DE102012101480A1 - Process for the preparation or fusion of planar lipid bilayers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Fusion von planaren Lipiddoppelschichten (7) auf einem festen Träger (100). Um eine kostengünstige und effiziente Herstellung zu ermöglichen, wird folgendes Verfahren vorgeschlagen: a) Vesikel (1, 10) werden hergestellt oder bereitgestellt und in eine Lösung gegeben, wobei die Vesikel (1, 10) eine höhere Dichte aufweisen als die Dichte der Lösung, b) der feste Träger (100) mit einer optionalen Lipiddoppelschicht (7) wird in einem geeigneten Zentrifugenbehälter in einer Zentrifuge angeordnet, c) in den Zentrifugenbehälter wird die Lösung mit den Vesikeln (1, 10) gegeben, so dass der Träger (100) von der Lösung bedeckt wird, d) die Lösung mit den Vesikeln (1, 10) wird zentrifugiert, bis sie auf dem Träger (100) eine Lipiddoppelschicht (7) ausbilden oder mit der optionalen Lipiddoppelschicht (7) fusionieren.The invention relates to a method for the production or fusion of planar lipid bilayers (7) on a solid support (100). In order to enable cost-effective and efficient production, the following method is proposed: a) vesicles (1, 10) are prepared or prepared and placed in a solution, the vesicles (1, 10) having a density higher than the density of the solution, b) the solid support (100) with an optional lipid bilayer (7) is placed in a suitable centrifuge container in a centrifuge, c) the solution containing the vesicles (1, 10) is placed in the centrifuge container so that the support (100) d) the solution containing the vesicles (1, 10) is centrifuged until they form a lipid bilayer (7) on the carrier (100) or fuse with the optional lipid bilayer (7).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von planaren Lipiddoppelschichten auf einem festen Träger.The invention relates to a method for producing planar lipid bilayers on a solid support.
Biologische Membranen dienen sowohl der Trennung von Zellen von einem äußeren Medium als auch der Bildung von abgeschlossenen Bereichen und Zellkompartimenten innerhalb der Zellen. Eine biologische Membran besteht im Wesentlichen aus einer Lipiddoppelschicht und darin angeordneten Proteinen. Die Proteine erfüllen verschiedene Aufgaben. Der Austausch von Stoffen durch die Membran wird beispielsweise durch Transportproteine und Kanalproteine ermöglicht und reguliert. Hingegen vermitteln Rezeptorproteine Reize oder Signale, zum Beispiel durch eine extrazelluläre Ligandenbindung, die dann intrazellulär zu sekundären Prozessen führt.Biological membranes serve to separate cells from an external medium as well as to form occluded regions and cell compartments within the cells. A biological membrane essentially consists of a lipid bilayer and proteins arranged therein. The proteins fulfill different tasks. The exchange of substances through the membrane is made possible and regulated, for example, by transport proteins and channel proteins. On the other hand, receptor proteins mediate stimuli or signals, for example through extracellular ligand binding, which then leads to secondary processes intracellularly.
Lipiddoppelschichten sind nicht nur ein Bestandteil von natürlichen, biologischen Zellmembranen, sondern werden auch für wissenschaftliche und pharmazeutische Zwecke künstlich hergestellt. Dazu werden Lipiddoppelschichten in Form von kugelförmigen, geschlossenen Vesikeln verwendet, den so genannten Liposomen. In ihrem Innern können pharmazeutische oder kosmetische Wirkstoffe eingeschlossen sein. Die Art und Zusammensetzung der Lipide kann abgestimmt werden, um den Ort der Freisetzung des Wirkstoffs genau festzulegen (so genanntes Drug Targeting). Verschiedene Membranen können auch miteinander fusionieren. Dies spielt z.B. eine Rolle bei manchen Viren, die Zellen über die Fusion ihrer Virus-Membran mit der Membran der Wirtszelle infizieren, wobei der Vorgang durch virale Fusionsproteine vermittelt wird.Lipid bilayers are not only a component of natural, biological cell membranes, but are also artificially produced for scientific and pharmaceutical purposes. For this purpose, lipid bilayers in the form of spherical, closed vesicles are used, the so-called liposomes. In its interior, pharmaceutical or cosmetic active ingredients may be included. The nature and composition of the lipids can be tuned to precisely determine the site of drug release (so-called drug targeting). Different membranes can also fuse together. This plays e.g. a role in some viruses that infect cells via the fusion of their viral membrane with the membrane of the host cell, the process being mediated by viral fusion proteins.
