Name: using microfluidics and fluorescence microscopy to study the assembly dynamics of single actin filaments and bundles
Uploaded: 2022-05-05T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Microfluidics and Fluorescence Microscopy to Study the Assembly Dynamics of Single Actin Filaments and Bundles at JoVE.com

We zijn de B. Ladoux en R.-M. dankbaar. Mège lab voor het gebruik van hun UV-reiniger apparatuur, en J. Heuvingh en 0. du Roure voor de initiële training die we kregen over het bereiden van mallen op siliciumwafers en het geven van tips over microfluïdica. We erkennen financiering van European Research Council Grant StG-679116 (aan A.J.) en Agence Nationale de la Recherche Grants Muscactin en Conformin (aan G.R.-L.).

1. Microfluïdische kamervoorbereiding
<ol><li>Selecteer een SU-8 master mal met verschillende kamerpatronen. Typische kamers zijn kruisvormig met drie inlaten en één uitlaat, 20 μm hoog en 800 μm breed (figuur 1). Dergelijke mastermallen kunnen worden gekocht bij externe bedrijven of worden gemaakt in academische laboratoria (bijv. Gicquel, Y. et al.5).</li>
	<li>Plaats tape rond de rand van de mal.<ol>
<li>Leg ~50 cm lang, 19 mm breed, standaa...

