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Este protocolo descreve a formação de bicamadas lipídicas suportadas e a adição de filamentos citoesqueléticos e proteínas motoras para estudar a dinâmica de redes citoesqueléticas reconstituídas e ligadas à membrana usando microscopia de fluorescência.
A superfície de uma célula viva fornece uma plataforma ativa versátil para numerosos processos celulares, que surgem da interação da membrana plasmática com o córtex de actina subjacente. Nas últimas décadas, sistemas mínimos reconstituídos baseados em bicamadas lipídicas suportadas em combinação com redes de filamentos de actina provaram ser muito instrumentais no desvendamento de mecanismos básicos e consequências de redes de actina amarradas à membrana, bem como no estudo das funções de proteínas individuais associadas à membrana. Aqui, descrevemos como reconstituir tais sistemas compostos ativos in vitro que consistem em bicamadas lipídicas suportadas por fluidos acopladas via proteínas de ligação à actina associadas à membrana a filamentos dinâmicos de actina e motores de miosina que podem ser prontamente observados através de microscopia de fluorescência de reflexão interna total. Um projeto de câmara aberta permite montar o sistema de maneira passo a passo e controlar sistematicamente muitos parâmetros, como concentração de proteína ligadora, concentração de actina, comprimento do filamento de actina, relação actina/miosina, bem como níveis de ATP. Finalmente, discutimos como controlar a qualidade do sistema, como detectar e solucionar problemas comuns e algumas limitações desse sistema em comparação com a superfície celular viva.
A membrana plasmática de uma célula animal viva interage constantemente com o citoesqueleto de actina adjacente e, juntas, formam um material compósito ativo que cumpre uma infinidade de funções celulares 1,2. Para estudar os processos nesta interface membrana lipídica-actina, a reconstituição de redes citoesqueléticas em cima de bicamadas lipídicas suportadas (SLBs) provou ser muito útil. Esta abordagem de sistema mínimo permite o controle preciso dos componentes da rede do citoesqueleto e da composição lipídica. Em comparação com as membranas lipídicas independentes das vesículas unilamelares gigantes, a geometria planar dos SLBs permite o uso eficiente de técnicas de microscopia de última geração, como super-resolução3,4, fluorescência de reflexão interna total (TIRF)5,6,7 ou espalhamento interferométrico 8 estudar a organização espacial e a dinâmica das redes citoesqueléticas. O TIRF fornece o maior contraste para componentes marcados fluorescentemente, uma vez que o sinal de moléculas marcadas não ligadas na solução que contribuem para o sinal de fundo é mínimo.
Aqui, descrevemos um protocolo básico para a formação de redes de actomiosina amarradas a bicamadas lipídicas suportadas, que são amplamente utilizadas em campo para estudar a física de redes ativas, quase-2D 9,10,11 e seu efeito na organização da membrana 3,5,12,13,14,15,16 (Figura 1 ). Esta abordagem não se limita a redes baseadas em actina, mas também pode ser adaptada facilmente para explorar microtúbulos, filamentos intermediários ou redes compostas de natureza mista e para estudar uma variedade de interações entre proteínas da membrana lipídica e componentes citoesqueléticos usando métodos de microscopia sensíveis à superfície.
Para manter este protocolo focado, excluímos uma descrição detalhada da purificação e marcação das proteínas actina e miosina ou detalhes sobre como sintonizar e controlar a contratilidade e organização das redes de actomiosina. Deve-se referir a outros protocolos que são publicados ao lado deste na JoVE Methods Collection, In Vitro Reconstitution of Cytoskeleton Networks for Biomaterials, Biophysics and Active Matter Research17.
