Yazarlar, bu proje ile birlikte yardım için Elena Lomakina, Richard Bauserman, Margaret Youngman, Shay Vaknin, Jessica Snyder, Chris Striemer, Nakul Nataraj, Hung Li Chung, Tejas Khire, ve Eric Lam teşekkür etmek istiyorum. Bu proje NIH # PO1 HL 018208 tarafından finanse edildi.

1. Yöntemler 1.1 Hücre Akış Odası Hücreler 1.0 Pa (10 dyn / cm 2) bir makaslama altında yetiştirilir ve daha sonra bir Sı MFP3D AFM (Santa Barbara, CA) ile doğrudan transfer edilebilir böylece Şekil 1&#39;de gösterildiği gibi, akış bölme, inşa edildi. <ol><li> 15 dakika boyunca ve daha sonra damıtılmış su ile yıkama: akış bölme birinci pirana çözeltisi (H2O 03:01 2 H 2 SO 4) cam slaytlar temizleme ile deney için hazırlanmıştır. Daha sonra pişmiş edildi kuru ve bir vakum biriktirme odasında silan aminopropil triethoxy (APTES) ile kaplı. </li><li> Bir silikon conta bir Silhouette SD kesici alet kullanılarak kesildi. Bu bize ince hücre büyümesi sırasında akış hızı ve makaslama stres kontrolü için akış odasının boyutlarını denetlemek için izin verdi. Tipik olarak, bir kanal 0,4 mm silikon bir tabaka, uzun 19 mm genişliğinde 6,4 mm kesildi. Cins için gerekli olan akış hızıte 1,0 Pa (10 dyn / cm 2) bir kayma gerilmesi denklemi ile dikdörtgen bir kanalda laminer akış olduğu varsayılarak hesaplanır: </li></ol><img alt="Denklem 1" fo:content-width="0.737in" fo:src="/files/ftp_upload/50163/50163eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50163/50163eq1.jpg" /> Q akış hızıdır, τ makaslama gerilmesi, μ, ortamın viskozitesi olan 1.0 MPa (0.01 * sn dyn / cm 2) olduğu kabul burada, h yükseklik ve w akış odasının genişliği . <ol start="3"><li> Akış odasının üst parça hücre kültürü çanağı içinde conta ile hizalanmış ve bir manyetik halka ile tespit edildi. Montaj sterilizasyon için izopropil alkol (IPA) ile doluydu. </li><li> Tam akış sistemi monte edildi. Hücre kültürü çanak akış portu üç yollu vanalar bağlanmıştır. Vanalar 30 ml şırınga açmak bağlanmıştırs. IPA sonra% 4 Fetal Buzağı Serumu (FCS) ile McCoy ortam, 30 ml ile yıkandı sistemi yoluyla yıkandı. Sistem daha sonra Vec Technologies hücre büyüme ortamı 20 ml ile dolduruldu. Kapaklar şırınga üstleri üzerine yerleştirildi. Catch rezervuar şırınga kapağını yem deposuna geri orta taşımak yerine bir iğne vardı. Steril 0.2 um filtre sisteminin kirlenmesini önlemek için kapak içinde hava girişleri bağlanmıştır. Akış odasının sonra hücre ekimi için hazır. </li></ol> 1.2 Hücre Kültürü <ol><li> İnsan umbilikal ven endotel hücreleri (HUVEC) &#39;ın ve büyüme orta Vec Technologies satın (Rensselaer, NY) ve T25 Flask izdiham yetiştirilmiştir. </li><li> Büyüme ortamı şişeye% 2.5 tripsin ve 2 ml ile serbest hücrelerin tek tabaka çıkarıldı. Hücrelerin çözelti içinde sağlandıktan sonra tripsinizasyonla şişeye hücre kültür ortamı 10 ml ilavesi ile söndürülmüştür. </li><li> ThE hücre süspansiyonu 5 dakika boyunca santrifüj edildi ve süpernatan ayrılmıştır. Hücreler, akış bölme içine enjeksiyon için hücre kültürü ortamı (serum içeren) 1 ml içinde tekrar süspanse edildi. </li><li> Hücre süspansiyonu (0.5 ml, ~ 50.000 hücre) bir şırınga içine yüklenmiş ve bir üç yollu valf içinden akış bölmesi içine enjekte edildi. </li><li> Hücreler akış başlatılmasından önce 2 saat için yerleşmek ve cam substrat yapışma izin verildi. Hücreler 37 küvözde akışı altında yetiştirilen ° 1 ile 5 gün boyunca C konfluent kadar. </li></ol> 1.3 Cantilever Hazırlama ve Hücre Girinti <ol><li> Tipless AFM konsol (NanoWorld, İsviçre) 5 dk için nitrik asit temizliği ve buhar biriktirme odasında silan aminopropil triethoxy (APTES) ile fonksiyonelleştirilmiş edildi. </li><li> 5 Hank Tamponlu Tuz Çözeltisi içinde (HBSS) hazırlandı ağırlık NHS-sülfo-LC-biotin ile mg / ml &#39;lik bir çözelti. Çıkma konjuge etmek için 15 dakika için çözelti içine daldırılmış edildikapı N-hidroksisüksinimid (NHS) kimya ile silan. </li><li> Biotin