Die Zellmembran ist deshalb der Angriffspunkt für zahlreiche pharmazeutische Wirkstoffe. Das genaue Verständnis der Struktur und Funktion von Membranen und Membranproteinen ist dabei für die Entwicklung effizienter therapeutischer und diagnostischer Wirkstoffe essentiell.The cell membrane is therefore the target for many pharmaceutical agents. The exact understanding of the structure and function of membranes and membrane proteins is essential for the development of efficient therapeutic and diagnostic agents.
In den letzten Jahren sind deshalb verschiedene Modellsysteme für biologische Membranen entwickelt und untersucht worden. Dies sind beispielsweise Lipiddoppelschichten in Form von kugelförmigen Vesikeln mit einem Durchmesser von zehn Nanometern, so genannte „small unilamellar vesicles“ (abgekürzt als SUVs), bis zu dreißig Mikrometer große „giant unilamellare vesicles“ (abgekürzt als GUVs) oder so genannte „large unilamellar vesicles“ (abgekürzt als LUVs), deren Größe etwa dazwischen liegt. Die Vesikel bzw. Liposomen können entweder frei in Lösung oder an einen festen Träger gebunden sein. Neben den annähernd kugelförmigen Vesikeln werden auch flache, planare Lipiddoppelschichten verwendet, so genannte „supported lipid bilayers“ (abgekürzt als SLBs), die auf einem Träger, beispielsweise einem Glasplättchen oder einem anderen Substrat, aufliegen. Die planaren Lipiddoppelschichten können mit dem Träger auch fest verbunden sein (so genannte „tethered bilayer lipid membranes“, abgekürzt als t-BLMs).Therefore, various model systems for biological membranes have been developed and investigated in recent years. These are, for example, lipid bilayers in the form of spherical vesicles with a diameter of ten nanometers, so-called "small unilamellar vesicles" (abbreviated as SUVs), up to thirty micrometers in size "giant unilamellar vesicles" (abbreviated as GUVs) or so-called "large unilamellar vesicles "(abbreviated as LUVs) whose size lies approximately in between. The vesicles or liposomes can either be free in solution or bound to a solid support. In addition to the approximately spherical vesicles also flat, planar lipid bilayers are used, so-called "supported lipid bilayers" (abbreviated as SLBs), which rest on a support, such as a glass plate or other substrate. The planar lipid bilayers may also be firmly attached to the support (so-called "tethered bilayer lipid membranes", abbreviated as t-BLMs).
Da biologische Membranen erheblich in ihrer Zusammensetzung variieren, sind unterschiedliche Modellsysteme entwickelt worden. Die Schwierigkeit liegt darin, die künstlichen Modellsysteme einerseits so gut wie möglich den komplexen biologischen Membranen anzunähern und sie anderseits so zu vereinfachen, dass die Struktur und Funktionalität einzelner Bestandteile untersucht werden kann. Weil viele moderne Untersuchungsmethoden wie Rastersondenmikroskopie, Impedanzspektroskopie, Fluoreszenz-Imaging, Quarzkristallmikrowaagen (quartz crystal microbalance, QCM), elektrophysiologische Messungen und Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie besonders für planare Lipiddoppelschichten geeignet sind, haben sich diese als wichtigstes Modell für natürliche Zellmembranen etabliert.Since biological membranes vary considerably in composition, different model systems have been developed. The difficulty lies in making the artificial model systems as close as possible to the complex biological membranes and, on the other hand, simplifying them so that the structure and functionality of individual components can be investigated. Because many modern research methods such as scanning probe microscopy, impedance spectroscopy, fluorescence imaging, quartz crystal microbalance (QCM), electrophysiological measurements, and surface plasmon resonance spectroscopy are particularly suited for planar lipid bilayers, these have become established as the most important model for natural cell membranes.
Üblicherweise werden auf einem Träger angeordnete, planare Lipiddoppelschichten, also SLBs (supported lipid bilayers), durch Adsorption von Vesikeln in Lösung an geeigneten Oberflächen gebildet, typischerweise aus SiO2, TiO2 oder Glimmer. Allerdings führen nur bestimmte Bedingungen und Lipidzusammensetzungen zu einer spontanen Bildung von SLBs. Zum Beispiel kann ein zu hoher Cholesterinanteil in den Vesikeln die Bildung von SLBs auf SiO2-Oberflächen verhindern. Auch wenn die Bildung von SLBs aus Vesikeln mit komplexer Zusammensetzung z.B. durch die Zugabe von Ca2+, osmotischen Stress, erhöhte Temperatur und lange Inkubationszeiten forciert werden kann, wird in der Regel ein schlechtes Ergebnis erzielt, weil die meisten Vesikel auf der Oberfläche ihre Kugelform beibehalten und sich nicht öffnen.Usually, planar lipid bilayers arranged on a support, ie SLBs (supported lipid bilayers), are formed by adsorption of vesicles in solution on suitable surfaces, typically of SiO 2 , TiO 2 or mica. However, only certain conditions and lipid compositions lead to spontaneous formation of SLBs. For example, too high a cholesterol level in the vesicles can prevent the formation of SLBs on SiO 2 surfaces. Although the formation of SLBs from vesicles of complex composition can be forced, for example, by the addition of Ca 2+ , osmotic stress, elevated temperature and long incubation times, a poor result is usually obtained because most vesicles on the surface have their spherical shape maintain and do not open.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, planare Membranen herzustellen, die mit einem gewissen Abstand an einen festen Träger angebunden sind (tethered bilayer lipid membranes). Hierfür werden so genannte Spacer verwendet, die mit ihrem einen Ende kovalent an den hydrophilen Lipidköpfen und mit ihrem anderen Ende an den festen Träger gebunden sind. Als Spacer kommen zahlreiche lineare Makromoleküle in Frage, einschließlich Oligo(ethylenoxid), Poly(Ethylenoxid), poly(Oxazolin) und Oligopeptide mit Silanen oder Thiolen als Haftvermittler.Another approach is to make planar membranes tethered to a solid support (tethered bilayer lipid membranes). For this purpose, so-called spacers are used which are covalently bonded at one end to the hydrophilic lipid heads and at the other end to the solid support. Suitable spacers are numerous linear macromolecules, including oligo (ethylene oxide), poly (ethylene oxide), poly (oxazoline) and oligopeptides with silanes or thiols as adhesion promoters.
Da Membranproteine sehr empfindlich sind und unter Laborbedingungen leicht denaturieren können, müssen sie in einer lipophilen Umgebung aufbewahrt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Proteine aus biologischen Membranen isoliert und in künstliche Vesikel rekonstituiert werden, wodurch Proteoliposomen gebildet werden. Um die Proteine dann in planare Lipiddoppelschichten einzubringen, werden die Proteoliposomen mit einer planaren Membran fusioniert. Bei einer Fusion werden also Liposomen bzw. Proteoliposomen vollständig oder teilweise von der planaren Lipiddoppelschicht aufgenommen, sodass die planare Lipiddoppelschicht danach Lipide und Proteine der Liposomen aufweist. Ein Problem besteht allerdings darin, dass zur Fusion energetische Barrieren sowohl der Vesikel als auch der aufnehmenden Membran überwunden werden müssen. Ein Lösungsversuch besteht darin, dass die Vesikel und die aufnehmende planare Membran Lipide mit entgegengesetzten Ladungen aufweisen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von fusogenen Peptiden (SNAP-SNARE-Protein). Alternativ können zu den Vesikeln unter speziellen osmotischen Bedingungen die porenbildenden Antibiotika Nystatin und Ergosterol gegeben werden, wodurch die Vesikelmembran permeabel und die Fusionswahrscheinlichkeit erhöht wird.Since membrane proteins are very sensitive and can easily denature under laboratory conditions, they must be stored in a lipophilic environment. This can be achieved by making the proteins from biological Membranes are reconstituted and reconstituted into artificial vesicles to form proteoliposomes. To then introduce the proteins into planar lipid bilayers, the proteoliposomes are fused with a planar membrane. In a fusion, therefore, liposomes or proteoliposomes are completely or partially taken up by the planar lipid bilayer, so that the planar lipid bilayer then has lipids and proteins of the liposomes. One problem, however, is that the merger must overcome energy barriers of both the vesicles and the receiving membrane. One solution is that the vesicles and the receiving planar membrane have lipids with opposite charges. Another possibility is the use of fusogenic peptides (SNAP-SNARE protein). Alternatively, the pore-forming antibiotics nystatin and ergosterol may be added to the vesicles under specific osmotic conditions, permitting the vesicle membrane to permeabilize and increasing the likelihood of fusion.