<ol>
	<li>Wioland, H., J&#233;gou, A., Romet-Lemonne, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Celebrating+20+years+of+live+single-actin-filament+studies+with+five+golden+rules.">Celebrating 20 years of live single-actin-filament studies with five golden rules.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 119 (3), 2109506119 (2022).</li><li>Kuhn, J. R., Pollard, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+measurements+of+actin+filament+polymerization+by+total+internal+reflection+fluorescence+microscopy.">Real-time measurements of actin filament polymerization by total internal reflection fluorescence microscopy.</a> Biophysical Journal. 88 (2), 1387-1402 (2005).</li><li>Brewer, L. R., Bianco, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laminar+flow+cells+for+single-molecule+studies+of+DNA-protein+interactions.">Laminar flow cells for single-molecule studies of DNA-protein interactions.</a> Nature Methods. 5 (6), 517-525 (2008).</li><li>J&#233;gou, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Individual+actin+filaments+in+a+microfluidic+flow+reveal+the+mechanism+of+ATP+hydrolysis+and+give+insight+into+the+properties+of+profilin.">Individual actin filaments in a microfluidic flow reveal the mechanism of ATP hydrolysis and give insight into the properties of profilin.</a> PLoS Biology. 9 (9), 1001161 (2011).</li><li>Gicquel, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+chips+for+in+situ+crystal+x-ray+diffraction+and+in+situ+dynamic+light+scattering+for+serial+crystallography.">Microfluidic chips for in situ crystal x-ray diffraction and in situ dynamic light scattering for serial crystallography.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (134), e57133 (2018).</li><li>Chandradoss, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+passivation+for+single-molecule+protein+studies.">Surface passivation for single-molecule protein studies.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (86), e50549 (2014).</li><li>Schaedel, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microtubules+self-repair+in+response+to+mechanical+stress.">Microtubules self-repair in response to mechanical stress.</a> Nature Materials. 14 (11), 1156-1163 (2015).</li><li>Zimmermann, D., Morganthaler, A. N., Kovar, D. R., Suarez, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+biochemical+characterization+of+cytokinesis+actin-binding+proteins.">In vitro biochemical characterization of cytokinesis actin-binding proteins.</a> Methods in Molecular Biology. 1369, 151-179 (2016).</li><li>Funk, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Profilin+and+formin+constitute+a+pacemaker+system+for+robust+actin+filament+growth.">Profilin and formin constitute a pacemaker system for robust actin filament growth.</a> eLife. 8, 50963 (2019).</li><li>Pandit, N. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force+and+phosphate+release+from+Arp2/3+complex+promote+dissociation+of+actin+filament+branches.">Force and phosphate release from Arp2/3 complex promote dissociation of actin filament branches.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (24), 13519-13528 (2020).</li><li>Wioland, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ADF/Cofilin+accelerates+actin+dynamics+by+severing+filaments+and+promoting+their+depolymerization+at+both+ends.">ADF/Cofilin accelerates actin dynamics by severing filaments and promoting their depolymerization at both ends.</a> Current Biology: CB. 27 (13), 1956-1967 (2017).</li><li>Pollard, T. D., Mooseker, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+measurement+of+actin+polymerization+rate+constants+by+electron+microscopy+of+actin+filaments+nucleated+by+isolated+microvillus+cores.">Direct measurement of actin polymerization rate constants by electron microscopy of actin filaments nucleated by isolated microvillus cores.</a> The Journal of Cell Biology. 88 (3), 654-659 (1981).</li><li>Kovar, D. R., Harris, E. S., Mahaffy, R., Higgs, H. N., Pollard, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+the+assembly+of+ATP-+and+ADP-actin+by+formins+and+profilin.">Control of the assembly of ATP- and ADP-actin by formins and profilin.</a> Cell. 124 (2), 423-435 (2006).</li><li>J&#233;gou, A., Carlier, M. -. F., Romet-Lemonne, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formin+mDia1+senses+and+generates+mechanical+forces+on+actin+filaments.">Formin mDia1 senses and generates mechanical forces on actin filaments.</a> Nature Communications. 4, 1883 (2013).</li><li>Breitsprecher, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rocket+launcher+mechanism+of+collaborative+actin+assembly+defined+by+single-molecule+imaging.">Rocket launcher mechanism of collaborative actin assembly defined by single-molecule imaging.</a> Science. 336 (6085), 1164-1168 (2012).</li><li>Courtemanche, N., Lee, J. Y., Pollard, T. D., Greene, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tension+modulates+actin+filament+polymerization+mediated+by+formin+and+profilin.">Tension modulates actin filament polymerization mediated by formin and profilin.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (24), 9752-9757 (2013).</li><li>Niedermayer, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intermittent+depolymerization+of+actin+filaments+is+caused+by+photo-induced+dimerization+of+actin+protomers.">Intermittent depolymerization of actin filaments is caused by photo-induced dimerization of actin protomers.