içermeyen aracı madde içindeki bir çözeltisi, 12 saat boyunca streptavadin boncuk 200 ul ile Vec Technologies hücre kültür ortamı (serum içeren) 20 ml inkübe edilerek yapıldı. Boncuklar bir mıknatıs ile ortamdan uzaklaştırılmış ve ortam bir 0.22 um steril filtre içinden süzülmüştür. </li><li> Akış bölme hücre kültürü çanağı çıkartılmış ve hücreler 37 ° C de biyotin içermeyen aracı madde içinde yıkanmıştır. </li><li> Biotin içermeyen aracı madde 1 ml streptavidin ile kaplanmış 2.4 mikron boncuk 1 ul bir stok çözeltisi hazırlanmış ve stok 100 ul hücre kültür kabına ilave edildi. </li><li> Streptavidin boncuk, bir boncuk, geri çekme yanındaki cam yüzey üzerinde ucu iniş boncuk üzerinde konsolun apeks konumlandırma ve ardından boncuk ve dinlenme birkaç saniye üzerine konsol aşağı basarak konsol ile tutuklandılar. </li><li> Konsolun hassasiyeti tedbirçıplak cam bir bölge üzerine girinti ve voltajın bir fonksiyonu olarak uç sapma belirlemek için eğrisinin eğimi kullanılarak d. </li><li> Konsolun yay sabiti sonra MFP3D yazılım bir termal kalibrasyon hesaplandı. </li><li> Şekil 2&#39;de gösterildiği gibi kalibre konsol sonra, numuneler girinti için kullanılmıştır. Bunlar, 2.4 mikron boncuklar yumuşak glycocalyx tabakanın mekanik özelliklerini tespit edilebilmesi için hücre yüzeyi ile daha geniş bir temas alanına sahiptir. Konsol hücre çekirdeği ve hücre üzerine ucu yaklaşık 3 mikron hücre yüzeyi üzerinde konsol yüksekliğini ayarlamak için kullanılan yumuşak bir yaklaşım yakın bir hücre üzerine yerleştirildi. Yazılımı 7 nN bir maksimum kuvvet ile 1 um / sn bir hızda 20 tekrarlanan girintileri için belirlenmiştir. Yaklaşık 6 sn ardışık kişiler arasında geçen. Bu glycocalyx zamana bağlı özellikleri test etmek için girinti farklı oranlarda kullanmak mümkün olmasına rağmen bu ilk yılında<html> deneyler, sadece tek bir girinti oranı (1 um / saniye) kullanılmıştır. </li></ol> 2. Girinti Teorisi R yarıçaplı bir küre ile yarı-uzay elastik içine Girinti girinti kuvveti, F, denklem ile verilir Hertz teorisi kullanılarak tarif edilebilir: <img alt="Denklem 2" fo:content-width="1.157in" fo:src="/files/ftp_upload/50163/50163eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50163/50163eq2.jpg" /> Δ olduğu yerde girinti derinliği ve E * test edilen malzeme (Şekil 3) ve indirgenmiş modülü olduğunu. Üniform bir elastik yarı-uzay çarpan bir sonsuz sert ucu söz konusu olduğunda, E * denklem ile ifade edilir: 3/50163eq3.jpg &quot;/&gt; E burada elastik modül ile ν malzemenin Poisson oranıdır. Polimer film ile son çalışmaları ince filmlerin 1 modülü ve kalınlığı belirlemek için bir iki katmanlı modelin geliştirilmesi ilham kaynağı olmuştur. Bu hücre vücut yüzeyi üzerinde düzgün bir ince yumuşak bir film olarak glycocalyx muamele ile hücre biyolojisi, bu modelin uygulamaktadırlar. Bu modeli kullanarak, sistem indirgenmiş modülü olur: <img alt="Denklem 4" fo:content-width="2.85in" fo:src="/files/ftp_upload/50163/50163eq4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50163/50163eq4.jpg" /> E GC glycocalyx bir modül olduğu durumlarda, E bir hücre, vücut modülü, P, Q ve n, ampirik olarak uygun polimer esas alınarak tespit edilmiştir, ve z denklem ile verilmektedir sabitleridir: <p class="jove_content" fo:keep-Together.within-page = &quot;always&quot;&gt; <img alt="Denklem 5" fo:content-width="1.257in" fo:src="/files/ftp_upload/50163/50163eq5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50163/50163eq5.jpg" /> T glycocalyx katmanın kalınlığı olduğu. Bu parametrelerin bir şeması Şekil 3&#39;de gösterilmektedir. Bu model, katı substrat 1 üzerinde bir ince film modülü ve kalınlığı belirlemek doğru bir yol olduğu gösterilmiştir. Şekil 4&#39;te gösterildiği gibi bu denklem, endotel glycocalyx bir modül ve kalınlığı belirlemek için hücre içine girinti elde edilen eğrileri uyması için de kullanılabilir.

<ol>
	<li>Clifford, C., Seah, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoindentation+measurement+of+young's+modulus+for+compliant+layers+on+stiffer+substrates+including+the+effect+of+poisson's+ratios.">Nanoindentation measurement of young's modulus for compliant layers on stiffer substrates including the effect of poisson's ratios.</a> Nanotechnology. , (2009).</li><li>Gouverneur, M., Spaan, J. A. E., Pannekoek, H., Fontijn, R. D., Vink, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+shear+stress+stimulates+incorporation+of+hyaluronan+into+endothelial+cell+glycocalyx.">Fluid shear stress stimulates incorporation of hyaluronan into endothelial cell glycocalyx.</a> Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol. 290 (1), 458-452 (2006).</li><li>Hocde, S. A., Hyrien, O., Waugh, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+adhesion+molecule+distribution+relative+to+neutrophil+surface+topography+assessed+by+tirfm.">Cell adhesion molecule distribution relative to neutrophil surface topography assessed by tirfm.</a> Biophysical Journal. 97 (1), 379-387 (2009).</li><li>Lipowski, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+endothelial+glycocalyx+as+a+barrier+to+leukocyte+adhesion+and+its+mediation+by+extracellular+proteases.">The endothelial glycocalyx as a barrier to leukocyte adhesion and its mediation by extracellular proteases.</a> Annals of biomedical engineering. 40 (4), 840-848 (2012).</li><li>Lu, L., Oswald, S. J., Ngu, H., Yin, F. C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+of+actin+stress+fibers+in+living+cells.">Mechanical properties of actin stress fibers in living cells.</a> Biophysical Journal. 95 (12), 6060-6071 (2008).</li><li>Pries, A. R., Secomb, T. W., Gaehtgens, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+endothelial+surface+layer.">The endothelial surface layer.</a> Pflugers Archiv. European Journal of Physiology. 440 (5), 653-666 (2000).</li><li>Spillmann, C. M., Lomakina, E., Waugh, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neutrophil+adhesive+contact+dependence+on+impingement+force.">Neutrophil adhesive contact dependence on impingement force.</a> Biophysical Journal. 87 (6), 4237-4245 (2004).</li><li>vanden Berg, B. M., Vink, H., Spaan, J. A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+endothelial+glycocalyx+protects+against+myocardial+edema.">The endothelial glycocalyx protects against myocardial edema.</a> Circulation Research. 92 (6), 592-594 (2003).</li><li>Williams, T. E., Nagarajan, S., Selvaraj, P., Zhu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+the+impact+of+membrane+microtopology+on+effective+two-dimensional+affinity.">Quantifying the impact of membrane microtopology on effective two-dimensional affinity.</a> J. Biol. Chem. 276 (16), 13283-138 (2001).</li><li>Vink, H., Duling, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+Distinct+Luminal+Domains+for+Macromolecules,+Erythrocytes,+and+Leukocytes+Within+Mammalian+Capillaries.">Identification of Distinct Luminal Domains for Macromolecules, Erythrocytes, and Leukocytes Within Mammalian Capillaries.</a> Circulation Research. 79, 581-589 (1996).</li></ol>

Çıkar çatışması ilan etti.

Bu iki tabaka modeli ve endotel duvar ile kan içinde dolaşan bir lökosit etkileşimini modellemek için Hertz teori hesaplanan değerler kullanılmıştır. Biz, 10 pN yük altında 50 nm çapında lökosit bir mikrovillus glycocalyx içine yaklaşık 150 nm girinti edeceğini toplam kalınlığı yalnızca bir kısmını hesaplanmıştır. Bu, bu deneyde ölçüldüğü gibi özelliklere sahip glycocalyx, hücre-hücre etkileşim için önemli bir engel olan ve lökosit hücre yapışma sırasında yapışma sıras?...

<table border="1"><tbody><tr><td> Reaktif / Malzeme Adı </td><td> Şirket </td><td> Katalog Numarası </td><td> Yorumlar </td></tr><tr><td> McCoy&#39;un Orta </td><td> Gibco </td><td> 16600-082 </td><td></td></tr><tr><td> Fötal Buzağı Serumu </td><td> Hyclone </td><td> SH30070 </td><td></td></tr><tr><td> Endotel Hücre Büyümesi Orta </td><td> Vec Teknolojileri </td><td> MCDB-131 </td><td></td></tr><tr><td> Pooled İnsan Umbilical Ven Endotel Hücreleri </td><td> Vec Teknolojileri </td><td> PHUVEC/T-25 </td><td></td></tr><tr><td> Sülfürik Asit </td><td> JT Baker </td><td> 9681-02 </td><td></td></tr><tr><td> Hidrojen peroksit </td><td> VWR </td><td> BDH3742-1 </td><td></td></tr><tr><td> (3-aminopropil) triethoxysilane </td><td> Aldrich </td><td> 440140-100ML </td><td></td></tr><tr><td> İzopropil Alkol </td><td> VWR </td><td> BDH8999-4 </td><td></td></tr><tr><td> Tripsin </td><td> Cellgro </td><td> 25-054-C1 </td><td></td></tr><tr><td> Hank&#39;in Tamponlu Tuz Çözeltisi </td><td> Gibco </td><td> 14175-095 </td><td></td></tr><tr><td> sülfo-NHS-LC-Biotin </td><td> Thermo Scientific </td><td> 21335 </td><td></td></tr><tr><td> Streptavadin boncuk </td><td> Dynabeads </td><td> 112.06D </td><td></td></tr><tr><td> MFP-3D AFM </td><td> İltica Araştırma </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Tipless cantilevers </td><td> Nanoworld </td><td> OK-TL1-50 </td><td></td></tr><tr><td> Silhouette SD </td><td> Quickutz </td><td> Silhouette-SD </td><td></td></tr><tr><td> Silikon Kauçuk </td><td> Stockwell Elastomerics </td><td> SE50-RS </td><td></td></tr><tr><td> 30 ml şırıngalar </td&gt; <td> Benton Dickinson </td><td> 309650 </td><td></td></tr><tr><td> 18 gauge iğne </td><td> Benton Dickinson </td><td> 305196 </td><td></td></tr><tr><td> Uzatma Takımları </td><td> Hospira </td><td> 4429-48 </td><td></td></tr><tr><td> 4 yollu vanalar </td><td> Teleflex </td><td> W21372 </td><td></td></tr><tr><td> Erkek / Kadın Liman Caps </td><td> Smith&#39;in Tıp </td><td> MX491B </td><td></td></tr><tr><td> Peristaltik Pompa </td><td> Watson-Marlow </td><td> 401U / D </td><td></td></tr><tr><td> Peristaltik Hortum </td><td> Watson-Marlow </td><td> 903.0016.016 </td><td></td></tr><tr><td> steril filtre </td><td> Pall Yaşam Bilimleri </td><td> 4652 </td><td></td></tr></tbody></table>

quantifying the mechanical properties of the endothelial glycocalyx with atomic force microscopy

Lökositler ve lökosit çekme sırasında damar duvarının etkileşimin anlaşılmasına endotel yüzey tabakasının mekanik özellikleri eksik bir anlayış ile sınırlıdır. Bu lökosit adezyon moleküllerinin yüzey topografyası 3 göreli olmayan düzgün yayılı olduğu bilinmektedir, bu topografya diğer yüzeyleri 9 yapışkan bağ oluşumu sınırlar ve fizyolojik temas kuvvetleri (≈ 5,0 - mikrovillus başına 10.0 pN) olarak mikrovilluslar sıkıştırabilir karşıt yüzeyi 3, 7 ila moleküllerin yönelik artan istirahat uzunluğunun üçte biri kadar biraz. Bir iki-tabakalı yapı, nispeten sert hücre gövdesi, artı glycocalyx, lümen yüzeyi 6 üzerinde bir koruyucu yumuşak bir şeker kaplama gibi endotelyum düşünün. Bu glycocalyx endotel yüzeyi 4 lökositlerin yapışmasını azaltmak için bir engel olarak hareket edebilir olduğu gösterilmiştir.Bu yazıda endotel mekanik sertliği bağ oluşumu nasıl etkileyeceğini anlamak için endotel yüzeyler deformabilitesi ele başlar. Statik kültüründe yetişen Endotel hücreleri sağlam glycocalyx ifade etmezler, ancak fizyolojik akış koşullarında yetiştirilen hücreler in vivo 2 gözlenen yaklaşık glycocalyx başlar. Endotel hücre vücudun modülü yaklaşık 5 ila 20 kPa 5 olmak atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılarak ölçülmüştür. Glycocalyx kalınlığı ve yapısı elektron mikroskobu 8 kullanılarak çalışılmıştır ve glycocalyx bir modülü dolaylı yöntemler kullanılarak yaklaştırılır olmuştur, ama bildiğimiz kadarıyla, canlı hücreler içerisinde glycocalyx modülü doğrudan ölçüm yayımlanmış bir rapor olmamıştır . Bu çalışmada, biz ma kendi glycocalyx ifade maksimize etmek koşullarda kültüre edilmiştir hücreleri üzerine bir roman AFM probe ile yapılan girinti deneyler sunmakendotel glycocalyx bir modülü ve kalınlığı ke doğrudan ölçümler.

