Name: investigating single molecule adhesion by atomic force spectroscopy
Uploaded: 2015-02-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy at JoVE.com

The authors thank the DFG (Hu 997/2-2) for financial support. FS acknowledges the Hanns-Seidel-Stiftung (HSS). SKr was supported by the Elitenetzwerk Bayern in the framework of the doctorate program Material Science of Complex Interfaces. SKi thanks the SFB 863 for financial support.

NOTA: Consulte a Figura 2 para uma visão geral do fluxo do processo que compreende a preparação, as etapas de aquisição de dados e análise de dados. 1. Instalação do Reagente NOTA: Todos os produtos químicos devem ser manuseados com cuidado, e, portanto, um jaleco, luvas e proteção para os olhos devem ser usados. Todas as operações devem ser realizadas numa hote de laboratório. Em particular, as luvas especiais devem ser usados ​​em caso de utilização de clorofórmio. <ol><li> Use produtos químicos com baixo teor de água, tais como clorofórmio seca rapidamente e armazenar seco, mas não mais de uma semana. Armazenar os produtos químicos a -20 ° C e sob atmosfera de azoto ou árgon no estado gasoso, porque APTES ((3-aminopropil) triethoxysilan) (ver Tabela 1) e PEG (polietilenoglicol) são higroscópicos e PEG é sujeito a oxidação no ar. </li><li> Para evitar a exposição freqüente do estoque de oxigênio atmosférico e umidade, preparar alíquotas menores, de preferência dentro de um sistema de porta-luvas com uma atmosphe nitrogêniore. </li></ol> 2. Preparação do Equipamento NOTA: Para evitar uma possível contaminação cruzada, use vasos frescas e limpas para cada etapa. <ol><li> Limpa vidros e uma pinça em solução detergente durante 30 minutos num banho de ultra-sons a 60 ° C. </li><li> Enxágüe e equipamentos sonicate do passo 2.1 duas vezes com água ultrapura. </li><li> Equipamento de calor a partir do passo 2.1 em solução RCA (água ultrapura, peróxido de hidrogénio e amoníaco (5: 1: 1)) a 75 ° C num forno durante 45 minutos e, subsequentemente, lavar com água ultrapura. </li><li> Finalmente, secar os utensílios de vidro e pinças sob uma corrente de azoto seco ou num forno (100 ° C, 3 h). </li></ol> 3. Dica funcionalização NOTA: Use uma pinça, navios, etc. feita a partir de aço inoxidável, PTFE, vidro ou qualquer outro material que seja quimicamente estável em soluções orgânicas, se aplicável. Salvo disposição em contrário, realizar todas as etapas em RT. A quantidade de solução de incubação necessário depende do número de fichas de cantilever. Certifique-se de que as consolas estão imersos nas respectivas soluções em todos os tempos. NOTA: Use um capuz para evitar a inalação de vapores orgânicos. <ol><li> A formação de grupos OH na superfície do cantilever (&quot;activação&quot;) (aproximadamente 0,5 horas): <ol><li> Use uma pinça para colocar fichas frescos cantilever (materiais: o pecado, constante da mola: 10-100 PN / nm) sobre uma lâmina de vidro limpa e colocá-los em uma câmara de plasma (100 W). </li><li> Evacuar câmara (~ 0,1 mbar). </li><li> Flood câmara com gás oxigênio e evacuar novamente. </li><li> Ative o processo de plasma (poder: 20%, duração: 15 min, a pressão do processo: 0,25 mbar). </li></ol></li><li> Amino-silanização de consolas (aproximadamente 1 hr): <ol><li> Prepare os 2,5 ml de solução de APTES (ver Tabela 1) numa placa de Petri de vidro - fazer isso idealmente durante o processo de plasma. </li><li> Immediately após o processo de plasma, mergulhe cada cantilever por 1 segundo em acetona e colocá-los logo em seguida na solução APTES. </li><li> Incubar durante 15 minutos à temperatura ambiente. </li><li> Cuidadosamente lavar os chips cantilever duas vezes em 10 ml de acetona e uma vez com 10 ml de clorofórmio. </li><li> Opcionais etapa final: fichas Lugar cantilever a partir da etapa anterior em uma lâmina de vidro limpa e asse por 30 minutos a 70 ° C. Note-se que também existem estratégias alternativas para a ativação de superfície, por exemplo, o tratamento UV 12. </li></ol></li><li> PEGuilação (aproximadamente 2 horas): NOTA: Execute as operações de 3.3.1-3.3.4 durante amino-silanização. NHS e grupos maleimida estão sujeitas a hidrólise em ambientes aquosos e PEG em si é sujeito a oxidação no ar. Portanto, o tempo (em especial entre as etapas) é um parâmetro crítico. Consulte a 13 para obter mais informações. <ol><li> Preparar a solução de clorofórmio (ver Tabela 1). </li><li> Para evitar a condensação, Quente PEG pulveriza até RT antes de abrir a alíquota e pesando a quantidade apropriada. </li><li> Para o acoplamento de polímeros ou de lípidos com grupos amino, resolver separadamente NHS-PEG-NHS (6 kDa) e metil-PEG-NHS (5 kDa) em solução de clorofórmio com vortex até que eles estão completamente resolvido. Consulte a Tabela 1 para concentrações. <ol><li> Alternativamente. para o acoplamento de polímeros com grupos tiol resolver separadamente NHS- PEG-Mal e metil-PEG-NHS em solução de clorofórmio. </li></ol></li><li> Misturar as soluções como necessária para ajustar uma determinada relação entre o número ou o NHS- maleimide- e as moléculas de PEG terminado em metilo (tipicamente 1: 500). Note-se que a proporção ideal tem de ser determinada de forma iterativa em uma série de ciclos de preparação-experimentais. </li><li> Incubar fichas cantilever na solução de PEG durante 1 hora num ambiente saturado de clorofórmio para evitar a evaporação do clorofórmio. </li></ol></li><li> Sonda conjugação molécula(&gt; 1 hora): NOTA: No seguinte 3.4.1-3.4.3, três exemplos para o acoplamento covalente de diferentes moléculas sonda para a ponta do AFM são descritos. Para cada molécula do protocolo tem de ser ajustada. Além disso, note, que no exemplo 1 e 3 do SNS-química é utilizada ao passo que no exemplo 2, o polímero funcionalizado tiol PI-g-PS é acoplado ao PEG por meio de maleimida-química. Para mais detalhes ver 14. <ol><li> Para poli (aminoácido) poli-D-tirosina (40-100 kDa) <ol><li> Dissolver o polytyrosine conjugado molécula sonda em NaOH 1 M. Ajustar a concentração de 1 mg / ml. </li><li> Troque o NaOH para tampão de borato de sódio (pH 8,1), utilizando colunas de spin dessalinização (7 kDa MWCO) imediatamente antes da funcionalização </li><li> Lavar as consolas primeiro com 5 ml de clorofórmio, em seguida, com 5 ml de etanol e finalmente com 5 ml de tampão de borato. </li><li> Incubar os chips cantilever durante 1 hora na solução tampão polytyrosine borato e depois enxaguar com tampão boratoe água ultrapura. Guarde em água ultrapura até que a medição. </li></ol></li><li> Para polímeros com uma espinha dorsal linear (poli-isopreno, 119 kDa), que tem cadeias laterais enxertadas (poliestireno, 88 kDa) 14 <ol><li> Dissolve-se o PI- g -PS em clorofórmio seco. Ajustar a concentração da solução de conjugação a 4 mg / ml. </li><li> Lavar as consolas com 5 ml de clorofórmio e incubar durante pelo menos 1 h na solução de conjugação. </li><li> Lavar novamente em 5 ml de clorofórmio e armazenar em clorofórmio num ambiente saturado-clorofórmio (para evitar a evaporação clorofórmio) até que a medição. </li></ol></li><li> Para o Papa lipídico <ol><li> Dissolver PAPA em clorofórmio seco. Ajustar a concentração para 20 mM. </li><li> Lavar as consolas com 5 ml de etanol e 5 ml de água ultrapura antes da incubação das consolas de 1 h na solução de lípidos. </li><li> Após a incubação, lavar consolas com 5 ml de clorofórmio, 5 ml de etanol e 5 ml de, água ultrapura quente (por esta ordem) para remover moléculas de sonda não ligados e se livrar de resíduos de clorofórmio. Use dicas funcionalizados imediatamente. Alternativamente, armazená-los em clorofórmio até ser necessário. </li></ol></li></ol></li></ol><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52456/52456fig1.jpg" /> Figura 1. (A) esquemático, mostrando o processo de funcionalização ponta usando o exemplo de NHS química. Ligação (B) Chemical empregada para anexar uma molécula sonda para a ponta através de um grupo amino. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52456/52456fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Preparação 4. Superfície <ol><li> Auto-montado monocamada (SAM) NOTA: Como a superfície para o primeiro exemplo, uma monocamada auto-montada foi escolhido. Consulte a literatura 15 </sup&gt; para mais detalhes. <ol><li> Lâminas de vidro limpas com uma solução de detergente e em seguida, duas vezes em água ultrapura num banho de ultra-sons durante 30 min cada. Em seguida, como um passo adicional de limpeza, colocá-los na solução de RCA (ver passo 2.3) a 75 ° C durante 15 min. </li><li> Brasão as lâminas com 10 níquel cromo nm e 100 nm de ouro em um coater vácuo. Então guarde na geladeira e limpo novamente na solução RCA diretamente antes da próxima etapa. </li><li> Incubar as lâminas do passo anterior em 2 mM de solução de 1-dodecanthiol / etanol durante 12 horas. Os grupos tiol que se ligam a superfície de ouro e uma monocamada auto hidrofóbico monta. Lavar as lâminas com etanol e água ultrapura e depois seco por uma corrente de azoto gasoso. Confirme a hidrofobicidade da superfície preparada com medidas de ângulo de contato estáticos em um goniômetro com uma câmera CCD de 10. </li></ol></li><li> Hydrogen diamante encerrado NOTA: Como uma superfície para o segundo exemplo, um diamante terminada hidrogénio foi escolhido. A preparação da superfície foi realizada como descrito anteriormente 16. </li><li> Bicamada lipídica Compatível NOTA: No último exemplo, uma superfície apoiada bicamada lipídica (SLB), foi utilizado como uma superfície. Para obter uma tal superfície, uma solução (0,1 mg / ml) de vesículas unilamelares grandes (LUV), contendo o fosfolipido POPC foram formados pelo método de extrusão. Em seguida, 50 ul da solução LUV foram colocadas sobre uma folha de mica clivada de fresco (A = 1 cm) e incubadas durante 30 min. Finalmente a solução foi lavada com 20 ml de água ultrapura. Veja 17,18 para uma descrição detalhada da preparação do SLBS. </li></ol> 5. Aquisição de Dados NOTA: Para os experimentos, use um AFM, que oferece a capacidade de medir em líquidos. Os procedimentos de aquisição de dados e análise de dados são aplicáveis ​​independentemente do modelo de AFM usado. Além disso, em algumas experiências, é vantajoso ter a possibilidade de controlar a temperature líquido no interior da célula. Cantilever deflexão foi detectado através do método de deflexão do feixe de laser 19. Constantes de flexão foram determinados com o método térmico ruído 20. <ol><li> Inserir o braço de suporte funcionalizado em um suporte de AFM cantilever que é adequado para a medição de fluidos. </li><li> Colocar a superfície (preparação ver acima) para ser amostrada na AFM e cobri-lo com o líquido. Ambos, o braço de suporte e a superfície deve agora ser imerso no líquido com a ponta cantilever que aponta na direcção da superfície. Note-se que, em muitos casos, uma gota de líquido é suficiente. Em qualquer caso, a evaporação do fluido deve ser evitado, por exemplo, usando uma célula de fluido em circuito fechado. </li><li> Se for o caso, ajustar a temperatura desejada no controlador. </li><li> Deixar o sistema equilibrar durante pelo menos meia hora. </li><li> Gravar um espectro de ruído térmico do cantilever com o cantilever longe a partir da superfície, a fim de excluir quaisquer efeitos de amortecimento superfície. Note-se que geralmente 10 ou mais espectros têm de ser acumulados para obter uma razão sinal-para-ruído suficiente. </li><li> Aproxime-se da superfície. Note-se que, a fim de conservar a geometria da ponta e ponta funcionalização o processo de abordagem tem de ser realizada com cuidado. Isto pode ser conseguido através de, por exemplo, aproximando-se em modo de contacto intermitente. </li><li> Determinar a sensibilidade inversa óptica alavanca (InvOLS) medido em nm / volt. Para fazer isso, empurrando a ponta cantilever contra uma superfície dura. <ol><li> Determinar os InvOLS medindo a inclinação da distância do curso de piezo versus a mudança na tensão fotodiodo. Unir a parte da curva de força-distância, em que a ponta do braço de suporte se encontra em contacto com a superfície. Em experimentos envolvendo uma superfície macia como bicamadas lipídicas, realizar esta etapa em áreas que não são cobertas com uma bicamada lipídica (&quot;pontos de defeitos&quot;). </li></ol></li><li> Determinar a constante da mola (pN / nm) por montagem de um oscilador de harmónica do espectro de ruído térmico. Usofunção de software automatizado para a primavera determinação constante; caso contrário, consultar a literatura 20. </li><li> Iniciar a experiência. <ol><li> Curvas numerosos força-recorde distância em cada condição experimental. Normalmente, usar os seguintes valores para os parâmetros experimentais: Taxa de amostragem de 5 kHz, velocidade de ponta de 1 mm / s, retrair distância de 1 m. NOTA: Por vezes, dependendo da dinâmica do experimento estudado, pode ser necessário esperar uma certa quantidade de tempo com a sua extremidade em contacto com a superfície (&quot;Tempo paragem&quot;). NOTA: O experimento parâmetros específicos pode desviar-se substancialmente dos valores indicados acima. </li><li> Durante a medição a longo prazo, de zero a posição do laser sobre o fotodíodo de tempos a tempos, reposicionando o fotodiodo. </li><li> Opcional: Depois de cada curva de força, mudar o local da AFM-ponta para outra posição xy. </li><li> No final da experiência, determinam a sensibilidade e a mola CONSTAnt novamente para verificar a consistência e estabilidade do sistema. NOTA: Comparando a constante da mola e sensibilidade antes e depois da experiência é também um meio para assegurar que as propriedades do sistema e as propriedades da ponta permaneceu inalterada ao longo do curso do experimento. Se a diferença das constantes de mola não é demasiado grande (&lt;= 15%), que pode ser calculada a média, uma vez que a incerteza intrínseca da mola determinação constante é também cerca de 15%. Para diferenças maiores, é aconselhável primeiro encontrar e eliminar a causa para a constante de mola aparente mudança antes de prosseguir com mais experiências. </li></ol></li></ol> 6. Data Preparation NOTA: Nesta seção geral etapas de preparação de dados que são tipicamente realizadas independente do tipo específico de experiência para converter unidades de Newton e nanométrica, bem como para corrigir os dados são descritos. As análises de dados específicos da experiência estão briefly descrito mais abaixo na respectiva seção exemplo representativo. <ol><li> Normalmente, realizar toda a preparação e análise de dados passos automaticamente por um algoritmo de home-escrita, por exemplo, com base no software IGOR Pro 6. </li><li> Converter o sinal de deflexão raw (Defl) [V] em vigor, multiplicando-o com os InvOLS [nm / V] e primavera constante [nN / nm]. </li><li> Compensar a força de tal forma que a força sobre o braço de suporte de uma distância suficiente da superfície (cantilever descarregada) torna-se 0 nN. </li><li> Calcula-se a posição real da ponta (também chamado de separação, quando medido em relação à superfície) z *, o que leva a flexão do braço de suporte em conta: <img alt="Equação 1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52456/52456eq1.jpg" /></li><li> Deslocamento z *, de tal maneira que z * = 0 corresponde à posição z da superfície. NOTA: Aqui, F é a força que actua sobre a ponta e, por conseguinte, curvaé o braço de suporte (determinado no passo 6.2.), z é a posição medida do sensor z (determinado directamente pelo instrumento) e o símbolo k representa a constante da mola (determinado no passo 5.8). </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52456/52456fig2.jpg" /> Figura 2. Processo de diagrama de fluxo mostrando a preparação da amostra, a aquisição de dados e análise dos dados. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52456/52456fig2large.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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N., Hugel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymer+Adhesion+at+the+Solid-Liquid+Interface+Probed+by+a+Single-Molecule+Force+Sensor.">Polymer Adhesion at the Solid-Liquid Interface Probed by a Single-Molecule Force Sensor.</a> Small. 5 (24), 2864-2869 (2009).</li><li>Morfill, 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=Affinity-matured+recombinant+antibody+fragments+analyzed+by+single-molecule+force+spectroscopy.">Affinity-matured recombinant antibody fragments analyzed by single-molecule force spectroscopy.</a> Biophysical journal. 93 (10), 3583-3590 (2007).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

Durante as últimas décadas, os experimentos única molécula ter fornecido informações sem precedentes sobre mecanismos moleculares e acabou por ser uma abordagem de valor inestimável em ciências da vida e além. Para alcançar bons e estatísticas significativas de experiências SMFS, de preferência uma e a mesma molécula é usado ao longo de todo o decurso da experiência. Em contraste com as experiências com conjuntos de moléculas, as experiências SMFS são capazes de detectar eventos raros e estados molec...

Ao longo dos últimos 30 anos, microscopia de força atômica (AFM) acabou por ser uma técnica valiosa imagem para estudar biológicos 1,2 e sintéticas 3 materiais e superfícies, uma vez que fornece resolução espacial molecular em todas as três dimensões e pode ser operado em vários solvente ambientes. Além disso, a força molécula espectroscopia AFM-single (SMFS) permite medir forças que vão desde o PN a μN regime e deu uma visão sem precedentes por exemplo em proteína dobrar 4,5, física polímero 6-8, e interação molécula de superfície única 9 - 12 .A lógica por trás estudar moléculas individuais, em vez de um conjunto de moléculas é para evitar efeitos que muitas vezes mascaram eventos raros ou estados moleculares escondidos em média. Além disso, um grande número de parâmetros moleculares, tais como o comprimento do contorno, o comprimento Kuhn, a energia livre de adesão, etc., podem serobtida. Este é detalhado nos exemplos abaixo. Numa experiência típica AFM-SMFS, a molécula de sonda é acoplada a uma ponta muito afiada através de uma molécula ligante. A ponta em si está localizado na extremidade de um braço de suporte flexível. Se a ponta é colocada em contacto com a superfície da molécula de sonda irá interagir com esta superfície. Observando-se a deflexão do braço de suporte à retracção da ponta, a força, e, por conseguinte, a energia livre, para separar a molécula de superfície pode ser determinada. Para obter estatísticas significativas, um grande número de chamadas curvas força-distância tem que ser adquirido. Além disso, para ter verdadeiros experimentos única molécula (isto é, utilizando uma e a mesma molécula sonda ao longo da duração de todo o experimento) a molécula sonda deve ser acoplado de forma covalente à ponta de AFM. Aqui, um protocolo experimental para a funcionalização cantilever com uma única molécula através de uma ligação covalente é apresentado. A única molécula ou pode ser acoplada por via de um grupo amino ou um tiol grupo para a ponta do AFM. O processo de conjugação pode ser realizada numa ampla variedade de solventes orgânicos e aquosos () para ter em conta as propriedades de solvatação dos polímeros usados. Na primeira parte, um protocolo geral para ligar covalentemente uma molécula única (&quot;molécula sonda&quot;) através de uma molécula ligante de uma ponta de AFM é descrito. Para este fim, NHS- orgânico ou maleimida-química é utilizado 13. Junto com o protocolo por três moléculas de exemplo, os processos de aquisição de dados e análise de dados são descritos e referências para leitura são fornecidos. Os exemplos de moléculas são: o (linear) tirosina polímero, o polímero de enxerto PI- g -PS e o PAPA lipídica. Isto inclui ligeiras variações do protocolo, por exemplo, para ligar covalentemente cisteínas. Além disso, uma secção dedicada à preparação de superfícies diferentes, tais como uma superfície de diamante, um CH3 montado -auto-monocamada e bicamadas lipídicas. Essas interfaces tem proven ser boas referências e exemplos.

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Materials&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Hellmanex III alkaline liquid concentrate (detergent solution)</td><td>Hellma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>RCA (ultrapure water, hydrogen peroxide (35%), ammonia (32%); 5:1:1(v/v/v))</td><td>Sigma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vectabond reagent / APTES (3-Aminopropyl)triethoxysilane</td><td>Vectorlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dry acetone (&amp;lt; 50 ppm H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O)</td><td>Sigma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dry chloroform (&gt; 99.9%)</td><td>Sigma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Triethylamine</td><td>Sigma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultrapure water</td><td>Biochrom, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Di-sodium tetraborate (&gt;&amp;nbsp;99.5%)</td><td>Biochrom, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Boric Acid</td><td>Biochrom, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Monofunctional &amp;alpha;-methoxy-&amp;omega;-NHS PEG, 5 kDa, &amp;ldquo;methyl-PEG-NHS&amp;rdquo;</td><td>Rapp, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Heterobifunctional &amp;alpha;,&amp;omega;-bis-NHS PEG, 6&amp;nbsp;kDa, &amp;ldquo;NHS-PEG-NHS&amp;rdquo;</td><td>Rapp, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Heterobifunctional &amp;alpha;-maleimidohexanoic- &amp;omega;-NHS PEG, 5 kDa, &amp;ldquo;Mal-PEG-NHS&amp;rdquo;</td><td>Rapp, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Probe molecule (polymer, lipid, &lt;em&gt;etc.&lt;/em&gt;)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Sufficient amount of glass crystallising dishes with spout (10&amp;nbsp;ml), glass Petri dishes (500 &amp;micro;l) and glass lids</td><td>VWR International GmbH, Germany</td><td></td><td>&lt;br /&gt;&amp;nbsp;&lt;br /&gt;&amp;nbsp;&lt;br /&gt;&amp;nbsp;&lt;br /&gt;&amp;nbsp;&lt;br /&gt;&amp;nbsp;&lt;br /&gt;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td>Laboratory oven model UF30</td><td>Memmert, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Temperature controlled sonicator</td><td>VWR International GmbH, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Plasma system &quot;Femto&quot;, 100 W</td><td>Diener, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>One separate glass syringe for each organic solvent</td><td>VWR International GmbH, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vortex mixer</td><td>VWR International GmbH, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Microcentrifuge tubes (0.5 ml or 1.5 ml)</td><td>Eppendorf</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pipettes: 10-100 &amp;micro;l, 50-200 &amp;micro;l and 100-1,000&amp;nbsp;&amp;micro;l</td><td>Eppendorf</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AFM with temperature controlled fluid cell (&lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt; MFP-3D with BioHeater)</td><td>Asylulm Research, Santa Barbara</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Soft SiN cantilevers cantilever, typically made from silicon nitride (SiN) (spring constant less than 100 pN/nm, &lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt; MLCT)</td><td>Bruker AXS, Santa Barbara</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

investigating single molecule adhesion by atomic force spectroscopy

Espectroscopia de força atômica é uma ferramenta ideal para estudar moléculas em superfícies e interfaces. Um protocolo experimental para acoplar uma grande variedade de moléculas individuais de forma covalente para uma ponta de AFM é apresentado. Ao mesmo tempo, a ponta de AFM é passivado para evitar interacções não específicas entre a ponta e o substrato, o que é um pré-requisito para estudar moléculas individuais ligados à ponta de AFM. As análises para determinar a força de adesão, o comprimento de aderência, e a energia livre destas moléculas em superfícies sólidas e bio-interfaces são pouco apresentados e referências externas para leitura são fornecidos. Exemplos são as moléculas a polytyrosine poli (aminoácidos), o polímero de enxerto PI- g -PS e o PAPA fosfolípido (1-palmitoil-2-oleoyl--sn-glicero-3-fosfoetanolamina). Estas moléculas são dessorvida a partir de diferentes superfícies como CH 3 -SAMs, hidrogénio terminada diamante e suportado bicamadas lipídicas sob várias condições do solvente. Finalmente, ovantagens da força espectroscópicas experiências de moléculas individuais são discutidas, incluindo meios para decidir se verdadeiramente uma única molécula tem sido estudada no experimento.

No que se segue, os resultados para o exemplo acima descrito, ou seja, a moléculas polytyrosine polímeros de poli (aminoácidos), o polímero de enxerto PI- g -PS e o PAPA fosfolípido, são apresentados. Primeiro para cada exemplo, experimentar detalhes específicos para a aquisição de dados e preparação de dados são fornecidos. Em seguida, os resultados exemplares para experimentos onde essas moléculas foram dessorvidas de superfícies diferentes (CH3 -SAMs, hidrogênio encerrado diamante e...

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Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

Investigando única molécula de adesão de Força Atômica Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

10.3K visualizações.  Technische Universität München. A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

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Quantitative and Qualitative Examination of Particle-particle Interactions Using Colloidal Probe Nanoscopy

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate using the Atomic Force Microscope (AFM), can provide key insights into physical interactions present within colloidal systems. Colloidal systems are widely existent in several applications including, pharmaceuticals, foods, paints, paper, soil and minerals, detergents, printing and much more.1-3 Furthermore, colloids can exist in many states such as emulsions, foams and suspensions. Using colloidal probe nanoscopy one can obtain key information on the adhesive properties, binding energies and even gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of the colloids present within. Additionally, colloidal probe nanoscopy can be used with biological cells to aid in drug discovery and formulation development. In this paper we describe a method for conducting colloidal probe nanoscopy, discuss key factors that are important to consider during the measurement, and show that both quantitative and qualitative data that can be obtained from such measurements.

Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

O exame quantitativo e qualitativo dos Interações partícula-partícula coloidal Usando Probe Nanoscopia

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate ...

Química

Adhesion Frequency Assay for In Situ Kinetics Analysis of Cross-Junctional Molecular Interactions at the Cell-Cell Interface

The micropipette adhesion assay was developed in 1998 to measure two-dimensional (2D) receptor-ligand binding kinetics1. The assay uses a human red blood cell (RBC) as adhesion sensor and presenting cell for one of the interacting molecules. It employs micromanipulation to bring the RBC into contact with another cell that expresses the other interacting molecule with precisely controlled area and time to enable bond formation. The adhesion event is detected as RBC elongation upon pulling the two cells apart. By controlling the density of the ligands immobilized on the RBC surface, the probability of adhesion is kept in mid-range between 0 and 1. The adhesion probability is estimated from the frequency of adhesion events in a sequence of repeated contact cycles between the two cells for a given contact time. Varying the contact time generates a binding curve. Fitting a probabilistic model for receptor-ligand reaction kinetics1 to the binding curve returns the 2D affinity and off-rate.
The assay has been validated using interactions of Fc&gamma; receptors with IgG Fc1-6, selectins with glycoconjugate ligands6-9, integrins with ligands10-13, homotypical cadherin binding14, T cell receptor and coreceptor with peptide-major histocompatibility complexes15-19.
The method has been used to quantify regulations of 2D kinetics by biophysical factors, such as the membrane microtopology5, membrane anchor2, molecular orientation and length6, carrier stiffness9, curvature20, and impingement force20, as well as biochemical factors, such as modulators of the cytoskeleton and membrane microenvironment where the interacting molecules reside and the surface organization of these molecules15,17,19.
The method has also been used to study the concurrent binding of dual receptor-ligand species3,4, and trimolecular interactions19 using a modified model21.
The major advantage of the method is that it allows study of receptors in their native membrane environment. The results could be very different from those obtained using purified receptors17. It also allows study of the receptor-ligand interactions in a sub-second timescale with temporal resolution well beyond the typical biochemical methods.
To illustrate the micropipette adhesion frequency method, we show kinetics measurement of intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1) functionalized on RBCs binding to integrin &alpha;L&beta;2 on neutrophils with dimeric E-selectin in the solution to activate &alpha;L&beta;2.

Adhesion Frequency Assay for In Situ Kinetics Analysis of Cross-Junctional Molecular Interactions at the Cell-Cell Interface

An adhesion frequency assay for measuring receptor-ligand interaction kinetics when both molecules are anchored on the surfaces of the interacting cells is described. This mechanically-based assay is exemplified using a micropipette-pressurized human red blood cell as adhesion sensor and integrin &alpha;L&beta;2 and intercellular adhesion molecule-1 as interacting receptors and ligands.

Ensaio de aderência de freqüência para In Situ Análise Cinética de Cross-juncional interações moleculares na interface célula-célula

The micropipette adhesion assay was developed in 1998 to measure two-dimensional (2D) receptor-ligand binding kinetics1. The assay uses a human red blood ...

Bioengenharia

Force Spectroscopy of Single Protein Molecules Using an Atomic Force Microscope

The determination of the folding process of proteins from their amino acid sequence to their native 3D structure is an important problem in biology. Atomic force microscopy (AFM) can address this problem by enabling stretching and relaxation of single protein molecules, which gives direct evidence of specific unfolding and refolding characteristics. AFM-based single-molecule force-spectroscopy (AFM-SMFS) provides a means to consistently measure high-energy conformations in proteins that are not possible in traditional bulk (biochemical) measurements. Although numerous papers were published to show principles of AFM-SMFS, it is not easy to conduct SMFS experiments due to a lack of an exhaustively complete protocol. In this study, we briefly illustrate the principles of AFM and extensively detail the protocols, procedures, and data analysis as a guideline to achieve good results from SMFS experiments. We demonstrate representative SMFS results of single protein mechanical unfolding measurements and we provide troubleshooting strategies for some commonly encountered problems.

We describe the detailed procedures and strategies to measure the mechanical properties and mechanical unfolding pathways of single protein molecules using an atomic force microscope. We also show representative results as a reference for selection and justification of good single protein molecule recordings.

Espectroscopia de força das moléculas de proteína único, usando um microscópio de força atômica

The determination of the folding process of proteins from their amino acid sequence to their native 3D structure is an important problem in biology. ...

Bioquímica

Covalent Immobilization of Proteins for the Single Molecule Force Spectroscopy

In recent years, atomic force microscopy (AFM) based single molecule force spectroscopy (SMFS) extended our understanding of molecular properties and functions. It gave us the opportunity to explore a multiplicity of biophysical mechanisms, e.g., how bacterial adhesins bind to host surface receptors in more detail. Among other factors, the success of SMFS experiments depends on the functional and native immobilization of the biomolecules of interest on solid surfaces and AFM tips. Here, we describe a straightforward protocol for the covalent coupling of proteins to silicon surfaces using silane-PEG-carboxyls and the well-established N-hydroxysuccinimid/1-ethyl-3-(3-dimethyl-aminopropyl)carbodiimid (EDC/NHS) chemistry in order to explore the interaction of pilus-1 adhesin RrgA from the Gram-positive bacterium Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae) with the extracellular matrix protein fibronectin (Fn). Our results show that the surface functionalization leads to a homogenous distribution of Fn on the glass surface and to an appropriate concentration of RrgA on the AFM cantilever tip, apparent by the target value of up to 20% of interaction events during SMFS measurements and revealed that RrgA binds to Fn with a mean force of 52 pN. The protocol can be adjusted to couple via site specific free thiol groups. This results in a predefined protein or molecule orientation and is suitable for other biophysical applications besides the SMFS.

This protocol describes the covalent immobilization of proteins with a heterobifunctional silane coupling agent to silicon-oxide surfaces designed for the atomic force microscopy based single molecule force spectroscopy which is exemplified by the interaction of RrgA (pilus-1 tip adhesin of S. pneumoniae) with fibronectin.

Imobilização covalente de proteínas para a espectroscopia de força única molécula

In recent years, atomic force microscopy (AFM) based single molecule force spectroscopy (SMFS) extended our understanding of molecular properties and ...

Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy

The interactions between proteins or peptides and inorganic materials lead to several interesting processes. For example, combining proteins with minerals leads to the formation of composite materials with unique properties. In addition, the undesirable process of biofouling is initiated by the adsorption of biomolecules, mainly proteins, on surfaces. This organic layer is an adhesion layer for bacteria and allows them to interact with the surface. Understanding the fundamental forces that govern the interactions at the organic-inorganic interface is therefore important for many areas of research and could lead to the design of new materials for optical, mechanical and biomedical applications. This paper demonstrates a single-molecule force spectroscopy technique that utilizes an AFM to measure the adhesion force between either peptides or amino acids and well-defined inorganic surfaces. This technique involves a protocol for attaching the biomolecule to the AFM tip through a covalent flexible linker and single-molecule force spectroscopy measurements by atomic force microscope. In addition, an analysis of these measurements is included.

Here we present a protocol to measure the force of interactions between a well-defined inorganic surface and either peptides or amino acids by single-molecule force spectroscopy measurements using an atomic force microscope (AFM). The information obtained from the measurement is important to better understand the peptide-inorganic material interphase.

Insights sobre as interações de aminoácidos e peptídeos com Materiais Inorgânicos Usando Single-Molecule Força Spectroscopy

The interactions between proteins or peptides and inorganic materials lead to several interesting processes. For example, combining proteins with minerals ...

Investigating Receptor-ligand Systems of the Cellulosome with AFM-based Single-molecule Force Spectroscopy

Cellulosomes are discrete multienzyme complexes used by a subset of anaerobic bacteria and fungi to digest lignocellulosic substrates. Assembly of the enzymes onto the noncatalytic scaffold protein is directed by interactions among a family of related receptor-ligand pairs comprising interacting cohesin and dockerin modules. The extremely strong binding between cohesin and dockerin modules results in dissociation constants in the low picomolar to nanomolar range, which may hamper accurate off-rate measurements with conventional bulk methods. Single-molecule force spectroscopy (SMFS) with the atomic force microscope measures the response of individual biomolecules to force, and in contrast to other single-molecule manipulation methods (i.e.&#160;optical tweezers), is optimal for studying high-affinity receptor-ligand interactions because of its ability to probe the high-force regime (&#62;120 pN). Here we present our complete protocol for studying cellulosomal protein assemblies at the single-molecule level. Using a protein topology derived from the native cellulosome, we worked with enzyme-dockerin and carbohydrate binding module-cohesin (CBM-cohesin) fusion proteins, each with an accessible free thiol group at an engineered cysteine residue. We present our site-specific surface immobilization protocol, along with our measurement and data analysis procedure for obtaining detailed binding parameters for the high-affinity complex. We demonstrate how to quantify single subdomain unfolding forces, complex rupture forces, kinetic off-rates, and potential widths of the binding well. The successful application of these methods in characterizing the cohesin-dockerin interaction responsible for assembly of multidomain cellulolytic complexes is further described.

Cellulosomes are multienzyme complexes designed for digesting cellulose. AFM-based SMFS was used to study the mechanical properties and folding configuration of cellulosome-associated protein assemblies. We present a complete workflow for protein immobilization, data acquisition, and data analysis to study the interactions of individual receptor-ligand complexes involved in cellulosome assembly.

Investigando Sistemas receptor-ligante do Celulossoma com base-AFM única molécula Força Espectroscopia

Cellulosomes are discrete multienzyme complexes used by a subset of anaerobic bacteria and fungi to digest lignocellulosic substrates. Assembly of the ...

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.

Projeção de imagem atômica e força Espectroscopia de Bicamadas Lipídicas suportados

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

Covalent Attachment of Single Molecules for AFM-based Force Spectroscopy

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and surfaces. For a true single molecule experiment, covalent attachment of the probe molecule is essential because only then can hundreds of force-extension traces with one and the same single molecule be obtained. Many traces are in turn necessary to prove that a single molecule alone is probed. Additionally, passivation is crucial for preventing unwanted interactions between the single probe molecule and the AFM cantilever tip as well as between the AFM cantilever tip and the underlying surface. The functionalization protocol presented here is reliable and can easily be applied to a variety of polymers. Characteristic single molecule events (i.e., stretches and plateaus) are detected in the force-extension traces. From these events, physical parameters such as stretching force, desorption force and desorption length can be obtained. This is particularly important for the precise investigation of stimuli-responsive systems at the single molecule level. As exemplary systems poly(ethylene glycol) (PEG), poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAM) and polystyrene (PS) are stretched and desorbed from SiOx (for PEG and PNiPAM) and from hydrophobic self-assembled monolayer surfaces (for PS) in aqueous environment.

Covalent attachment of probe molecules to atomic force microscopy (AFM) cantilever tips is an essential technique for the investigation of their physical properties. This allows us to determine the stretching force, desorption force and length of polymers via AFM-based single molecule force spectroscopy with high reproducibility.

Ligação covalente de moléculas únicas para espectroscopia de força baseada em AFM

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and ...

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid

An atomic force microscope (AFM) fundamentally measures the interaction between a nanoscale AFM probe tip and the sample surface. If the force applied by the probe tip and its contact area with the sample can be quantified, it is possible to determine the nanoscale mechanical properties (e.g., elastic or Young&#39;s modulus) of the surface being probed. A detailed procedure for performing quantitative AFM cantilever-based nanoindentation experiments is provided here, with representative examples of how the technique can be applied to determine the elastic moduli of a wide variety of sample types, ranging from kPa to GPa. These include live mesenchymal stem cells (MSCs) and nuclei in physiological buffer, resin-embedded dehydrated loblolly pine cross-sections, and Bakken shales of varying composition.
Additionally, AFM cantilever-based nanoindentation is used to probe the rupture strength (i.e., breakthrough force) of phospholipid bilayers. Important practical considerations such as method choice and development, probe selection and calibration, region of interest identification, sample heterogeneity, feature size and aspect ratio, tip wear, surface roughness, and data analysis and measurement statistics are discussed to aid proper implementation of the technique. Finally, co-localization of AFM-derived nanomechanical maps with electron microscopy techniques that provide additional information regarding elemental composition is demonstrated.

Quantifying the contact area and force applied by an atomic force microscope (AFM) probe tip to a sample surface enables nanoscale mechanical property determination. Best practices to implement AFM cantilever-based nanoindentation in air or fluid on soft and hard samples to measure elastic modulus or other nanomechanical properties are discussed.

Nanoindentação baseada em cantilever por microscopia de força atômica: medidas de propriedades mecânicas em nanoescala no ar e fluido

An atomic force microscope (AFM) fundamentally measures the interaction between a nanoscale AFM probe tip and the sample surface. If the force applied by ...

Engenharia

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).

Aplicação de microscopia de força atômica para detectar osteoartrite precoce

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