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (27), 10769-10774 (2012).</li><li>Gateva, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tropomyosin+isoforms+specify+functionally+distinct+actin+filament+populations+in+vitro.">Tropomyosin isoforms specify functionally distinct actin filament populations in vitro.</a> Current Biology: CB. 27 (5), 705-713 (2017).</li><li>Aratyn, Y. S., Schaus, T. E., Taylor, E. W., Borisy, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+dynamic+behavior+of+fascin+in+filopodia.">Intrinsic dynamic behavior of fascin in filopodia.</a> Molecular Biology of the Cell. 18 (10), 3928-3940 (2007).</li><li>Pollard, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rate+constants+for+the+reactions+of+ATP-+and+ADP-actin+with+the+ends+of+actin+filaments.">Rate constants for the reactions of ATP- and ADP-actin with the ends of actin filaments.</a> The Journal of Cell Biology. 103, 2747-2754 (1986).</li><li>Wioland, H., Jegou, A., Romet-Lemonne, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Torsional+stress+generated+by+ADF/cofilin+on+cross-linked+actin+filaments+boosts+their+severing.">Torsional stress generated by ADF/cofilin on cross-linked actin filaments boosts their severing.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (7), 2595-2602 (2019).</li><li>Colombo, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+functional+family+of+fluorescent+nucleotide+analogues+to+investigate+actin+dynamics+and+energetics.">A functional family of fluorescent nucleotide analogues to investigate actin dynamics and energetics.</a> Nature Communications. 12 (1), 548 (2021).</li><li>Spudich, J. A., Watt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+regulation+of+rabbit+skeletal+muscle+contraction.+I.+Biochemical+studies+of+the+interaction+of+the+tropomyosin-troponin+complex+with+actin+and+the+proteolytic+fragments+of+myosin.">The regulation of rabbit skeletal muscle contraction. I. Biochemical studies of the interaction of the tropomyosin-troponin complex with actin and the proteolytic fragments of myosin.</a> The Journal of Biological Chemistry. 246 (15), 4866-4871 (1971).</li><li>Romet-Lemonne, G., Guichard, B., J&#233;gou, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+microfluidics+single+filament+assay+to+study+formin+control+of+actin+assembly.">Using microfluidics single filament assay to study formin control of actin assembly.</a> Methods in Molecular Biology. 1805, 75-92 (2018).</li><li>Gieselmann, R., Kwiatkowski, D. J., Janmey, P. A., Witke, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distinct+biochemical+characteristics+of+the+two+human+profilin+isoforms.">Distinct biochemical characteristics of the two human profilin isoforms.</a> European Journal of Biochemistry. 229 (3), 621-628 (1995).</li><li>Lin, D. C., Lin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Actin+polymerization+induced+by+a+motility-related+high-affinity+cytochalasin+binding+complex+from+human+erythrocyte+membrane.">Actin polymerization induced by a motility-related high-affinity cytochalasin binding complex from human erythrocyte membrane.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 76 (5), 2345-2349 (1979).</li><li>Casella, J. F., Maack, D. J., Lin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Purification+and+initial+characterization+of+a+protein+from+skeletal+muscle+that+caps+the+barbed+ends+of+actin+filaments.">Purification and initial characterization of a protein from skeletal muscle that caps the barbed ends of actin filaments.</a> The Journal of Biological Chemistry. 261 (23), 10915-10921 (1986).</li><li>Kremneva, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cofilin-2+controls+actin+filament+length+in+muscle+sarcomeres.">Cofilin-2 controls actin filament length in muscle sarcomeres.</a> Developmental Cell. 31 (2), 215-226 (2014).</li><li>Le Clainche, C., Carlier, M. -. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Actin-based+motility+assay.">Actin-based motility assay.</a> Current Protocols in Cell Biology. , 1-20 (2004).</li><li>Vignjevic, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+filopodia-like+bundles+in+vitro+from+a+dendritic+network.">Formation of filopodia-like bundles in vitro from a dendritic network.</a> The Journal of Cell Biology. 160 (6), 951-962 (2003).</li><li>Duellberg, C., Cade, N. I., Holmes, D., Surrey, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+size+of+the+EB+cap+determines+instantaneous+microtubule+stability.">The size of the EB cap determines instantaneous microtubule stability.</a> eLife. 5, 13470 (2016).</li><li>Duellberg, C., Cade, N. I., Surrey, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microtubule+aging+probed+by+microfluidics-assisted+tubulin+washout.">Microtubule aging probed by microfluidics-assisted tubulin washout.</a> Molecular Biology of the Cell. 27 (22), 3563-3573 (2016).</li><li>Suzuki, E. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometrical+constraints+greatly+hinder+formin+mDia1+activity.">Geometrical constraints greatly hinder formin mDia1 activity.</a> Nano Letters. 20 (1), 22-32 (2020).</li><li>Wioland, H., Suzuki, E., Cao, L., Romet-Lemonne, G., Jegou, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+advantages+of+microfluidics+to+study+actin+biochemistry+and+biomechanics.">The advantages of microfluidics to study actin biochemistry and biomechanics.</a> Journal of Muscle Research and Cell Motility. 41 (1), 175-188 (2020).</li></ol>