Tipik bir deneyde, 20 kuvvet-vs-mesafe eğrisi yakın, ancak çekirdek (~ 2 mikron içinde), üzerinde, tipik olarak perinükleer bölge, hücre belirli bir bölge elde edilmiştir. Eğrileri ölçüm süresi üzerinde hiçbir örnek kayması için hesap hizalanır ve daha sonra Şekil 4&#39;de gösterildiği gibi, kendi kendini taşır gürültü çıkarmak için ortalamaları alınmıştır. Eğrileri analiz ve ince polimer filmler 1 modülü ve kalınlığı belirlemek için geliştirilen ...

Watch this Scientific Journal Video about Quantifying the Mechanical Properties of the Endothelial Glycocalyx with Atomic Force Microscopy at JoVE.com

Quantifying the Mechanical Properties of the Endothelial Glycocalyx with Atomic Force Microscopy

Endotel glycocalyx mekanik özellikleri AFM konsollar üzerine mikron boyutlu küreler kullanarak girinti ile ölçüldü. Endotel hücreleri glycocalyx ifadesi neden fizyolojik akış koşullarında özel bir odasında kültüre edildi. Veri glycocalyx kalınlık ve modül belirlemek için, ince bir film model kullanılarak analiz edildi.

Atomik Kuvvet Mikroskobu ile Endotelyal Glycocalyx Mekanik Özelliklerinin nicel

Our  understanding of the interaction of leukocytes and the vessel wall during  leukocyte capture is limited by an incomplete understanding of the ...

quantifying-mechanical-properties-endothelial-glycocalyx-with-atomic

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.1K Görüntüleme.  University of Rochester. Endotel glycocalyx mekanik özellikleri AFM konsollar üzerine mikron boyutlu küreler kullanarak girinti ile ölçüldü. Endotel hücreleri glycocalyx ifadesi neden fizyolojik akış koşullarında özel bir odasında kültüre edildi. Veri glycocalyx kalınlık ve modül belirlemek için, ince bir film model kullanılarak analiz edildi.

Video: Quantifying the Mechanical Properties of the Endothelial Glycocalyx with Atomic Force Microscopy

Bacterial Immobilization for Imaging by Atomic Force Microscopy

AFM is a high-resolution (nm scale) imaging tool that mechanically probes a surface. It has the ability to image cells and biomolecules, in a liquid environment, without the need to chemically treat the sample. In order to accomplish this goal, the sample must sufficiently adhere to the mounting surface to prevent removal by forces exerted by the scanning AFM cantilever tip. In many instances, successful imaging depends on immobilization of the sample to the mounting surface. Optimally, immobilization should be minimally invasive to the sample such that metabolic processes and functional attributes are not compromised. By coating freshly cleaved mica surfaces with porcine (pig) gelatin, negatively charged bacteria can be immobilized on the surface and imaged in liquid by AFM. Immobilization of bacterial cells on gelatin-coated mica is most likely due to electrostatic interaction between the negatively charged bacteria and the positively charged gelatin. Several factors can interfere with bacterial immobilization, including chemical constituents of the liquid in which the bacteria are suspended, the incubation time of the bacteria on the gelatin coated mica, surface characteristics of the bacterial strain and the medium in which the bacteria are imaged. Overall, the use of gelatin-coated mica is found to be generally applicable for imaging microbial cells.

Live Gram-negative and Gram-positive bacteria can be immobilized on gelatin-coated mica and imaged in liquid using Atomic Force Microscopy (AFM).

Atomik Kuvvet Mikroskopi Görüntüleme Bakteriyel İmmobilizasyon

AFM is a high-resolution (nm scale) imaging tool that mechanically probes a surface.  It has the ability to image cells and biomolecules, in a liquid ...

Biyomühendislik

Visualization of Recombinant DNA and Protein Complexes Using Atomic Force Microscopy

Atomic force microscopy (AFM) allows for the visualizing of individual proteins, DNA molecules, protein-protein complexes, and DNA-protein complexes. On the end of the microscope's cantilever is a nano-scale probe, which traverses image areas ranging from nanometers to micrometers, measuring the elevation of macromolecules resting on the substrate surface at any given point. Electrostatic forces cause proteins, lipids, and nucleic acids to loosely attach to the substrate in random orientations and permit imaging. The generated data resemble a topographical map, where the macromolecules resolve as three-dimensional particles of discrete sizes (Figure 1) 1,2. Tapping mode AFM involves the repeated oscillation of the cantilever, which permits imaging of relatively soft biomaterials such as DNA and proteins. One of the notable benefits of AFM over other nanoscale microscopy techniques is its relative adaptability to visualize individual proteins and macromolecular complexes in aqueous buffers, including near-physiologic buffered conditions, in real-time, and without staining or coating the sample to be imaged. 
The method presented here describes the imaging of DNA and an immunoadsorbed transcription factor (i.e. the glucocorticoid receptor, GR) in buffered solution (Figure 2). Immunoadsorbed proteins and protein complexes can be separated from the immunoadsorbing antibody-bead pellet by competition with the antibody epitope and then imaged (Figure 2A). This allows for biochemical manipulation of the biomolecules of interest prior to imaging. Once purified, DNA and proteins can be mixed and the resultant interacting complex can be imaged as well. Binding of DNA to mica requires a divalent cation 3,such as Ni2+ or Mg2+, which can be added to sample buffers yet maintain protein activity. Using a similar approach, AFM has been utilized to visualize individual enzymes, including RNA polymerase 4 and a repair enzyme 5, bound to individual DNA strands. These experiments provide significant insight into the protein-protein and DNA-protein biophysical interactions taking place at the molecular level. Imaging individual macromolecular particles with AFM can be useful for determining particle homogeneity and for identifying the physical arrangement of constituent components of the imaged particles. While the present method was developed for visualization of GR-chaperone protein complexes 1,2 and DNA strands to which the GR can bind, it can be applied broadly to imaging DNA and protein samples from a variety of sources.

A tapping mode atomic force microscope (AFM) method for the visualization of plasmid DNA, cytoplasmic proteins, and DNA-protein complexes is described. The method includes alternate approaches for preparing samples for AFM imaging following biochemical manipulation. DNA containing specific protein interacting regions are observed in near-physiologic buffer conditions.

Atomik Kuvvet Mikroskobu kullanılarak Rekombinant DNA ve Protein Kompleksleri Görselleştirme

Atomic force microscopy (AFM) allows for the visualizing of individual proteins, DNA molecules, protein-protein complexes, and DNA-protein complexes. On ...

Measuring the Mechanical Properties of Living Cells Using Atomic Force Microscopy

Mechanical properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many biological processes including stem cell differentiation, tumor formation, and wound healing. Changes in stiffness of cells and ECM are often signs of changes in cell physiology or diseases in tissues. Hence, cell stiffness is an index to evaluate the status of cell cultures. Among the multitude of methods applied to measure the stiffness of cells and tissues, micro-indentation using an Atomic Force Microscope (AFM) provides a way to reliably measure the stiffness of living cells. This method has been widely applied to characterize the micro-scale stiffness for a variety of materials ranging from metal surfaces to soft biological tissues and cells. The basic principle of this method is to indent a cell with an AFM tip of selected geometry and measure the applied force from the bending of the AFM cantilever. Fitting the force-indentation curve to the Hertz model for the corresponding tip geometry can give quantitative measurements of material stiffness. This paper demonstrates the procedure to characterize the stiffness of living cells using AFM. Key steps including the process of AFM calibration, force-curve acquisition, and data analysis using a MATLAB routine are demonstrated. Limitations of this method are also discussed.

This paper demonstrates a protocol to characterize the mechanical properties of living cells by means of microindentation using an Atomic Force Microscope (AFM).

Atomik Kuvvet Mikroskobu kullanarak Yaşam Hücrelerinin Mekanik Özellikleri Ölçme

Mechanical  properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many  biological processes including stem cell differentiation, ...

A Novel Method for Localizing Reporter Fluorescent Beads Near the Cell Culture Surface for Traction Force Microscopy

PA gels have long been used as a platform to study cell traction forces due to ease of fabrication and the ability to tune their elastic properties. When the substrate is coated with an extracellular matrix protein, cells adhere to the gel and apply forces, causing the gel to deform. The deformation depends on the cell traction and the elastic properties of the gel. If the deformation field of the surface is known, surface traction can be calculated using elasticity theory. Gel deformation is commonly measured by embedding fluorescent marker beads uniformly into the gel. The probes displace as the gel deforms. The probes near the surface of the gel are tracked. The displacements reported by these probes are considered as surface displacements. Their depths from the surface are ignored. This assumption introduces error in traction force evaluations. For precise measurement of cell forces, it is critical for the location of the beads to be known. We have developed a technique that utilizes simple chemistry to confine fluorescent marker beads, 0.1 and 1 &#181;m in diameter, in PA gels, within 1.6 &#956;m of the surface. We coat a coverslip with poly-D-lysine (PDL) and fluorescent beads. PA gel solution is then sandwiched between the coverslip and an adherent surface. The fluorescent beads transfer to the gel solution during curing. After polymerization, the PA gel contains fluorescent beads on a plane close to the gel surface.

Traditional techniques for fabricating polyacrylamide (PA) gels containing fluorescent probes involve sandwiching a gel between an adherent surface and a glass slide. Here, we show that coating this slide with poly-D-lysine (PDL) and fluorescent probes localizes the probes to within 1.6 &#181;m from the gel surface.

Çekme Kuvveti Mikroskopi Hücre Kültürü Yüzey civarında yerelleştirme raportör flöresan Beads için Yeni Bir Yöntem

PA gels have long been used as a platform to study cell traction forces due to ease of fabrication and the ability to tune their elastic properties. When ...

Atomic Force Microscopy Imaging and Force Spectroscopy of Supported Lipid Bilayers

Atomic force microscopy (AFM) is a versatile, high-resolution imaging technique that allows visualization of biological membranes. It has sufficient magnification to examine membrane substructures and even individual molecules. AFM can act as a force probe to measure interactions and mechanical properties of membranes. Supported lipid bilayers are conventionally used as membrane models in AFM studies. In this protocol, we demonstrate how to prepare supported bilayers and characterize their structure and mechanical properties using AFM. These include bilayer thickness and breakthrough force. 
The information provided by AFM imaging and force spectroscopy help define mechanical and chemical properties of membranes. These properties play an important role in cellular processes such as maintaining cell hemostasis from environmental stress, bringing membrane proteins together, and stabilizing protein complexes.

We describe a protocol for preparation of supported lipid bilayers and its characterization using atomic force microscopy and force spectroscopy.

Atomik Kuvvet Mikroskobu Görüntüleme ve Desteklenen Lipid Bilayers Kuvvet Spektroskopisi

Atomic force microscopy (AFM) is a versatile, high-resolution imaging technique that allows visualization of biological membranes. It has sufficient ...

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances (EPS). The EPS serves as a physical and protective scaffold that houses the bacterial cells and consists of a variety of materials that includes proteins, exopolysaccharides and DNA. The composition of the EPS may change, which remodels the mechanic properties of the biofilm to further develop or support alternative biofilm structures, such as streamers, as a response to environmental cues. Despite this, there are little quantitative descriptions on how EPS components contribute to the mechanical properties and function of biofilms. Rheology, the study of the flow of matter, is of particular relevance to biofilms as many biofilms grow in flow conditions and are constantly exposed to shear stress. It also provides measurement and insight on the spreading of the biofilm on a surface. Here, particle-tracking microrheology is used to examine the viscoelasticity and effective crosslinking roles of different matrix components in various parts of the biofilm during development. This approach allows researchers to measure mechanic properties of biofilms at the micro-scale, which might provide useful information for controlling and engineering biofilms.

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Particle-tracking microrheology investigates the viscoelasticity of materials. Here, the technique is used to determine the viscoelasticity, creep compliance and effective crosslinking roles of different matrix components of a bacterial biofilm. The matrix consists of polymeric substances secreted by the bacteria and its components determine biofilm structure and mechanical properties.

Parçacık izleme Microrheology tarafından Biyofilmler Mekanik Özelliklerinin Yerinde Haritalama

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and thus achieving stable water permeability through membranes over time. Here, we report a facile method to prepare hydrogels based on zwitterions for membrane applications. Freestanding films can be prepared from sulfobetaine methacrylate (SBMA) with a crosslinker of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) via photopolymerization. The hydrogels can also be prepared by impregnation into hydrophobic porous supports to enhance the mechanical strength. These films can be characterized by attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to determine the degree of conversion of the (meth)acrylate groups, using goniometers for hydrophilicity and differential scanning calorimetry (DSC) for polymer chain dynamics. We also report protocols to determine the water permeability in dead-end filtration systems and the effect of foulants (bovine serum albumin, BSA) on membrane performance.

This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.

Su Arıtma Membranlar olarak Zehirli Özelliklere Sahip Hidrojeller Sentezi

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...

