Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Мы представляем протоколы для простых микрофлюидных анализов актиновой нити в сочетании с флуоресцентной микроскопией, которые позволяют точно контролировать отдельные актиновые нити в режиме реального времени, последовательно подвергая их воздействию различных белковых растворов.
Чтобы расшифровать сложные молекулярные механизмы, которые регулируют сборку и разборку актиновых нитей, является большим преимуществом для мониторинга отдельных реакций, живущих в хорошо контролируемых условиях. Для этого за последние 20 лет появились живые эксперименты с одной нитью, в основном с использованием микроскопии полной флуоресценции внутреннего отражения (TIRF), и дали множество ключевых результатов. В 2011 году, чтобы еще больше расширить возможности этих экспериментов и избежать повторяющихся проблемных артефактов, мы ввели в эти анализы простую микрофлюидику. В этом исследовании подробно описывается наш основной протокол, где отдельные актиновые нити закреплены одним концом на пассивированной поверхности покрова, выравниваются с потоком и могут последовательно подвергаться воздействию различных белковых растворов. Мы также представляем протоколы для конкретных применений и объясняем, как можно применять контролируемые механические силы благодаря вязкому сопротивлению текучего раствора. Мы выделяем технические предостережения этих экспериментов и кратко представляем возможные разработки, основанные на этой технике. Эти протоколы и объяснения, наряду с сегодняшним наличием простого в использовании оборудования для микрофлюидики, должны позволить неспециалистам реализовать этот анализ в своих лабораториях.
Сборка и разборка актиновых нитей и сетей актиновых нитей контролируется несколькими биохимическими реакциями и зависит от механического контекста. Чтобы получить представление об этих сложных механизмах, бесценно иметь возможность наблюдать индивидуальные реакции на отдельных нитях (в достаточно большом количестве). За последние десятилетия наблюдение динамических актиновых нитей в режиме реального времени, главным образом с использованием флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения (TIRF), стало ключевым методом и обеспечило впечатляющий список результатов, которые не могли быть получены с помощью биохимических анализов объемного раствора1.
Для достижения этого необходимо поддерживать флуоресцентно меченые актиновые нити близко к поверхности крышки микроскопа, подвергая их воздействию растворов актин-связывающих белков (ABP), которые также могут быть флуоресцентно помечены. Это обеспечивает средства для мониторинга событий, происходящих на отдельных нитях в хорошо контролируемых биохимических условиях, и, таким образом, для количественной оценки скорости реакции. Однако следует рассмотреть ряд конкретных ограничений. Искусственное поддержание нитей близко к поверхности, часто благодаря множественным точкам крепления или с помощью скученного агента, такого как метилцеллюлоза, может изменить их поведение (например, вызывая паузы в их полимеризации и деполимеризации2). Отслеживание контура каждой нити накала может быть сложной задачей, особенно если новые нити или фрагменты нити накапливаются в поле зрения с течением времени. Реакции происходят в конечном объеме, где концентрация мономеров актина и ABP может изменяться с течением времени, что потенциально затрудняет получение точных констант скорости. Наконец, возобновление или изменение раствора ABP трудно достичь менее чем за 30 с и часто приводит к неоднородному содержанию белка в образце.
Чуть более 10 лет назад, вдохновленные тем, что уже было сделано для изучения отдельных нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)3, мы представили новую технику, основанную на микрофлюидике, для наблюдения и манипулирования отдельными актиновыми нитями4. Это позволяет обойти вышеупомянутые ограничения классических однонитевых техник. В этих анализах микрофлюидики актиновые нити выращиваются из спектрин-актиновых семян, адсорбированных на покровном листе. Таким образом, нити закреплены одним концом только на дне микрофлюидной камеры и колеблются над поверхностью, не прилипая. Нити накаливания выравниваются с потоком поступающих растворов, тем самым облегчая контроль длины их контура и поддерживая их в неглубокой области над крышкой, где можно использовать TIRF. Различные растворы одновременно поступают в камеру без перемешивания, и нити могут подвергаться их последовательному и быстрому воздействию.