Vergeleken met standaard single-filament methoden waarbij actinefilamenten op meerdere punten over hun lengte aan het oppervlak worden verankerd of er dicht bij worden gehouden door een verdringingsmiddel zoals methylcellulose, biedt microfluïdica een aantal voordelen. Omdat interacties met het oppervlak minimaal zijn, worden de kunstmatige pauzes die deze interacties kunnen induceren tijdens zowel rek als depolymerisatie vermeden. De filamenten worden uitgelijnd door de stroom, parallel aan elkaar, waardoor hun monitor...

De assemblage en demontage van actinefilamenten en actinefilamentnetwerken worden gecontroleerd door verschillende biochemische reacties en zijn afhankelijk van de mechanische context. Om inzicht te krijgen in deze complexe mechanismen is het van onschatbare waarde om individuele reacties op individuele filamenten (in voldoende grote aantallen) te kunnen waarnemen. In de afgelopen decennia is de observatie van dynamische actinefilamenten in realtime, meestal met behulp van total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopie, naar voren gekomen als een belangrijke techniek en heeft een indrukwekkende lijst van resultaten opgeleverd die niet konden worden verkregen met biochemische testen met bulkoplossing1.
Om dit te bereiken, moet men fluorescerend gelabelde actinefilamenten dicht bij het oppervlak van de microscoopdeksels houden terwijl ze worden blootgesteld aan oplossingen van actinebindende eiwitten (ABPs), die ook fluorescerend kunnen worden gelabeld. Dit biedt een middel om gebeurtenissen die plaatsvinden op individuele filamenten in goed gecontroleerde biochemische omstandigheden te volgen en zo de reactiesnelheden te kwantificeren. Er moet echter rekening worden gehouden met een aantal specifieke beperkingen. Het kunstmatig dicht bij het oppervlak houden van filamenten, vaak dankzij meerdere verankeringspunten of door het gebruik van een verdringingsmiddel zoals methylcellulose, kan hun gedrag veranderen (bijvoorbeeld pauzes veroorzaken in hun polymerisatie en depolymerisatie2). Het volgen van de contouren van elk filament kan een uitdaging zijn, vooral als nieuwe filamenten of filamentfragmenten zich in de loop van de tijd ophopen in het gezichtsveld. De reacties vinden plaats in een eindig volume waar de concentratie van actinemonomeren en ABP's in de loop van de tijd kan variëren, waardoor het mogelijk moeilijk wordt om nauwkeurige snelheidsconstanten af te leiden. Ten slotte is het vernieuwen of wijzigen van de oplossing van ABPs moeilijk te bereiken in minder dan 30 s en zal het vaak leiden tot een inhomogeen eiwitgehalte in het monster.
Iets meer dan 10 jaar geleden, geïnspireerd door wat er al werd gedaan om individuele Desoxyribonucleïnezuur (DNA) strengen3 te bestuderen, introduceerden we een nieuwe techniek op basis van microfluïdica om individuele actinefilamenten te observeren en te manipuleren4. Het stelt men in staat om de bovengenoemde beperkingen van klassieke single-filament technieken te omzeilen. In deze microfluïdische assays worden actinefilamenten gekweekt uit spectrine-actinezaden die op de coverslip zijn geadsorbeerd. Filamenten worden dus aan één uiteinde alleen aan de onderkant van de microfluïdische kamer verankerd en fluctueren boven het oppervlak zonder te plakken. Filamenten stemmen zich af op de stroom van binnenkomende oplossingen, waardoor de bewaking van hun contourlengte wordt vergemakkelijkt en ze in een ondiep gebied boven de afdekplaat worden gehouden waar TIRF kan worden gebruikt. Verschillende oplossingen worden tegelijkertijd in de kamer gestroomd zonder te mengen, en de filamenten kunnen er sequentieel en snel aan worden blootgesteld.
Hier stellen we een reeks basisprotocollen voor om single-actine-filament microfluïdica-testen in het laboratorium op te zetten. Coverslips en microfluïdicakamers kunnen van tevoren worden voorbereid (in een halve dag) en het experiment zelf, waarbij verschillende biochemische omstandigheden kunnen worden getest, wordt in minder dan een dag uitgevoerd.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>&#946;-Casein</td>
			<td>Merck</td>
			<td>C6905</td>
			<td>Used at 8 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biopsy punch (with plunger)</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>15115-2</td>
			<td>ID 0.75 mm, OD 1.07 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biotin-BSA</td>
			<td>Merck</td>
			<td>A8549</td>
			<td>Used at 1 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BSA</td>
			<td>Merck</td>
			<td>A8022</td>
			<td>Used at 50 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coverslip Mini-Rack 
			Teflon holder</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>C14784</td>
			<td>for 8 coverslips</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coverslips 22x40mm 
			Thickness #1.5</td>
			<td>Menzel Gl&#228;ser</td>
			<td>631-1370</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DABCO</td>
			<td>Merck</td>
			<td>D27802</td>
			<td>component in f-buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DTT</td>
			<td>Euromedex</td>
			<td>EU0006-D</td>
			<td>component in f-buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ester NHS Alexa Fluor 488</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A20000</td>
			<td>Fluorophore for actin labeling on Lys328.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EZ-Link Sulfo-NHS-Biotin</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>21338</td>
			<td>To biotinylate actin on Lys328</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hellmanex III</td>
			<td>Hellma</td>
			<td>9-307-011-4-507</td>
			<td>Glass cleaning detergent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>NIH</td>
			<td>N/A</td>
			<td>open source software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboport</td>
			<td>KNF</td>
			<td>811kn.18</td>
			<td>vacuum pump (ultimate vacuum: 240 mbar)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magic invisible tape</td>
			<td>Scotch</td>
			<td>7100024666</td>
			<td>standard transparent office tape</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micrewtube</td>
			<td>Simport</td>
			<td>T341-6T</td>
			<td>2 mL microfluidic reservoir tubes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microfluidic device Part 1: Flow Unit S</td>
			<td>Fluigent</td>
			<td>FLU-S-D-PCKB</td>
			<td>Flowmeter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microfluidic device Part 2: Fluiwell-4C-2 mL</td>
			<td>Fluigent</td>
			<td>14002001PCK</td>
			<td>Reservoir holder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microfluidic device Part 3: MFCS-EZ</td>
			<td>Fluigent</td>
			<td>EZ-11000001 
			EZ-00345001</td>
			<td>Pressure controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Model 42 - UVO-Cleaner</td>
			<td>Jelight Inc.</td>
			<td>42-220</td>
			<td>Ultraviolet cleaner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N6-(6-Aminohexyl)-ATP-ATTO-488</td>
			<td>Jena Bioscience</td>
			<td>NU-805-488</td>
			<td>ATP-ATTO used to label actin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>neutravidin</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>31000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLL-PEG</td>
			<td>SuSoS</td>
			<td>PLL(20)-g[3.5]- PEG(2)</td>
			<td>Use at 1 mg/mL in PBS.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane (PDMS) Sylgard 184 Silicon Elastomer</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td>1673921</td>
			<td>Contains PDMS base and curing agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyetheretherketone (PEEK) tubing</td>
			<td>Merck</td>
			<td>Z226661</td>
			<td>&#8220;Blue&#8221; : I.D. = 0.25 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safety blow gun</td>
			<td>Coilhose Pneumatics</td>
			<td>700-S</td>
			<td>filtered air</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon tubing</td>
			<td>VWR</td>
			<td>228-0701P</td>
			<td>connect PEEK to coupler</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel catheter coupler</td>
			<td>Prime Bioscience</td>
			<td>SC22/15</td>
			<td>Inserted into PDMS inlets and outlet to connect to PEEK tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermoplastic film</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>PM996</td>
			<td>Standard &#34;parafilm&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrapure ethanol</td>
			<td>VWR</td>
			<td>64-17-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic cleaning bath</td>
			<td>VWR</td>
			<td>USC200TH</td>
			<td>To accomodate 1 L beakers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum dessicator</td>
			<td>SP Bel-Art</td>
			<td>F42022-0000</td>
			<td>to degas the PDMS or solutions</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using microfluidics and fluorescence microscopy to study the assembly dynamics of single actin filaments and bundles

