina). Questo test consente la rilevazione di ammine libere che potrebbero rimanere sganciato sulla resina. Nel caso venga rilevato un colore blu (indicativo della presenza di ammine libere), accoppiamento steps si ripetono. </li></ol></li></ol></li><li> Per CK (-NH-TMR) TATG (fTAT), unirà il gruppo protettore Mtt il gruppo ammino di Lys su CK (-NH-MTT) TATG con una soluzione composta di acido 1% trifluoroacetico (TFA) e il 2% triisopropylsilane (TIS) in DCM. <ol><li> Poiché la rimozione del gruppo protettivo MTT determinerebbe la comparsa di un colore giallo, incubare la resina con 20 ml della soluzione di cui sopra per 5 min, ripetere questo fino è osservato nessun colore giallo. Lavare la resina con DCM e DMF in mezzo. Inoltre poiché TIS è uno scavenger che pulire la MTT, una volta nessun colore giallo appare nella soluzione in presenza di MTT. </li><li> Aggiungere una soluzione supplementare con 1% TFA in DCM (senza TIS) alla resina per assicurare più MTT viene rimosso e la soluzione rimane chiaro. </li></ol></li><li> Sciogliere i tre componenti: Carboxytetramethylrhodamine (TMR), HBTU, e DIEA (4, 3,9 e 10 equivalenza rispetto alla quantità di resina (in mg)) in DMF e aggiungere questa miscelaalla resina ed effettuare la reazione O / N con N 2 a secco per fornire agitazione. </li><li> A seguito di Fmoc-deprotezione e aminoacidi coniugazione, lavare la resina con DCM e lasciarlo asciugare. Per una completa scissione del peptide dalla resina, aggiungere una soluzione contenente 92,5% TFA, 2,5% H 2 O, 2,5%, TIS, e 2,5% etanditiolo (EDT) (volume totale = 4 ml) alla peptidil-resina per 3 ora a RT per ottenere deprotezione globale e clivaggio dalla resina. <ol><li> Precipitare il prodotto grezzo mediante peptide fredda etere etilico anidro (Et 2 O) drenando la soluzione dal punto 1.6 in 40 ml di Et 2 O, girare questo giù a 4 ° C e 4.000 xg per 20 - 25 min. Ripetere questo passaggio per permettere il lavaggio del precipitato con anidro freddo Et 2 O. </li><li> Risospendere i precipitati in acqua (5 ml o fino a quando precipitato è completamente disciolto) e liofilizzato. Poi risospendere i prodotti ottenuti in 0.1% acquoso TFA / acetonitrile. </li></ol></li> &lt;li&gt; Effettuare analisi HPLC con una colonna analitica C18 (5 micron, 4 x 150 mm) per analizzare ogni peptide. Utilizzare una portata di 1 ml / min, e la rilevazione a 214 nm e 550 nm. </li><li> Eseguire HPLC semi-preparativa su una C18 10 x 250 mm di colonna per la purificazione dei peptidi. Utilizzare una velocità di flusso di 4 ml / min, e la rilevazione a 214 nm e 550 nm. Per tutte le corse, utilizzare gradienti lineari di 0,1% TFA acquoso (solvente A) e 90% acetonitrile, 9,9% di acqua, e 0,1% TFA (solvente B). </li><li> Confermare la corretta identità dei peptidi mediante MALDI-TOF secondo il protocollo del produttore: fTAT, di massa previsto: 2,041.17, massa osservato: 2.040,66. DEAC-K9, di massa previsto: 1,412.97, ha osservato di massa: 1,415.59. Utilizzare una matrice di acido ciano-4-idrossicinnamico α- per la MALDI-TOF. </li></ol> 2. Ossidazione Reazione: dfTAT Generation <ol><li> Aerare tampone fosfato salino (PBS) pH 7,4 per 1 ora (almeno 5 ml per la reazione di seguito). </li><li> Sciogliere fTAT (0,3 mg, 1,5 x 10 -4 mmol) in aerated PBS pH 7,4 (5 ml). Assicurarsi che il pH è compreso tra 7.0 - 7.5 dopo l&#39;aggiunta del peptide. Se non aggiungere idrossido di sodio (1 M, in piccoli incrementi 1 - 5 ml) per portare il pH a 7,4 backup. </li><li> Nota: ossigeno disciolto in PBS agisce per ossidare i gruppi tiolo su fTAT e formare un legame disolfuro. </li><li> Nutate la reazione O / N per lasciare agire fino al completamento (100% resa sulla base dell&#39;analisi HPLC). Purificare il prodotto mediante HPLC in fase inversa e analizzare mediante spettrometria di massa (MALDI-TOF) come al punto 1.9. Massa prevista: 4,080.34, ha osservato di massa: 4,084.21. </li><li> Lyophilize puro dfTAT (0,71 mmol x10 -4) e risospendere in 200 ml di acqua (concentrazione puro dfTAT = 356,3 micron). </li></ol> 3. Misurare dfTAT Concentrazione <ol><li> Risospendere una aliquota della purificato dfTAT (tipicamente 1 ml a seconda della quantità di peptide purificato) in 149 ml di 50 mM soluzione TCEP. </li><li> Nota: In questo passaggio dfTAT è ridotto alla sua monomer controparte fTAT per eliminare la tempra assorbanza che si verifica a causa della vicinanza del fluoroforo TMR in dfTAT (il ε coefficiente di estinzione del TMR in dfTAT è ridotto rispetto al ε di TMR in riduzione fTAT). </li><li> Lasciare il campione reagire per circa 20 min (HPLC analitica può essere utilizzato per confermare la formazione di fTAT). </li><li> Aggiungere tutta la soluzione nella cuvetta di quarzo e misurare l&#39;assorbanza a 556 nm. </li><li> Utilizzando la legge di Beer (A = εcl: ε = 91.500 M -1 cm -1) per calcolare la concentrazione di fTAT, determinare la concentrazione di dfTAT, e dividere [fTAT] per due. </li></ol> 4. cellulari Esperimenti di consegna <ol><li> Seme le cellule (HeLa, HDF, ecc.) In un piatto in un confluenza di 80-90% (ad esempio, ben 8 o 24 pozzetti piatto). Crescere le cellule in un mezzo appropriato (ad esempio, DMEM supplementato con 10% FBS e Pen / Strep) sino a 80 - 90% di confluenza in un 37 ° Catmosfera umidificata contenente il 5% di CO 2. </li><li> Lavare le cellule tre volte (3x) con PBS (aggiungendo 200 ml di PBS e quindi rimuovendo tre volte). </li><li> Fare un 5 micron concentrazione di lavoro di dfTAT diluendo uno stock di dfTAT (in acqua) in NRL-15 supporti (per un 8 pozzo piatto il volume totale dovrebbe essere di 200 ml). Una concentrazione di 5 mM dfTAT conduce consegna efficiente (elevato livello di consegna citosolico in più del 90% di cellule presenti in un piatto) nella maggior parte dei tipi cellulari testate finora (figura 3). Tuttavia, concentrazioni inferiori o superiori possono essere più adeguato per tipi di cellule con una propensione alto o basso per la penetrazione. NOTA SULLA MEDIA: NRL-15 viene utilizzato per la consegna di dfTAT in quanto non contiene cisteina, che potrebbe ridurre il legame disolfuro di dfTAT. Tuttavia, i nostri dati indicano che sia regolare L-15 (con cisteina) e DMEM può essere utilizzato come dispositivo di consegna. L-15 contiene la riduzione cisteina ma presumab cisteinaly ossida nei media per formare cistina (DMEM è formulato con cistina). dfTAT rimane quindi intatto in questi mezzi e consegna lavora la stessa efficienza di quella ottenuta con nrL15. </li><li> Incubare le cellule con dfTAT (5 mM) con o senza carico (ad es., EGFP (10 pM)) e mantenerlo a 37 ° C per 1 ora (tempo di incubazione può essere ridotto ma dfTAT genere richiede circa 30 a 45 minuti per indurre perdite endosomiale ). </li><li> Lavare le cellule con eparina (1 mg / ml) in L-15 (3 lavaggi sono raccomandati) per rimuovere dfTAT legato alla membrana plasmatica delle cellule. </li><li> Incubare le cellule con macchia di nuclei di cellule-impermeabili, ad es., Sytox Blu, Sytox Verde (2 micron di NRL-15), per determinare se la membrana plasmatica delle cellule è compromessa (cellule morte saranno colorate mentre le cellule vive non) secondo protocollo del produttore. </li><li> Celle di immagine usando un microscopio a fluorescenza (100X immersione in olio o obiettivo 20X). Immagine dfTAT utilizzando un filtro RFP (Ex =560 ± 20 nm / Em = 630 ± 35 nm). Nota: Il raggiungimento conduce ad una fluorescenza diffusa dfTAT tutta la cella (valutare la fornitura di proteina o peptide di interesse dipenderà dall&#39;applicazione). La colorazione dei nucleoli da fTAT (il prodotto ridotto dfTAT all&#39;entrata citosolico) può essere usato come indicazione che la fluorescenza intracellulare è rilevato. fTAT si degrada entro poche ore. A questo punto, la fluorescenza dei frammenti di degradazione apparirà come puntata. Questo non deve essere confuso per la distribuzione puntiforme che si vede anche se dfTAT rimane senza successo, intrappolato dentro endosomi (questo può accadere se dfTAT è presente troppo bassa di una concentrazione). </li></ol> 5. Controling Concentrazione di MOI Consegnato <ol><li> Identificare la concentrazione &quot;consegna ottimale&quot; necessaria per ottenere efficiente rilascio citosolico della dfTAT nel tipo cellulare utilizzato. Eseguire microscopia a fluorescenza su cellule incubate con increasing concentrazioni di dfTAT. La concentrazione ottimale dfTAT è definita come la concentrazione minima che porta a respingere citosolico &quot;diffuse&quot; TMR fluorescence in circa il 100% delle cellule in una coltura. </li><li> Variare la concentrazione di MOI utilizzato in co-incubazione protocollo mantenendo costante la concentrazione di dfTAT (ad esempio, utilizzando la concentrazione ottimale di consegna dfTAT). Modifica del tempo di incubazione a meno di 1 ora può essere anche una possibilità di variare la quantità di MOI consegnato. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Le cellule utilizzate per la consegna dfTAT non dovrebbe essere eccessivamente confluenti (&gt; 90% di confluenza), poiché questo potrebbe influenzare l&#39;efficienza di consegna. Le cellule dovrebbero anche essere in buona salute: le cellule morte nella cultura possono rilasciare frammenti apoptotici con cui dfTAT può interagire (ad esempio, il DNA dai nuclei degradate). Questo a sua volta può interferire con efficienza di consegna e la qualità delle immagini. Le cellule devono essere lavati accuratamente...

La consegna di proteine, peptidi o piccole molecole cellulari impermeabili in cellule vive è spesso desiderabile in molte applicazioni biologiche o biotecnologiche (di imaging cellulare, test funzionali, riprogrammazione cellulare, ecc.) 1-4. Molti approcci di consegna sono già stati segnalati, tra cui la microiniezione, elettroporazione, o l&#39;uso di agenti portanti (ad es., Peptidi cellule penetrante, come TAT, lipidi) 5-7. Ogni tecnica ha tipicamente pro e contro specifici che potrebbero rendere questi approcci adeguati per determinate applicazioni, ma non per gli altri. Problemi comuni riguardano l&#39;efficienza di consegna poveri e / o la mancanza di controllo di quanto materiale viene consegnato 8,9, tossicità o impatto fisiologico deleterio 10,11, la mancanza di controllo temporale, consegna in poche cellule, ma non in un intero popolo (ad es., microiniezione) 12, e complessi coniugazione chimica o formulazione regimi 11. s = &quot;jove_content&quot;&gt; Di recente, abbiamo sviluppato una strategia di consegna romanzo che elude queste limitazioni. Questa strategia si basa su un peptide chiamato dfTAT (dimero TAT fluorescente) 13. dfTAT deriva dal peptide ben sanno cellule penetrante (CPP) TAT. dfTAT contiene due copie disolfuro incollato di TAT etichettati con il tetrametilrodamina fluoroforo. Nonostante le loro somiglianze, TAT e dfTAT differiscono in modo significativo in attività. TAT è tipicamente internalizzato nelle cellule per endocitosi. Questo CPP rimane tuttavia per lo più intrappolato dentro endosomi (questo di solito porta ad una distribuzione puntiformi del peptide all&#39;interno delle cellule, se esaminato al microscopio a fluorescenza). Come TAT, dfTAT è efficacemente endocitato dalle cellule. Tuttavia, dfTAT non rimane intrappolato all&#39;interno endosomi. Invece, essa media perdite endosomal in un modo che è estremamente efficiente. L&#39;attività di endosomolytic dfTAT può essere sfruttata per fornire macromolecole da un semplice saggio di incubazione. S copi &quot;&gt; L&#39;attuale comprensione del processo di consegna è il seguente. dfTAT induce macropinocitosi. Di conseguenza, le cellule incubate con dfTAT occupano proteine ​​solubili, peptidi, o piccole molecole (molecole di interesse, MOI) presenti in media da parte di fase fluida endocitosi (vedi Figura 1). Interazioni tra dfTAT e MOI non sono necessari fino a quando sia il traffico entità insieme all&#39;interno del percorso endocitico. Come dfTAT raggiunge una determinata soglia all&#39;interno del lume di organelli endocitiche, esprime la sua attività perdite endosomal (i dettagli molecolari restano essere pienamente caratterizzato). Il contenuto del lume di organelli dispersioni, e quindi il MOI, viene poi rilasciato nelle cellule. Questo approccio è quindi molto conveniente come non sono richieste coniugazione o formulazione regimi con MOI. Inoltre, perché dfTAT è Non modificare direttamente una MOI, non dovrebbe interferire con la funzione MOI volta consegna intracellulare è raggiunto. Inoltre, la concentrazione didfTAT utilizzato consegna è indipendente da quello del MOI in media. Ad esempio, la concentrazione dfTAT può essere mantenuta costante tra i diversi esperimenti per garantire l&#39;efficienza riproducibili in perdite endosomal. Al contrario, la concentrazione di MOI nei media può essere gradualmente modificata per raggiungere livelli desiderati di MOI consegnato nel citoplasma. L&#39;alta efficienza di dispersione endosomal realizzato con dfTAT è notevolmente innocuo a molte delle cellule esaminate fino ad oggi. Si tratta di una sorpresa perché organelli endocytic sono componente importante delle cellule e ci si aspetterebbe che la perdita drammatica mediata da dfTAT sarebbe stato accompagnato da risposte cellulari deleteri. Eppure, cellule trattate proliferano alla stessa velocità come cellule non trattate e non visualizzano i cambiamenti significativi nella loro trascrittoma. Inoltre, la consegna può essere ripetuto in pochi minuti con l&#39;efficienza di consegna riproducibili, indicando che le cellule possono sia tollerare o recuperare dal processo di consegna, senza perderela loro capacità di endocitosi o perdite endosomal. Risposte cellulari sottili potrebbero aver luogo durante la consegna dfTAT e i dettagli molecolari di ciò che queste risposte potrebbero essere ancora essere esplorate. Tuttavia, combinando ad alta efficienza, la convenienza di protocolli, e la mancanza di tossicità, questo approccio consegna risulti immediatamente utili in molte applicazioni basati su celle. I protocolli qui presentati hanno lo scopo di rendere questa tecnologia accessibile alla comunità di ricerca.