A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules

Many load bearing biological structures (LBBSs)&#8212;such as feather rachises and spicules&#8212;are small (&#60;1 mm) but not microscopic. Measuring the flexural behavior of these LBBSs is important for understanding the origins of their remarkable mechanical functions.
We describe a protocol for performing three-point bending tests using a custom-built mechanical testing device that can measure forces ranging from 10-5 to 101 N and displacements ranging from 10-7 to 10-2 m. The primary advantage of this mechanical testing device is that the force and displacement capacities can be easily adjusted for different LBBSs. The device&#39;s operating principle is similar to that of an atomic force microscope. Namely, force is applied to the LBBS by a load point that is attached to the end of a cantilever. The load point displacement is measured by a fiber optic displacement sensor and converted into a force using the measured cantilever stiffness. The device&#39;s force range can be adjusted by using cantilevers of different stiffnesses.
The device&#39;s capabilities are demonstrated by performing three-point bending tests on the skeletal elements of the marine sponge Euplectella aspergillum. The skeletal elements&#8212;known as spicules&#8212;are silica fibers that are approximately 50 &#181;m in diameter. We describe the procedures for calibrating the mechanical testing device, mounting the spicules on a three-point bending fixture with a &#8776;1.3 mm span, and performing a bending test. The force applied to the spicule and its deflection at the location of the applied force are measured.

We present a protocol for performing three-point bending tests on sub-millimeter scale fibers using a custom-built mechanical testing device. The device can measure forces ranging from 20 &#181;N up to 10 N and can therefore accommodate a variety of fiber sizes.

Deniz sünger Spicules mekanik özelliklerini ölçmek için bir milimetre ölçek bükülme test sistemi

Many load bearing biological structures (LBBSs)&#8212;such as feather rachises and spicules&#8212;are small (&#60;1 mm) but not microscopic. Measuring the ...

Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive models, which provide a mathematical representation of the mechanical function of those structures. This presented biaxial mechanical testing protocol involves (i) tissue acquisition, (ii) the preparation of tissue specimens, (iii) biaxial mechanical testing, and (iv) postprocessing of the acquired data. First, tissue acquisition requires obtaining porcine or ovine hearts from a local Food and Drug Administration-approved abattoir for later dissection to retrieve the valve leaflets. Second, tissue preparation requires using tissue specimen cutters on the leaflet tissue to extract a clear zone for testing. Third, biaxial mechanical testing of the leaflet specimen requires the use of a commercial biaxial mechanical tester, which consists of force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation testing protocols to characterize the leaflet tissue&#39;s mechanical properties. Finally, post-processing requires the use of data image correlation techniques and force and displacement readings to summarize the tissue&#39;s mechanical behaviors in response to external loading. In general, results from biaxial testing demonstrate that the leaflet tissues yield a nonlinear, anisotropic mechanical response. The presented biaxial testing procedure is advantageous to other methods since the method presented here allows for a more comprehensive characterization of the valve leaflet tissue under one unified testing scheme, as opposed to separate testing protocols on different tissue specimens. The proposed testing method has its limitations in that shear stress is potentially present in the tissue sample. However, any potential shear is presumed negligible.

This protocol involves characterizations of atrioventricular valve leaflets with force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation biaxial mechanical testing procedures. Results acquired with this protocol can be used for constitutive model development to simulate the mechanical behavior of functioning valves under a finite element simulation framework.

Atriyoventriküler kalp kapakları biaxial mekanik karakterizasyonu

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...

Application of Atomic Force Microscopy to Detect Early Osteoarthritis

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in elasticity can propagate or trigger the onset of major diseases like cancer or osteoarthritis (OA). Atomic force microscopy (AFM) has emerged as a strong tool to qualitatively and quantitatively characterize the biomechanical properties of specific biological target structures on a microscopic scale, measuring forces in a range from as small as the piconewton to the micronewton. Biomechanical properties are of special importance in musculoskeletal tissues, which are subjected to high levels of strain. OA as a degenerative disease of the cartilage results in the disruption of the pericellular matrix (PCM) and the spatial rearrangement of the chondrocytes embedded in their extracellular matrix (ECM). Disruption in PCM and ECM has been associated with changes in the biomechanical properties of cartilage. In the present study we used AFM to quantify these changes in relation to the specific spatial pattern changes of the chondrocytes. With each pattern change, significant changes in elasticity were observed for both the PCM and ECM. Measuring the local elasticity thus allows for drawing direct conclusions about the degree of local tissue degeneration in OA.

We present a method to investigate early osteoarthritic changes at the cellular level in articular cartilage by using atomic force microscopy (AFM).

Erken Osteoartrit tespit etmek için Atomik Kuvvet Mikroskobu Uygulaması

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in ...