Здесь мы предлагаем ряд основных протоколов для создания одноактиновых микрофлюидных анализов в лаборатории. Чехлы и микрофлюидные камеры могут быть подготовлены заранее (за полдня), а сам эксперимент, где можно проверить несколько биохимических состояний, проводится менее чем за сутки.
1. Подготовка микрофлюидной камеры
2. Очистка стеклянных крышек
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь подробно описана стандартная процедура очистки крышки, основанная на серии этапов обработки ультразвуком. Другие процедуры очистки стеклянных крышек были описаны во многих других публикациях, которые могут достичь аналогичных удовлетворительных результатов 6,7,8,9.
3. Сборка камеры PDMS
4. [НЕОБЯЗАТЕЛЬНО] Прямая пассивация и функционализация
ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от области применения камеры могут быть пассивированы и функционализированы либо после подключения к микрофлюидному управляющему устройству (см. Таблицу материалов), либо путем ручного впрыскивания растворов непосредственно в камеру с помощью пипетки перед ее подключением к микрофлюидному устройству. Последний предлагает преимущество в потреблении меньшего количества реагента и предотвращении потенциального загрязнения путем протекания раствора через трубку полиэфирного эфира кетона (PEEK) микрофлюидного устройства. На всех следующих этапах растворы впрыскиваются путем непосредственного втыкания наконечника пипетки в розетку. Чтобы избежать создания пузырьков внутри камеры, убедитесь, что крошечная капля торчит из наконечника пипетки при подключении наконечника к выходному отверстию камеры PDMS. Аналогичным образом, снимите наконечник пипетки до того, как весь объем будет введен.
5. Подключите микрофлюидное устройство
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте микрофлюидную систему на основе давления с четырьмя каналами для управления потоками в микрофлюидной камере (рисунок 1A, см. Таблицу материалов). Чтобы избежать образования пузырьков в микрофлюидных трубках и нарушения стабильности потока, дегазация всех растворов. Поместите 5 мл dH20 и 10 мл F-буферного запаса в вакуумный осушитель, подключенный к вакуумному насосу (конечный вакуум <250 мбар) и дегазацию в течение не менее 1 ч на RT.
Рисунок 1: Введение растворов через микрофлюидную камеру. (A) Стандартная микрофлюидная установка для экспериментов с одноактиновыми нитями. Белковые растворы, помещенные в резервуары 1-3, выталкивают в камеру путем регулировки давления в газовой фазе. Генерируемые расходомеры измеряются расходомерами. Внутри микрофлюидных камер растворы не смешиваются и занимают пространство в зависимости от применяемых относительных давлений (здесь равное давление на все входы). Типичные размеры: резервуарные трубы содержат до 2 мл раствора. Трубки PEEK (внутренний диаметр 0,25 мм) соединяют резервуары с расходомерами (после 10 см НКТ), а затем с камерой PDMS (еще через 70 см). Силиконовые трубки и соединительные трубы из нержавеющей стали используются для подключения труб PEEK к входным отверстиям PDMS. Основной микрофлюидный канал имеет высоту 20-60 мкм, ширину около 1 мм и длину 1 см. (В,С) Профили потока внутри микрофлюидной камеры. (B) Жидкость создает параболический профиль по всей высоте камеры: v(z) = 6z(h-z)R/h3w, где h и w - высота и ширина камеры, а R - общий расход. Нижняя часть: Одиночная актиновая нить, полимеризованная из поверхностно-анкерных семян спектрин-актина. (C) Когда ширина камеры значительно превышает ее высоту, поток почти равномерен по всей камере, за исключением поверхностей PDMS, где он сводится к нулю. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
6. Настройка установки со стандартными скоростями потока
ПРИМЕЧАНИЕ: Система давления с компьютерным управлением позволяет легко и точно регулировать давление всех входов/выходов, подключенных к камере PDMS, что позволяет контролировать скорость входящего и исходящего потока. Предустановленные конфигурации можно сохранять и включать/выключать одним щелчком мыши. Ниже приведены рекомендуемые конфигурации (если не указано иное, давление на выходе установлено равным 0 мбар). Ожидаемые скорости потока для этих предустановленных конфигураций см. в таблице 3 . Указанное здесь давление должно регулироваться в зависимости от геометрии камеры и конфигурации системы.