Figura 1: Esquema do sistema composto ativo de membrana de actina in vitro . Criado com Biorender. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
1. Reagentes e equipamento
Figura 2: Esquema mostrando o fluxo de trabalho desde a preparação de vesículas multilamelares e pequenas vesículas unilamelares até a formação de bicamadas lipídicas suportadas. Criado com Biorender. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Reconstituição de redes de actina ligadas à membrana
Figura 3: Avaliação da qualidade das bicamadas com ensaio rápido de FRAP. As bicamadas lipídicas suportadas (SLBs) preparadas a partir de lipídios DOPC e Ni-NTA (98:2 mol%) são revestidas com HYE (ligador de membrana-actina marcado com 10xHis-YFP). Depois que a proteína não ligada é lavada, a bicamada fluorescente é fotografada sob um microscópio TIRF. Uma pequena região na bicamada é fotobranqueada com alta potência do laser, e a recuperação da fluorescência é registrada. (A) Uma boa bicamada sempre se recupera rapidamente, com um coeficiente de difusão esperado de 1-1,5 μm2/s para a composição lipídica utilizada neste caso. (B) Os bilayers ruins se recuperam muito lentamente ou não se recuperam. (C) Imagens representativas de bicamadas ruins: (C-i) uma bicamada com buracos, (C-ii) uma bicamada com manchas lipídicas grandes e imóveis e (C-iii) uma bicamada com pontos pequenos e imóveis. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Esquema mostrando como polimerizar a actina usando o método do tampão de destino. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Organização espacial de HYE após a ligação à actina F. Instantâneos TIRF mostrando a organização espacial do HYE antes e após a adição de filamentos de actina (marcados com maleimida de Atto-635). A organização HYE é homogênea antes da adição de F-actina e torna-se colocalizada e co-alinhada ao longo dos filamentos de actina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Análise dos dados
Para representação, aqui é mostrado um perfil típico de pós-bláspero da 1ª imagem após o fotobranqueamento (imagem em t = 0 s na Figura 3A) e seu ajuste à seguinte função28 (ver Figura 6A):
O valor de r e (23,94 μm) calculado pelo ajuste a esta curva é muito semelhante ao r e calculado no passo 2.8.4. (23,24 μm). Aqui, K é um parâmetro de profundidade de água sanitária que pode ser estimado diretamente a partir de F0 (descrito na etapa 2.8.4.). Da mesma forma, a Figura 6B mostra o perfil de recuperação e seu ajuste à seguinte função28:
Encontramos o valor ajustado do coeficiente de difusão como sendo 1,34 μm 2/s, um valor que concorda estreitamente com o valor de 1,39 μm 2/s que é calculado pela fórmula na etapa2.8.4. Aqui, MF representa a fração móvel da bicamada lipídica que representa a fração da população branqueada que se recupera de volta. A mobilidade das moléculas ancoradas em lipídios depende, é claro, da composição lipídica e de seu estado físico (fase líquida ou gel). Para nossos experimentos usando membranas lipídicas à base de DOPC, a mobilidade deve ser >1 μm2/s, e a fração móvel não deve ser inferior a 0,9 para indicar uma boa bicamada lipídica. Recomendamos o uso do método manual sem encaixe para um teste rápido da qualidade e mobilidade da bicamada. O método de ajuste pode ser útil ao automatizar a análise para muitas curvas FRAP. Além disso, se alguém quiser realizar um experimento FRAP mais sofisticado para caracterizar sistematicamente a difusão no sistema, recomendamos ao leitor esta revisão de Lorén et al.30 para obter mais detalhes sobre modelos de ajuste e possíveis armadilhas no delineamento experimental.
Figura 6: Quantificação do coeficiente de difusão das bicamadas lipídicas. (A) Perfil da linha da primeira imagem após o fotobranqueamento (t = 0 s na Figura 3A) e seu ajuste à equação 4 para calcular o raio efetivo de alvejante. (B) O perfil de recuperação da região branqueada e seu ajuste à equação 5 para cálculo do coeficiente de difusão e fração móvel. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Um resultado típico dos experimentos descritos acima, mostrando a montagem dinâmica e a organização de uma rede de acto-miosina ligada em uma bicamada lipídica suportada por microscopia TIRF, é representado na Figura 7 e no Vídeo Suplementar S1.
A Figura 7 mostra uma montagem de imagem da proteína ligadora, F-actina e miosina-II.
Figura 7: Os fluxos contráteis de actomiosina conduzem ao agrupamento local da proteína ligadora membrana-actina HYE. Instantâneos TIRF de HYE (marcados com YFP), filamentos de actina (marcados com maleimida de Atto-635) e filamentos de miosina II (marcados com maleimida de Atto-565) após a adição de miosina II a um SLB contendo HYE e F-actina. O tempo é indicado no topo: 0 min é imediatamente antes que os miofilamentos fluorescentes comecem a aparecer no campo TIRF. HYE e F-actina são distribuídos homogeneamente sobre a bicamada lipídica antes da adição de miosina (0 min). A atividade da miosina induz fluxos contráteis de actomiosina, que emergem em estruturas semelhantes a aster no estado estacionário (15 min), levando ao agrupamento local do componente de membrana acoplado (HYE). A linha mais baixa é uma fusão de imagens de actina (amarelo) e miosina II (magenta) mostrando a organização da actina e miosina em diferentes pontos de tempo. As imagens usadas na confecção dessas montagens foram corrigidas em Fiji para sinal de fundo, padrões de intensidade não uniformes e movimento de translação. Barra de escala = 10 μm. Para obter detalhes, consulte Vídeo suplementar S1. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Nome do buffer | Composição | |
Tampão de Reidratação Lipídica | 50 mM HEPES, 150 mM NaCl, 5% de sacarose, pH 7,5 | |
Buffer de formação SLB | 50 mM HEPES, 150 mM NaCl, pH 5-6 | |
Buffer de armazenamento SLB | 50 mM HEPES, 150 mM NaCl, pH 7,2 | |
Tampão de diluição de proteínas | 20 mM HEPES, 100 mM KCl, 1mM TCEP ou TDT, pH 7,2 | |
1X ME ou buffer de troca iônica Actin | 50 mM MgCl2, 0,2 mM EGTA, 10 mM HEPES, pH 7,2 (armazenar a 4°C) | |
1X KMEH ou tampão de polimerização Actin | 50 mM KCl, 1 mM MgCl2, 1 mM EGTA, 50 mM HEPES, pH 7,2 | |
Estoque de ATP de 100 mM | Sal dissódico ATP de 100 mM, Tris de 50 mM, NaCl de 50 mM, MgCl2 de 5 mM, EGTA de 2 mM, pH 7,5 (armazenar a -20°C) | |
2x buffer de destino | 2x KMEH, 2 mg/ml BSA, 2mM ATP, 5mM TCEP (armazenado a 4°C) | |
G-buffer | 2 mM Tris, 0,1 mM CaCl2, 0,2 mM ATP, 0,5 mM TCEP, 0,04 % NaN3, pH 8 (armazenar a 4°C) | |
Tampão de miosina II | 500 mM KCl, 1 mM EDTA, 10-20 mM Hepes, pH 7,0 | |
Tampão de cromatografia por filtração em gel | 50 mM Tris-HCl, 150-300 mM NaCl, 5 mM TCEP, 0,1% Tween-20, pH 7,5 | |
Tampando o tampão de armazenamento de proteína | Tris de 10 mM· Cl, 50 mM NaCl, 1 mM TCEP, pH 7,5, 20% de glicerol |
Tabela 1: Lista de composições de buffer usadas neste protocolo.
Problemas comuns e sua solução de problemas | Problema | Causa | Soluções possíveis | ||||||
1 | A bicamada lipídica não apresenta difusão | A causa mais provável para este problema é o vidro de cobertura sujo que pode acontecer quando a solução de limpeza é envelhecida ou o aquecimento não ocorreu durante a sonicação do banho. Essas bicamadas têm uma aparência "vesicular" porque as vesículas estouradas aderem ao vidro da tampa, mas não se fundem umas com as outras. Usar MLVs com mais de 6 semanas ou SUVs com mais de 6 dias, ou adicionar baixas quantidades de SUVs também pode levar à formação de bicamadas vesiculares. | Use uma solução de limpeza fresca. Certifique-se de que o aquecedor está ligado e a temperatura está entre 45-65°C. Use misturas lipídicas frescas. (O uso de uma sonda lipídica fluorescente versus uma sonda de proteína fluorescente às vezes pode se manifestar de forma diferente. Por exemplo, se a bicamada tiver defeitos de subdifração e a etapa de passivação superficial for ignorada (ou não funcionar), a sonda lipídica mostrará uma distribuição de intensidade uniforme, mas a sonda de proteína fluorescente poderá exibir pontos fluorescentes brilhantes.) | ||||||
2 | A bicamada lipídica tem manchas brilhantes | A incubação longa de SUVs para a formação de bicamadas pode criar uma bicamada lipídica que é difusora em geral, mas com manchas brilhantes ocasionais. Essas manchas podem ser bicamadas de várias camadas que podem atrair grandes quantidades de sonda fluorescente. | 15-20 min de incubação com SUVs é suficiente. Certifique-se de que a sonda não está se agregando: um giro rápido e duro da proteína do ligador (300 x g por 15 min a 4 °C) pode remover os agregados | ||||||
3 | A bicamada lipídica tem buracos escuros | Isso acontece quando a bicamada é feita de SUVs antigos e fotografada por horas prolongadas (> 4 horas após a formação), ou o pH da solução muda drasticamente devido a imagens prolongadas (por exemplo, no estado ATP alto e na presença de certos sequestradores de oxigênio), ou quando a superfície é passivada em excesso com beta-caseína (adicionando muita beta-caseína por mais de 10-15 minutos e ou não lavando-a). | Use lipídios frescos. Reduza a taxa de quadros de imagem ou o tempo efetivo de iluminação a laser. Use buffers com maior capacidade de buffering. | ||||||
4 | Bicamada lipídica apresenta difusão lenta | Bicamadas lipídicas com alta porcentagem de colesterol, lipídios saturados longos ou lipídios carregados difundem-se mais lentamente. | Nesses casos, prepare sua amostra a uma temperatura alta. Pode-se também usar uma composição lipídica simples e testada como controle, juntamente com composições lipídicas complexas e não testadas. Certifique-se de que o vidro está limpo. | ||||||
5 | A actina não polimeriza | O tampão alvo é antigo, o estoque de G-actina é muito antigo, o antigo e o novo G-actina foram copolimerizados. | Certifique-se de que o Ca 2+ é substituído por Mg2+ antes da polimerização (usando o tampão ME). Use ATP-Mg2+ fresco estoque. Use G-actina recém-reciclada. Certifique-se de que a concentração de F-actina (em termos de G-actina) adicionada à bicamada é superior a 0,2 μM. Para concentrações mais baixas, use faloidina estabilizada F-actina. | ||||||
6 | A actina não se liga à bicamada | O ligador membrana-actina não é adicionado ou adicionado em concentração muito baixa – isso pode ser inferido a partir da fluorescência da proteína ligadora. Se a fluorescência for decente, o ligador membrana-actina perdeu a capacidade de ligação à actina. Além disso, se a proteína ligadora não estiver especificamente ligada à superfície do vidro (quando a bicamada é ruim), ela pode não recrutar filamentos de actina. | Certifique-se de que a bicamada está se difundindo. Use proteína de ligação fresca | ||||||
7 | O sinal fluorescente de acetina F é fraco | A proporção de actina rotulada para actina escura é muito baixa. Ou a actina rotulada ou a actina não marcada é muito antiga e eles não estão copolimerizando uns com os outros. | Recicle a actina novamente e tente novamente a eloirização com actina recém-reciclada. O fotodano pode destruir ou despolimerizar a F-actina; se possível, use corantes vermelhos ou vermelhos para actina (e miosina). | ||||||