<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

Strategie di consegna macromolecolari in genere utilizzano il percorso endocitica come una via di ingresso cellulare. Tuttavia, endosomal intrappolamento limita fortemente l&#39;efficienza con cui macromolecole penetrare il locale citosolico di cellule. Recentemente, abbiamo aggirato il problema individuando il reagente dfTAT, un dimero legame disolfuro della TAT peptide marcato con il fluoroforo tetrametilrodamina. Abbiamo generato un dimero fluorescente della cellula-penetrante peptide (CPP) TAT prototipo, dfTAT, che penetra cellule vive e raggiunge lo spazio citosolico di cellule con una particolarmente alta efficienza. Consegna citosolico di dfTAT è raggiunto in linee cellulari multiple, comprese le cellule primarie. Inoltre, la consegna non influisce notevolmente la vitalità cellulare, la proliferazione e l&#39;espressione genica. dfTAT in grado di fornire piccole molecole, peptidi, anticorpi, enzimi biologicamente attivi e un fattore di trascrizione. In questo rapporto, si descrivono i protocolli coinvolti nella DFTASintesi T e consegna cellulare. Il manoscritto descrive come controllare la quantità di proteine ​​consegnato allo spazio citosolico di cellule variando la quantità di proteina somministrata extracellulare. Infine, gli attuali limiti di questa nuova tecnologia e passaggi necessari per la validazione di consegna sono discussi. I protocolli descritti devono essere estremamente utili per saggi cellulari e per la manipolazione ex vivo e riprogrammazione delle cellule.

Per valutare la differenza tra fTAT e dfTAT, cellule HeLa sono incubate per 1 ora con ogni peptide per determinare la differenza nella loro localizzazione cellulare. L&#39;internalizzazione dei due CPP del è stata valutata utilizzando la microscopia a fluorescenza. La figura 2 mostra che fTAT (20 micron) localizza in una distribuzione puntata. Questa distribuzione è coerente con il peptide rimanendo intrappolata all&#39;interno endosomi. Al contrario, il segnale di fluorescenza di dfTAT (5 mM) mostra ...

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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.

Consegna di proteine, peptidi o cella-impermeabile piccole molecole in cellule vive mediante incubazione con il reagente Endosomolytic dfTAT

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

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.2K Views.  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.

Fabbricazione di elettrochimica-DNA biosensori per il rilevamento Reagentless di acidi nucleici, proteine ​​e piccole molecole

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. ...

Ricerca

Bioingegneria

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.

Live-cellula Imaging di migrazione delle cellule che esprimono proteine ​​fluorescenti-taggato in una matrice tridimensionale

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.

PLGA nanoparticelle formate da singola o doppia emulsione con Vitamina 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 ...

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.

Nanomanipolazione di Single RNA Molecole da pinzette ottiche

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.

Hydrogel nanoparticelle raccolta di plasma o nelle urine per il rilevamento di proteine ​​a basso Abbondanza

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 permeazione di ferritine FITC-caricati attraverso un Rat barriera emato-encefalica: un modello per studiare la consegna di Nanoformulated Molecole

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.

Patterning bioattivi proteine o peptidi su idrogel utilizzando fotochimica per applicazioni biologiche

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.

Sviluppo di dispositivi microfluidici per studiare la capacità di allungamento di punta-coltivazione di cellule vegetali in spazi estremamente ridotti

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.

Peptidi antimicrobici prodotte dalla pressione selettiva incorporazione di aminoacidi Non canonico

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.

Produzione di Nanoparticelle proteiche auto-assemblanti E. coliper vaccini che richiedono la presentazione dell'epitoscopio trimerico

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