Рисунок 2: Давление, приложенное к каждому резервуару, контролирует разделение/пространственное распределение растворов внутри микрофлюидной камеры. (A) При равном давлении, приложенном к резервуарам, каждый раствор занимает одну треть камеры. (B) При замене резервуарной трубы (здесь резервуар 3) эффективное давление падает до нуля, создавая обратный поток. (С,Г) Увеличение относительного давления на одном из резервуаров позволяет подвергать поверхность стекла воздействию одного раствора. Поле зрения в середине камеры может быть последовательно подвергнуто воздействию решений 1 и 2 путем чередования конфигурации Mid Flow 1 (C) и Mid Flow 2 (D). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
7. Изменение решения 'x'
ПРИМЕЧАНИЕ: Как показано на рисунке 3A-C, важно иметь в виду, что растворам требуются минуты, чтобы течь из резервуарной трубы в основной канал камеры. Это минимальное «мертвое» время обусловлено объемом жидкости, содержащейся в трубке, и профилем потока внутри трубки (рисунок 3A-C).
Рисунок 3: Задержка поступления растворов из резервуаров в камеру PDMS и быстрое изменение биохимических условий. (А-С) Задержка поступления растворов из резервуаров в камеру PDMS. (A) В зависимости от геометрии камеры, длины трубы и приложенного давления на входе (входах) замена одного раствора другим не является мгновенной. После замены резервуарной трубки на ту, которая содержит флуоресцентный раствор (0 мин), раствор постепенно заполняют трубкой (0,4 мин) и камерой PDMS (1-2 мин). Ориентировочное время указано для приложенного давления 150 мбар, трубки PEEK 80 см и камеры PDMS шириной 1600 мкм и высотой 20 мкм. (B) Профиль параболического потока внутри трубки PEEK генерирует эффективный градиент флуоресценции вдоль радиального профиля трубки и внутри камеры (см. также рисунок 1B). (C) Задержка прибытия растворов может быть количественно определена путем измерения фонового сигнала эпифлуоресценции в камере в зависимости от времени. Экспериментальные условия: 0,5 мкМ 10% G-актина, меченного Alexa-568, вводят 150 мбар через расходомер и трубку PEEK 80 см. (D,E) Быстрое изменение биохимических условий. (D) Структура входящих решений в двух условиях mid flow. (E) Увеличение фоновой флуоресценции в качестве показаний концентрации актина. Время t = 0 устанавливается по мере наступления флуоресцентного увеличения. Раствор 1: 0,5 мкМ 10% Меченый Alexa-488 G-актин, раствор 2: F-буфер. (С,Э) Камера PDMS: высота 20 мкм и ширина 1600 мкм. Интенсивность эпифлуоресценции, ~2 мкм над поверхностью, количественно определяли путем усреднения сигнала по всему полю зрения, нормализованного до 0 при отсутствии флуорофора и 1 при максимальной интенсивности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
8. Основной эксперимент с одной нитью: Аденозиндифосфат (АДФ)-актин колючей концевой деполимеризации
ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем разделе предполагается нефункционализированная камера (только в разделе 5). Если камера была непосредственно функционализирована (раздел 4), начните с шага 8.4.
9. Другие эксперименты с одной нитью накаливания
10. Образование и разборка пучков нитей, индуцированных фасцином, методом АДФ/кофилина
ПРИМЕЧАНИЕ: Для образования пучков актиновых нитей убедитесь, что на поверхности камеры имеется достаточно высокая плотность семян нити. При воздействии белка фасцина соседние нити, которые колеблются латерально, будут динамически сшиты белками фасцина. Поскольку фасцин быстро развязывается со сторонынити 19, фасцин должен постоянно присутствовать в основном текучем растворе, чтобы поддерживать соединение нитей.
11. Процедура очистки микрофлюидного устройства
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы избежать загрязнения от одного эксперимента к другому, крайне важно тщательно очистить и полностью высушить все трубки и расходомеры после каждого эксперимента.
12. Анализ изображений
ПРИМЕЧАНИЕ: В то время как эта рукопись фокусируется на методе сборки, манипулирования и визуализации одиночных актиновых нитей в микрофлюидике, здесь представлен краткий метод анализа приобретенных фильмов. Анализ выполняется на 16-битных изображениях с помощью ImageJ, следуя разделу 8.