8 | A miosina não mostra contratilidade | pode-se observar que, após a adição de ATP ao sistema infundido com miosina, não há contratilidade da actomiosina. | Verifique se a concentração de miosina ou o nível de pureza é bom. Use miosina recém-reciclada (use dentro de 6 semanas após a reciclagem). Adicionar ATP fresco à mistura de miosina pode ajudar. Desgaseificação de buffers e uso de sequestradores de oxigênio, etc. pode reduzir o fotodano dos motores. Mais informações podem ser encontradas nos protocolos de Plastino et al. ou Stam et al. da mesma coleção de métodos | ||||||
9 | Coverglass não é hidrofílico | O vidro da tampa não é limpo corretamente. | O vidro de cobertura hidrofílico limpo é crucial para a formação de bicamadas lipídicas. Uma leitura útil e visual da hidrofilicidade do vidro de cobertura após o protocolo de limpeza é observar a umectação do copo pela água. Adicione um pequeno volume de água a uma tampa plana. A água permanecerá na forma de uma gota redonda se a tampa não for limpa corretamente. No entanto, o mesmo volume de água se espalhará e formará uma camada fina, em uma coberta hidrofílica tratada. Este comportamento de umectação da água na superfície do vidro de cobertura pode ser usado para verificar se as etapas de limpeza com a solução de limpeza / NaOH funcionaram. |
Tabela 2: Guia de solução de problemas resumindo problemas comuns e soluções correspondentes.
Vídeo Suplementar S1: Os fluxos de actomiosina contrátil conduzem o agrupamento local da proteína ligadora membrana-actina HYE. Timelapse TIRF de HYE (marcado com YFP), filamentos de actina (marcados com maleimida de Atto-635) e filamentos de miosina II (marcados com maleimida de Atto-565) após a adição de miosina II a um SLB contendo HYE e F-actina. O tempo é indicado no topo: 0 min é imediatamente antes que os miofilamentos fluorescentes comecem a aparecer no campo TIRF. Barra de escala = 10 μm. Clique aqui para baixar este arquivo.
Este protocolo apresenta uma plataforma versátil e um ponto de partida para projetar experimentos para estudar a interface membrana-córtex das células. As etapas críticas são a preparação de lâminas de vidro limpas, usando lipídios frescos para a formação eficiente de SUV (ambos afetando a qualidade dos SLBs) e o uso de proteínas de miosina II recém-recicladas para a reorganização dinâmica do filamento de actina. Ao fazer a dinâmica da imagem por um longo período de tempo, é muito importante incorporar um sistema de sequestro de oxigênio (por exemplo, ácido protocatecúico e protocatecuato 3 4-dioxigenase 5,31).
O projeto de câmara aberta permite a adição sequencial de componentes a um sistema existente sem induzir fluxos lipídicos. Isso pode ser uma vantagem importante sobre as abordagens de câmara fechada comumente usadas ou trabalhar usando proteínas encapsuladas dentro de lipossomas36. Efeitos contrários, como a deformação da membrana induzida por proteínas, não podem ser estudados com bicamadas lipídicas adsorvidas em vidro.
As bicamadas lipídicas podem ser formadas com uma ampla gama de composições lipídicas. Inicia-se com a adsorção das vesículas lipídicas à superfície do vidro hidrofílico, seguida de ruptura espontânea da vesícula devido às interações superfície-vesícula e vesícula-vesícula direta ou das vesículas adsorvidas atingindo uma cobertura crítica após a qual uma pequena fração das vesículas se rompe, formando bordas ativas, o que eventualmente leva à formação de duas camadas32 . Além do vidro, vários substratos podem ser utilizados para formar bicamadas lipídicas suportadas, como Mica (por exemplo, para microscopia de força atômica), substratos moles (por exemplo, poli-di-metil-siloxano), almofadas poliméricas33,34,35, abrangendo entre orifícios de grades de microscopia eletrônica 14. As bicamadas de interface de gotículas são outro método interessante para criar bicamadas lipídicas estáveise independentes 36. A inclusão de redes de acto-miosina em vesículas ou emulsões é um método muito poderoso para estudar esse sistema mínimo em uma geometria semelhante a uma célula37,38, e que é descrito em detalhes em outro lugar 39.
Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.
Este trabalho foi apoiado pelo fundo de pesquisa AXA e pelo Programa de Biomedicina Quantitativa Warwick-Wellcome (Wellcome ISSF, RMRCB0058) para DVK, NCBS-TIFR para AB e ST, e a bolsa Wellcome-DBT Margdarshi (IA / M / 15 / 1 / 502018) para SM. A DSK DSK também gostaria de agradecer à Sociedade Biofísica por permitir o evento de rede virtual "Desafios na compreensão de redes citoesqueléticas multicomponentes da molecular à meso-escala", o que contribuiu para a criação dessa coleção de protocolos.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,2 dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N- (lissamine rhodamine B sulfonyl) | Avanti Polar Lipids | 810158 | 16:0 RhoPE |
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3- [(N-(5-amino-1 carboxypentyl) iminodiacetic acid) succinyl] (nickel salt) | Avanti Polar Lipids | 790404 | DGS-NTA-Ni2+ |
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids | 850375 | DOPC |
1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids | 850355 | DPPC |
Amber glass vials | ThermoFisher | B7990-2A | |
ATP disodium salt | Sigma Aldrich | A26209 | |
Attofluor cell chamber | ThermoFisher | A7816 | |
Bath sonicator | GT Sonic | 1860QTS | |
beta-casein | Sigma Aldrich | C6905 | |
CaCl2 | ThermoFisher | 12135 | |
chloroform | Sigma Aldrich | 650471 | alternatively from Electron Microscopy Sciences, 50980296 |
Cover slips, #1, 25 mm diameter, Gold Seal | Harvard Apparatus | 64-0705B | |
Cover slips, #1, 40x22 mm, Gold Seal | ThermoFisher | 48404-031 | |
EDTA | ThermoFisher | G12635 | |
EGTA | Himedia | MB130 | |
Gas tight glass syringes, with removebla needle, blunt, volumes 10 µL, 100 µL, 500 µL | Hammilton | 1700 series | |
Hellmanex III | Hellma Analytics | Z805939 | cleaning solution |
HEPES | Himedia | RM380 | |
KaH2PO4 | ThermoFisher | G13405 | |
KCl | ThermoFisher | G13305 | |
KOH | ThermoFisher | G26708 | |
Lipid extruder | Avanti Polar Lipids | 61000-1EA | |
MgCl2 | ThermoFisher | G15535 | |
Microtip sonicator | Sonics | VC750 | 3 mm Tip diameter |
Na2CO3 | ThermoFisher | G15955 | |
NaCl | Himedia | GRM853 | |
NaH2PO4 | ThermoFisher | G15825 | |
NaOH | ThermoFisher | G27815 | |
Nikon Ti Eclipse TIRF microscope | Nikon | With a TIRF unit connected through a polarization-conserving optical fibre to an Agilent monolithic laser combiner MLC400 with multiple laser lines with a 100X, 1.45 NA Nikon Oil Objective with two 512 x 512-pixel EMCCD cameras (Photometrics Evolve 512) with a 100X, 1.45 NA Nikon Oil Objective with two 512 x 512-pixel EMCCD cameras (Photometrics Evolve 512) | |
NOA88 | Norland Products | 8801 | |
PTFE Coated Tweezer Style #2A | Structure Probe | 0S2AT-XD | |
Refrigerated microcentrifuge | Eppendorf | 5424R | |
Sucrose | ThermoFisher | G15925 | |
UV-illuminator | Novascan | PSD PRO-UV | needs vacuum and O2 supply |
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