Om de complexe moleculaire mechanismen te ontcijferen die de assemblage en demontage van actinefilamenten reguleren, is het een grote aanwinst om individuele reacties live in goed gecontroleerde omstandigheden te monitoren. Om dit te doen, zijn er de afgelopen 20 jaar levende single-filament experimenten ontstaan, meestal met behulp van total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopie, en hebben ze een schat aan belangrijke resultaten opgeleverd. In 2011, om de mogelijkheden van deze experimenten verder uit te breiden en terugkerende problematische artefacten te voorkomen, introduceerden we eenvoudige microfluïdica in deze testen. Deze studie beschrijft ons basisprotocol, waarbij individuele actinefilamenten aan één uiteinde worden verankerd aan het gepassiveerde coverslipoppervlak, worden uitgelijnd met de stroom en achtereenvolgens kunnen worden blootgesteld aan verschillende eiwitoplossingen. We presenteren ook de protocollen voor specifieke toepassingen en leggen uit hoe gecontroleerde mechanische krachten kunnen worden toegepast, dankzij de viskeuze weerstand van de stromende oplossing. We belichten de technische kanttekeningen van deze experimenten en presenteren kort mogelijke ontwikkelingen op basis van deze techniek. Deze protocollen en verklaringen, samen met de huidige beschikbaarheid van eenvoudig te gebruiken microfluïdica-apparatuur, moeten niet-specialisten in staat stellen deze test in hun laboratoria te implementeren.

Voor alle hierboven beschreven experimenten moeten fluorescerend gelabelde actinefilamenten duidelijk zichtbaar zijn, met een goed contrast, wat wijst op een lage achtergrondfluorescentie vanaf het oppervlak (figuur 4, zie aanvullend bestand 1 voor het oplossen van veelvoorkomende problemen). Actinefilamenten mogen ook niet aan het oppervlak kleven: wanneer de dominante stroomsnelheid laag is, moeten de laterale fluctuaties van de actinefilamenten waarneembaar zijn wanneer z...

Watch this Scientific Journal Video about Using Microfluidics and Fluorescence Microscopy to Study the Assembly Dynamics of Single Actin Filaments and Bundles at JoVE.com

Using Microfluidics and Fluorescence Microscopy to Study the Assembly Dynamics of Single Actin Filaments and Bundles

We presenteren protocollen voor eenvoudige actinefilamentmicrofluïdische assays, in combinatie met fluorescentiemicroscopie, waarmee men individuele actinefilamenten in realtime nauwkeurig kan volgen terwijl ze sequentieel worden blootgesteld aan verschillende eiwitoplossingen.

Microfluïdica en fluorescentiemicroscopie gebruiken om de assemblagedynamiek van single actinefilamenten en -bundels te bestuderen

In order to decipher the complex molecular mechanisms that regulate the assembly and disassembly of actin filaments, it is a great asset to monitor ...

We combineren fluorescentiemicroscopie met microfluïdica om te bestuderen hoe actinebindende eiwitten de assemblage en de demontage van actinefilamenten reguleren. Met microfluïdica zijn we in staat om reacties te kwantificeren die tegelijkertijd op tientallen individuele actinefilamenten plaatsvinden, terwijl we biochemische en mechanische omstandigheden nauwkeurig regelen. Vergeet niet dat oplossingen eerst parallel worden geïnjecteerd totdat ze de kamer bereiken, en vervolgens worden filamenten sequentieel blootgesteld aan elke oplossing door de drukinstelling te wijzigen.Om de bereiding van polydimethylsiloxaan of PDMS, kamerassemblage te starten, verwarmt u de hete plaat voor op 100 graden Celsius. Stel een gereinigde PDMS-kamer en een glazen deksel in een schone petrischaal drie tot vijf minuten bloot aan ultraviolet licht in een diepe UV-reiniger. Als u klaar bent, plaatst u de PDMS-kamer over de afdekslip, zodat de twee oppervlakken die direct aan UV worden blootgesteld, in contact worden gebracht.Om luchtbellen te verwijderen die vastzitten in de PDMS-afdeksleufinterface, drukt u voorzichtig met een vinger op het oppervlak van de kamer. Druk sterk op hoeken en zijkanten en zorg ervoor dat het plafond van de kamer niet in contact komt met het glasoppervlak. Plaats de kamer met de glazen bodem naar de kookplaat gericht op 100 graden Celsius gedurende vijf minuten.Gebruik de kamer dan onmiddellijk, of bewaar het in een schone petrischaal voor een week. Om de inlaat- en uitlaatbuis te spoelen, vult u een reservoirbuis van 2 milliliter met 300 microliter F-buffer, schroeft u deze op de microfluïdische houder en stelt u de druk in op 300 millibar. Laat vijf tot acht druppels F-buffer verloren gaan, stel vervolgens de druk in op nul en herhaal de procedure voor elk kanaal.Stel vervolgens de druk in voor de uitlaat op de reservoirbuis vier tot 50 millibar, zodra een druppel uit de buispunt komt, sluit u de buis aan op de uitlaat van de PDMS-kamer. Terwijl de vloeistof de kamer vult en uit alle inlaten komt, stelt u de uitlaatdruk in op 20 millibar. Stel later de druk voor de reservoirbuis in op 1 tot 50 millibar.Om te voorkomen dat er luchtbellen ontstaan, moet u ervoor zorgen dat er een druppel uit de buis en de PDMS-inlaat komt voordat u de buis aansluit op de inlaat. Stel de druk van de inlaat in op 30 millibar. Nadat u de inlaten twee en drie hebt aangesloten zoals gedemonstreerd, stelt u de druk van alle inlaten in op 20 millibar en de uitlaatdruk op nul millibar.Zorg ervoor dat de stroomsnelheden in de inlaten ongeveer gelijk zijn. Stel bij het vervangen van het reservoir alle inlaatdrukken in op 12 millibar en de uitlaatdruk op 5 millibar. Om snel een oplossing te injecteren, stelt u de druk van de overeenkomstige inlaat in op 150 millibar en past u de druk in de andere inlaten aan op ongeveer 100 millibar, zodat het resulterende debiet in de inlaten 500 nanoliter per minuut is.Om de oplossing te wijzigen, vult u 200 tot 300 microliter van de oplossing in een nieuwe reservoirbuis en stelt u de druk in op de wijzigingsinstelling. Schroef vervolgens de reservoirbuis van de inlaat los. Zodra zich een kleine druppel heeft gevormd aan de buispunt, schroeft u de nieuwe buis in met de verse oplossing, wijzigt u de drukinstelling in een hoog debiet.Afhankelijk van de microfluïdische configuratie en een kamergeometrie, wacht u drie tot vijf minuten totdat de oplossing de buis heeft opgevuld en de kamer heeft bereikt. Het proces kan worden gevolgd door de toename van fluorescentie in de loop van de tijd te meten. Voor de oppervlaktefunctionalisatie, verander oplossing drie tot 200 microliter van 50 picomolaire spectrine-actinezaden in F-buffer en injecteer de oplossing gedurende twee minuten met high flow drie.Voor de oppervlaktepassivering, wisselbuis drie met 300 microliter van 5% BSA in F-buffer, injecteer vervolgens gedurende vijf minuten bij high flow drie, gevolgd door vijf minuten bij midflow drie, met verminderde druk van zeven tot acht millibar in kanalen één en twee om een tegenstroom van 100 nanoliter per minuut te krijgen. Het gehele kameroppervlak wordt gepassiveerd. Verander buis drie naar F-buffer om het kanaal gedurende vijf minuten te spoelen bij high flow drie.Verander later buizen één tot drie met respectievelijk één micromolaire actine profiline, 0,15 micromolaire actine en F-buffer, zoals uitgelegd in het manuscript, en injecteer vers bereide oplossingen met behulp van de hoge stroom die allemaal vooraf is ingesteld gedurende drie tot vier minuten. Schakel de microscoop in en pas de belichtingstijd van de camera aan op 100 tot 200 milliseconden, de excitatielaser op 10 tot 20% vermogen en de totale interne reflectiefluorescentie, of TIRF-diepte, op 200 tot 300 nanometer om de beelden vast te leggen met een 60X-objectief. Stel vervolgens de drukinstelling in op midflow één gedurende 10 minuten om de filamentpolymerisatie te registreren met een snelheid van één frame elke 20 seconden, gevolgd door midflow twee gedurende 15 minuten voor filamentveroudering.Leg depolymerisatie vast in de epifluorescentiemodus bij één frame elke vijf seconden, schakel na één tot twee frames over naar midflow drie om filamenten op te nemen die depolymeriseren met ongeveer 10 subeenheden per seconde. Om het experiment te resetten, breekt u alle fluorescerend gelabelde filamenten door ze gedurende twee minuten continu bloot te stellen aan de laser met maximaal vermogen. Test verschillende omstandigheden door oplossingen één, twee of drie te vervangen en ze gedurende drie tot vier minuten met een hoog debiet te injecteren.De uitkomst van het basispolymerisatie/depolymerisatie experiment wordt hier gepresenteerd. De resulterende kymografen werden gebruikt om de polymerisatie- en depolymerisatiesnelheden te kwantificeren. Wanneer de gekweekte actinefilamenten werden blootgesteld aan een fluorescerend gelabelde cofilin-oplossing, werden cofilinclusters nucleated en groeiden ze naar de puntige en prikkeldraadeinden.Wanneer afzonderlijke filamenten worden blootgesteld aan fascin, vormen ze bundels die helderder lijken en niet perfect zijn uitgelijnd met de stroom. Het is erg belangrijk om te voorkomen dat er luchtbellen in het systeem worden geïntroduceerd bij het vervangen van buizen en let op dat reservoirbuizen niet leeg raken. Deze techniek was van cruciaal belang om trekkrachten toe te passen op tientallen afzonderlijke filamenten, te kijken naar de mechanische gevoeligheid van formin en cofilin en ARP2 / 3-debranching.