Для всех экспериментов, описанных выше, флуоресцентно меченые актиновые нити должны быть хорошо видны, с хорошим контрастом, указывающим на низкую фоновую флуоресценцию с поверхности (рисунок 4, см. Дополнительный файл 1 для устранения общих проблем). Актиновые ...
По сравнению со стандартными методами с одной нитью, где актиновые нити закреплены на поверхности несколькими точками по их длине или поддерживаются близко к ней с помощью агента скученности, такого как метилцеллюлоза, микрофлюидика предлагает ряд преимуществ. Поскольку взаимодейств...
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Мы благодарны Б. Ладу и Р.-М. Лаборатория Mège для использования своего УФ-очистительного оборудования, а также J. Heuvingh и 0. du Roure за первоначальное обучение, которое мы получили по подготовке пресс-форм на кремниевых пластинах и предоставлению советов по микрофлюидике. Мы признаем финансирование из гранта Европейского исследовательского совета StG-679116 (для A.J.) и Agence Nationale de la Recherche Grants Muscactin and Conformin (для G.R.-L.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
β-Casein | Merck | C6905 | Used at 8 mg/mL |
Biopsy punch (with plunger) | Ted Pella | 15115-2 | ID 0.75 mm, OD 1.07 mm |
Biotin-BSA | Merck | A8549 | Used at 1 mg/mL |
BSA | Merck | A8022 | Used at 50 mg/mL |
Coverslip Mini-Rack Teflon holder | Invitrogen | C14784 | for 8 coverslips |
Coverslips 22x40mm Thickness #1.5 | Menzel Gläser | 631-1370 | |
DABCO | Merck | D27802 | component in f-buffer |
DTT | Euromedex | EU0006-D | component in f-buffer |
Ester NHS Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A20000 | Fluorophore for actin labeling on Lys328. |
EZ-Link Sulfo-NHS-Biotin | Thermo Scientific | 21338 | To biotinylate actin on Lys328 |
Hellmanex III | Hellma | 9-307-011-4-507 | Glass cleaning detergent |
ImageJ | NIH | N/A | open source software |
Laboport | KNF | 811kn.18 | vacuum pump (ultimate vacuum: 240 mbar) |
Magic invisible tape | Scotch | 7100024666 | standard transparent office tape |
Micrewtube | Simport | T341-6T | 2 mL microfluidic reservoir tubes |
Microfluidic device Part 1: Flow Unit S | Fluigent | FLU-S-D-PCKB | Flowmeter |
Microfluidic device Part 2: Fluiwell-4C-2 mL | Fluigent | 14002001PCK | Reservoir holder |
Microfluidic device Part 3: MFCS-EZ | Fluigent | EZ-11000001 EZ-00345001 | Pressure controller |
Model 42 - UVO-Cleaner | Jelight Inc. | 42-220 | Ultraviolet cleaner |
N6-(6-Aminohexyl)-ATP-ATTO-488 | Jena Bioscience | NU-805-488 | ATP-ATTO used to label actin |
neutravidin | Thermo Scientific | 31000 | |
PLL-PEG | SuSoS | PLL(20)-g[3.5]- PEG(2) | Use at 1 mg/mL in PBS. |
Polydimethylsiloxane (PDMS) Sylgard 184 Silicon Elastomer | Dow Corning | 1673921 | Contains PDMS base and curing agent |
Polyetheretherketone (PEEK) tubing | Merck | Z226661 | “Blue” : I.D. = 0.25 mm |
Safety blow gun | Coilhose Pneumatics | 700-S | filtered air |
Silicon tubing | VWR | 228-0701P | connect PEEK to coupler |
Stainless steel catheter coupler | Prime Bioscience | SC22/15 | Inserted into PDMS inlets and outlet to connect to PEEK tubing |
Thermoplastic film | Sigma Aldrich | PM996 | Standard "parafilm" |
Ultrapure ethanol | VWR | 64-17-5 | |
Ultrasonic cleaning bath | VWR | USC200TH | To accomodate 1 L beakers |
Vacuum dessicator | SP Bel-Art | F42022-0000 | to degas the PDMS or solutions |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены