Method Article
We present a protocol to rapidly form giant polymer vesicles (pGVs). Briefly, polymer solutions are dehydrated on dried agarose films adhered to coverslips. Rehydration of the polymer films results in rapid formation of pGVs. This method greatly advances the preparation of synthetic giant vesicles for direct applications in biomimetic studies.
Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier properties, chemical versatility and tunable physical characteristics. Typical methods used to prepare giant-sized (> 4 µm) vesicles, however, are both time and labor intensive, yielding low numbers of intact polymersomes. Here, we present for the first time the use of gel-assisted rehydration for the rapid and high-yielding formation of giant (>4 µm) polymer vesicles (polymersomes). Using this method, polymersomes can be formed from a wide array of rehydration solutions including several different physiologically-compatible buffers and full cell culture media, making them readily useful for biomimicry studies. This technique is also capable of reliably producing polymersomes from different polymer compositions with far better yields and much less difficulty than traditional methods. Polymersome size is readily tunable by altering temperature during rehydration or adding membrane fluidizers to the polymer membrane, generating giant-sized polymersomes (>100 µm).
합성 셀 크기 거대 단일 층 소포 (GUVs)의 생성은 인공 세포 형 시스템 1,2- 생성하기위한 프레임 워크를 구축하는 다양한 세포 과정의 시험 관내 재구성에 대한 관심이 증가한다. 지질 막으로 구성 GUVs 자연, 생물 세포막의 우수한 모방 동안, 환경 변동에 대한 불안정하고 매우 짧은 수명을 가지고있다. 때문에 이러한 제한으로, 양친 성 블록 공중 합체는 중합체 소포 또는 polymersomes을 형성하는 지질 모방로서 사용되어왔다. 8 - 이러한 맥락에서,이 polymersomes 인해 증가 된 안정성 3 화학적 다양성 및 4,5- 수정 물리적 특성 6 생체 모방 전지 시스템의 발전에 유익하다.
현재의 방법은 거대한 크기의 polymersomes는 전기 주조 9 템플릿 재수 (10), w의 모두를 포함 형성HICH 시간이 많이 소요, 노동 집약적, 전문 필요 장비하고 그대로 거대한 polymersomes의 낮은 수율을 생산하고 있습니다. 간단한 겔 보조 재수 방법은 최근 지질 GUVs (11)의 생산을 위해 개발되었다. 여기서 우리는 거대한 변화 중합체 조성물에 polymersomes, 제어 크기 및 다양한 버퍼 조성물을 만드는 겔 보조 재수 기술의 적응을 설명합니다.
요약하면, 표준 DNA 겔 전기 영동 아가 필름 V / 1 % w 유리 커버 슬립 상 탈수. 클로로포름에서 제조 된 폴리머 솔루션은 다음 탈수 아가로 오스 필름에 걸쳐 확산과 증발 사용할 수 있습니다. 완전한 용매 제거 후, 폴리머 필름은 크기의 polymersomes 30 분 이내에 형성되는 적당한 가열 (40 ~ 70 °에 C) 및 대형 (> 4 μm의)와 선택의 버퍼에 재수된다. 이 방법은 신속하게 표준 실험실 장비 및 reagen를 사용하여 완전히 그대로, 잘 형성 polymersomes의 수백을 생산최소한의 비용으로 TS.
겔 - 보조 재수 방법을 묘사 한도 1 회로도. 디 블록 공중 합체로 이루어지는 거대 polymersomes는 재수 ~ 30 분 후 형성된다. 친수성 블록이 자홍색으로 표시되고, 소수성 블록이 녹색으로 표시된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
1. 고분자 및 아가로 오스 준비
참고 : 장갑 및 실험실 코트는이 프로토콜을 통해 항상 착용해야합니다. 안전 고글은 마찬가지로 유기 용매 또는 가능한 튀는 어떤 단계와 작업시 필요합니다.
2. 아가로 오스 필름 제조
3. 고분자 필름 형성
폴 4. 형성ymersomes
광표백 후 형광 복구에 의해 Polymersomes 5. 특성 (FRAP)
Polymersome 크기의 6 특성
. 이미징 소프트웨어를 사용하여 polymersomes의 크기 분석 6. 프로세스도 단계별 형성되는 소포의 직경을 측정하는 방법에 대해 설명합니다. 사용자는 사용 된 현미경의 픽셀 / μm의에서 교정 장치를 알아야합니다.ove.com/files/ftp_upload/54051/54051fig6large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Polymersomes는 (도 1)도 2에 도시 된 일반적인 실험 장비 위에서 설명한 절차를 이용하여 형성 하였다. Polymersomes 탈 이온수 (도 3)으로 재수 화 및 100X 오일 목적을 사용하여 표면 형광의 도립 현미경 영상화 하였다. polymersomes가 표시되지 않는 경우, 그들은이 100X 오일 목적으로 포착하기에 너무 큰 크기로 형성 할 수 있습니다; 낮은 전력 목적은 대신 사용할 필요가있다. 겔 - 보조 재수를 사용하는 장점 중 하나는 재수 솔루션의 다양한 polymersomes 형성의 다양성이다. Polymersomes 성공적 증류수 전체 포유류 세포 배양 배지,도 4에 도시 된 바와 같이 슈 크로스 용액 두 생리 관련 완충액 (인산염 완충 식염수 (PBS) 또는 TBS 버퍼 (TBS))으로 형성되었다. 표준 조건 하에서 (재수1 시간 동안 40 ° C)에서 물을 큰 70 ~보다 polymersomes는 일반적으로 볼 때 40 × 40 μm의 2 필드마다 발견된다. polymersomes의 표면 생산이 균일 아니지만,이 대표 수율보기의 필드 수십있다. 또한, polymersomes는 최소 24 시간 동안 용액에서 안정.
Polymersomes 크기가 쉽게 다양한 온도에서 중합체 필름을 돌리는로 조정 하였다. RT에서 탈 이온수에 형성 Polymersomes 2.9 ± 0.7 ㎛의 평균 직경을 갖는다. 재수 화 동안 온도가 증가함에 따라 polymersomes의 평균 크기는 (표 1)를 증가시킨다. 높은 온도 (> 60 °에 C) 크기로 형성 polymersomes 더 큰 100 μm의 (그림 5)에서.
모든 화상 처리가 오픈 소스 이미징 소프트웨어 (도 6)를 사용하여 완성 하였다.수집 된 이미지는 소프트웨어 프로그램에 개방 하였다. 보정 된 화소 크기가 설정 크기 상자에 입력 하였다. 선 도구를 사용하여 선 직경에 걸쳐 그려진. 각각의 라인이 인출 된 후, 보정 된 길이를 측정하여 그 결과 상자에 넣었다. 데이터는 선택 (예를 들면, 엑셀, 프리즘, 원산지 등)의 수학적 소프트웨어로 나타내 어질 수있다
. polymersomes의 형성에 필요한 필요한 항목을 공통 저렴 실험실 재료의 그림 2. 그림은 다음과 같습니다 파라 필름, 클로로포름 또는 다른 적당한 용매에 18.5 G 바늘, 폴리머, 1,000 μL 피펫 팁, 삼각 플라스크, 핀셋, 아가로 오스, 25mm 사각형 커버 슬립, PDMS 이미징 우물과 유리 페트리 접시. 여기를 클릭하십시오이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.
겔 보조 재수 방법 그림 3. 그림. 아가로 오스 용존는 더 필름 코팅 전체 커버 슬립까지 25mm 사각형 커버 슬립에 확산된다. 커버 슬립은 37 ° C 배양기에 넣고 필름은 탈수이다. 중합체 용액은 탈수 아가 필름 상에 증착 원 운동의 바늘을 사용하여 확산된다. 커버 슬립은 다음 데시 케이 터의 O에서 / N이 완전히 용매 잔류 물을 증발 장소입니다. 마지막으로, 및 이미징 챔버는 기판에 부착 및 폴리머는 40 ° C polymersomes의 형성을 허용하는 최소 25 분에서 선택의 용액으로 재수와 페트리 접시에 배치됩니다. 이의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 그림. >
도 4 Polymersomes 다른 다양한 버퍼에 형성 할 수있다. PEO-PBD 폴리머 필름을 1 시간 동안 40 ° C에서 지시 된 완충액으로 재수 화시켰다. 스케일 바 = 10 μm의. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
재수 화 동안 온도가 증가도 5는 polymersomes의 크기를 증가시킨다. 재수 표시된 온도에서 물에 형성 polymersomes의 대표적인 표면 형광 이미지. 큰 polymersomes의 온도 결과를 증가. 스케일 바는 10 μm의 =."_blank>이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
온도 (° C) | 평균 크기 (μm의) |
(24) | 2.93 ± 0.7 |
(40) | 5.76 ± 2.5 |
(50) | 6.65 ± 2.4 |
(60) | 11.46 ± 5.8 |
(70) | 14.04 ± 7.0 |
표 1 계산 된 상이한 온도 조건 당 물 100 이상 polymersomes 대한. 평균 직경을 증가 polymersome 크기 재수 결과 동안 승온 여기에 도시된다. 오류는 표준 편차이다.
Polymersomes 널리 생물학적 막 모방으로 탐구되고있다. 폴리머의 강력하고 다양한 특성을 막 작용, 장수 및 튜닝 응답 성을 필요로하는 연구들이 널리 매력. 거대한 크기의 polymersomes 9,10 (> 4 μm의) 형성하기위한 전통적인 방법은 노동 집약적이고 고가의 전문 장비가 필요합니다. 여기서는 처음으로 저렴한 표준 실험실 시약 및 장치를 이용하여 대형 크기 polymersomes을 형성하는 신속한 다목적 강력한 방법에 대해 제시한다.
겔 - 보조 재수를 사용하여 단일 층 polymersomes 빠르게 형성 될 수있다 (<30 분) (세포 배양 배지를 포함) 재수 솔루션의 다양한 다른 중합체의 다양한 (데이터는 보이지 않음). 비대칭 다중 층 소포의 형성은이 기술을 이용하여 관찰되지 않았다. B- 폴리 (- 본 연구를 통하여, 우리는 폴리 (에틸렌 옥사이드)를 사용부타디엔) (PEO-PBD, EO 22 -bd 37) 중간 블록 공중 합체. (대전 디 블록 공중 합체를 포함하여) 다양한 중합체 조성물은 또한이 방법 (미도시)를 사용하여 작동한다. 그러나, 몇몇 시판되는 트리 블록 공중 합체 및 고 분자량의 블록 공중 합체 (~> 5000 달톤)의 구별 polymersomes을 형성하지 않는다. 이 원고의 모든 실험의 경우, 표지 된 지질의 저농도 시각화 목적만을위한 중합체 용액에 첨가 하였다. 직접 형광 염료로 작용 화 중합체를 포함하여 시각화하는 다른 방법도 사용될 수있다. 형광 현미경은 높은 해상도를 제공하지만 Polymersomes은 마찬가지로, 밝은 필드 현미경으로 이미지화 할 수있다.
프로토콜에 대부분 약간의 수정은 일반적으로 결과를 변경하지 않습니다. 예를 들어, 커버 슬립 상에 분산 중합체 용액의 농도의 작은 차이는 중합체 (F)의 형성을 변경하지ILM은 형성했다. 전체 농도 범위가 결정되지 않은 반면, polymersome 형성 성공적으로 중합체 필름의 농도 (예를 들어, 1-10 ㎎ / ㎖)의 넓은 범위에서 발생한다. 그러나 부정적인 polymersome 형성에 영향을 미치지 않는 일부 프로토콜의 변경이 있습니다. 가장 주목할만한 polymersomes의 매우 가난한 형성 결과 (대신 정사각형의) 그 라운드 커버 글라스입니다. 우리는 실제로 polymersomes의 형성을 방해 유리에 아가로 오스의 매우에도 코팅이 때문이다.
이 기술의 가장 주목할만한 문제점 중 하나는 높은 수율로 표면으로부터 polymersomes를 복구 할 수있는 능력이다. 원래의 표면에서 polymersomes을 제거하는 것이 바람직 할 수있는 특정 경우가 있습니다. 탈수 인해 고분자 필름의 높은 배경 형광 개별 polymersomes을 제거하고 화상 품질 및 특성을 증가 커버 슬립을 청소하도록 부착 (이상적 상대 행) FRAP 분석 중에 cularly. (복구 된 소포의 수는 원래 형성된 것보다 상당히 낮다하더라도) 단부가 표면으로부터 탈착된다 polymersomes 차단되어있는 피펫 팁이 부드러운 피펫 팅을 수행한다. Polymersomes 다음 polymersome 새 커버 슬립과 상호 작용할 수 있도록 변형 된 커버 슬립의 표면 상에 배치 될 수있다. 15 분은 polymersomes 이미징의 표면 아래로 떨어지지을 위해 일반적으로 중성 PEO-PBD의 polymersomes를 들어, 오존 처리 된 커버. 다른 표면 개질 서로 다른 polymersome 조성 (예를 들어, 부정적 또는 긍정적는 폴리머 충전)이 필요합니다.
이 프로토콜에서 사용되는 대부분의 재료가 성공적으로 저장되어 주 일에 사용됩니다. 아가로 오스는 고형화 재비 및 아가도 비등 후 응집체를 시작하거나 응고 아가 건조 시작할 때까지 재사용 될 수있다. 건조 아가로 오스 필름으로 된 커버를 저장하고 사용 할 수 있습니다(예를 들어, 개월) 무기한 거라고. 클로로포름에 용해 된 중합체는 몇 달 동안 -20 ℃에서 저장 될 수있다. 중합체 필름은 아가 필름상에서 건조한 후에, 그러나, 필름 2 주 (장기 저장이 직접 결정되지 내에 하우스 진공하에 저장되고 사용될 필요가 있지만, 중합체 필름보다 오래된 두 형성된 polymersomes의 두드러진 차이가있다 주).
여기에 제시된 겔 보조 재수 프로토콜을 사용하여, 균일 한 형상 polymersomes 수백 표준 장비하고 저렴한 실험 시약을 사용하여 노동 몇 시간에 따라 빠르게 형성된다. 또한 polymersomes 생리 완충 용액의 다양한 상이한 중합체 조성물 (도시되지 않음)로부터 형성 될 수있다. 상기 방법에 사소한 변경을 부정 과학자에 겔 - 보조 재수에게 다용도 액세스 기술을 렌더링 polymersomes의 형성을 변경하지 기술 전자를 변화xpertise.
쉽게 세포의 크기 규모의 거대한 polymersomes을 만들 수있는 능력은 인공 세포와 같은 시스템을 구축하기위한 필수적이다. 이러한 polymersomes를 만들기 위해 젤 보조 재수의 사용과 다양성의 용이성 강력한 세포 막 모방의 창조를위한 생체 모방 분야에서 큰 발전을 제공합니다. 예를 들어,이 기술을 이용하여 다른 세포 내 성분, 세포막 단백질, 막 수송 단백질의 혼입과 중합체 기능화, 캡슐화 전략은 몇 가지 예를 들자면, polymersome 계 인공 세포를 만들도록 설계 될 수있다.
Sandia National Laboratories is a multi-program laboratory managed and operated by Sandia Corporation, a wholly owned subsidiary of Lockheed Martin Corporation, for the U.S. Department of Energy's National Nuclear Security Administration under contract DE-AC04-94AL85000.
We would like to gratefully acknowledge Dr. Ian M. Henderson, Andrew Gomez and Dr. Walter F. Paxton for their technical expertise, advice and help in this work. This work was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering (BES-MSE). ACG, DYS and GDB were supported by BES-MSE. This work was performed, in part, at the Center for Integrated Nanotechnologies, an Office of Science User Facility operated for the U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science (user project number RA2015A0004, PI: ACG).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
125 ml Erlenmeyer flask | VWR | 89000-360 | |
18 guage needle | VWR | BD-305196 | |
25 mm square coverslips | VWR | 48366-089 | |
Agarose | Sigma | A9539 | A standard agarose for DNA gel electrophoresis |
Chloroform | Sigma | 288306-2L | |
Commerical coverwell | Electron Microscopy Sciences | 70336 | Press-to-Seal Silicone Isolators |
Fiji Image Analysis Software | ImageJ | Free Download: http://fiji.sc/Fiji | |
Glass vial with Teflon Lid | VWR | 66009-556 | 1.9 ml capacity, case of 144 |
Liss-rhodamine B PE Lipid | Avanti Polar Lipids | 810150C | 1 mg of lipid at 1 mg/ml concentration in chloroform |
Parafilm | VWR | 52858-000 | 10.2 cm x 38.1 m |
poly(ethylene oxide)-b-poly(butadiene) or PEO-PBD (with a molecular weight of 2,940) | Polymer Source | P2904-BdEO | http://polymersource.com/dataSheet/P2904-BdEO.pdf |
Pastic Petri Dish | VWR | 25384-092 | |
Teflon tape | VWR | 300001-057 | 1/2" width |
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