Research

JoVE Journal

Biochemistry

High-resolution Single Particle Analysis from Electron Cryo-microscopy Images Using SPHIRE

Hoge resolutie single particle analyse van elektroncryo-microscopie beelden met behulp van SPHIRE

SPHIRE (SPARX for High-Resolution Electron Microscopy) is a novel open-source, user-friendly software suite for the semi-automated processing of single ...

Probing The Structure And Dynamics Of Nucleosomes Using Atomic Force Microscopy Imaging

De structuur en de dynamiek van Nucleosomes met behulp van Atomic Force microscopie Imaging sonderen

Chromatin, which is a long chain of nucleosome subunits, is a dynamic system that allows for such critical processes as DNA replication and transcription ...

Single Liposome Measurements for the Study of Proton-Pumping Membrane Enzymes Using Electrochemistry and Fluorescent Microscopy

Enkele liposoom metingen voor de studie van Proton-pompende membraan enzymen met behulp van de elektrochemie en Fluorescent microscopie

Proton-pumping enzymes of electron transfer chains couple redox reactions to proton translocation across the membrane, creating a proton-motive force used ...

Using In Vitro Fluorescence Resonance Energy Transfer to Study the Dynamics Of Protein Complexes at a Millisecond Time Scale

Met behulp van In Vitro fluorescentie Resonance Energy Transfer te bestuderen van de dynamiek van eiwitcomplexen op de tijdschaal van een milliseconde

Proteins are the primary operators of biological systems, and they usually interact with other macro- or small molecules to carry out their biological ...

Proteome-wide Quantification of Labeling Homogeneity at the Single Molecule Level

Proteoom bestrijkende kwantificering van Labeling homogeniteit op het niveau van één molecuul

Cell proteomes are often characterized using electrophoresis assays, where all species of proteins in the cells are non-specifically labeled with a ...

Visualizing Surface T-Cell Receptor Dynamics Four-Dimensionally Using Lattice Light-Sheet Microscopy

Visualiseren van Surface T-Cell Receptor Dynamics vierdimensionaal met behulp van Rooster Light-Sheet Microscopie

The signaling and function of a cell are dictated by the dynamic structures and interactions of its surface receptors. To truly understand the ...

High-Throughput Total Internal Reflection Fluorescence and Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy Using a Photonic Chip

High-throughput totale interne reflectie fluorescentie en directe stochastische optische reconstructie microscopie met behulp van een Photonic chip

Total internal reflection fluorescence (TIRF) is commonly used in single molecule localization based super-resolution microscopy as it gives enhanced ...

Visualizing Diffusional Dynamics of Gold Nanorods on Cell Membrane using Single Nanoparticle Darkfield Microscopy

Diffusional Dynamics of Gold Nanorods visualiseren op celmembraan met behulp van Single Nanoparticle Darkfield Microscopy

Analyzing the diffusional dynamics of nanoparticles on cell membrane plays a significant role in better understanding the cellular uptake process and ...

Imaging of Podocytic Proteins Nephrin, Actin, and Podocin with Expansion Microscopy

Beeldvorming van Podocytische eiwitten Nephrin, Actine en Podocine met expansiemicroscopie

Disruption of the glomerular filter composed of the glomerular endothelium, glomerular basement membrane and podocytes, results in albuminuria. Podocyte ...

Single Molecule Fluorescence Energy Transfer Study of Ribosome Protein Synthesis

Single Molecule Fluorescence Energy Transfer Study van ribosoom eiwitsynthese

The ribosome is a large ribonucleoprotein complex that assembles proteins processively along mRNA templates. The diameter of the ribosome is approximately ...