Alle diese bekannten Verfahren sind zeitlich und technisch sehr aufwändig sowie ineffizient, da ein nennenswerter Anteil der Proteine nicht in die planaren Membranen eingebaut wird und verloren geht. Bis heute ist außerdem kein Verfahren bekannt, um SLBs direkt aus biologischen Zellmembranen herzustellen und so Membranproteine in ihrer nativen Lipidumgebung zu untersuchen.All of these known methods are time-consuming and technically very complicated and inefficient, since a significant proportion of the proteins are not incorporated into the planar membranes and are lost. Furthermore, to date, no method is known to produce SLBs directly from biological cell membranes to study membrane proteins in their native lipid environment.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzuschlagen, dass die genannten Nachteile nicht aufweist und eine kostengünstige und effiziente Herstellung von planaren Membranen bzw. Lipiddoppelschichten auf einem festen Träger ermöglicht.The object of the invention is therefore to propose a method that does not have the disadvantages mentioned and enables a cost-effective and efficient production of planar membranes or lipid bilayers on a solid support.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) ein oder mehrere Vesikel werden hergestellt oder bereitgestellt, b) der feste Träger wird in einem geeigneten Zentrifugenbehälter in einer Zentrifuge angeordnet, c) die Vesikel werden zusammen mit einer Lösung in den Zentrifugenbehälter gegeben, wobei die Vesikel eine höhere Dichte aufweisen als die Dichte der Lösung, d) der Zentrifugenbehälter mit den Vesikeln und der Lösung wird zentrifugiert, bis die Vesikel auf dem Träger eine Lipiddoppelschicht ausbilden.This object is achieved in that the method comprises the following steps:
a) one or more vesicles are prepared or provided b) the solid support is placed in a suitable centrifuge container in a centrifuge, c) the vesicles are placed in the centrifuge container together with a solution, the vesicles having a higher density than the density the solution, d) centrifuge the centrifuge container with the vesicles and the solution until the vesicles on the carrier form a lipid bilayer.
Unter einem Vesikel im Sinne der Erfindung sind annähernd kugelförmige Körper mit einer äußeren, unilamellaren Membran in Form einer Lipiddoppelschicht zu verstehen. Der Begriff „planar“ ist dem englischen Fachbegriff „planar bilayer“ entlehnt und hat die Bedeutung flächig bzw. plan. Eine planare Lipiddoppelschicht weist also eine im Wesentlichen gleichmäßig ebene Fläche auf, die im Raum nicht gekrümmt ist. Der feste Träger ist im Wesentlichen ebenfalls planar, kann allerdings auch Strukturen aufweisen, zum Beispiel Öffnungen, Erhebungen oder Messkammern. Unter einer Lipiddoppelschicht ist eine membranartige Anordnung von Lipiden zu verstehen, wie sie typischerweise von Phospholipiden mit einem hydrophilen Kopf und hydrophoben Kohlenwasserstoffschwänzen in wässriger Lösung gebildet wird. Für die Herstellung von Vesikeln und/oder planaren Lipiddoppelschicht können artifizielle Lipide, natürliche Lipide, synthetische Lipidgemische oder natürliche Lipidextrakte jeweils mit oder ohne rekonstituiertem oder natürlich vorhanden Protein verwendet werden.For the purposes of the invention, a vesicle is to be understood as meaning approximately spherical bodies having an outer, unilamellar membrane in the form of a lipid bilayer. The term "planar" is borrowed from the English term "planar bilayer" and has the meaning of planar or plan. A planar lipid bilayer thus has a substantially uniformly flat surface, which is not curved in space. The solid support is also essentially planar, but may also have structures, for example openings, elevations or measuring chambers. A lipid bilayer is understood to be a membrane-like arrangement of lipids, as typically formed by phospholipids having a hydrophilic head and hydrophobic hydrocarbon tails in aqueous solution. For the preparation of vesicles and / or planar lipid bilayer, artificial lipids, natural lipids, synthetic lipid mixtures or natural lipid extracts, each with or without reconstituted or naturally present protein, may be used.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Bildung einer planaren Lipiddoppelschicht aus einem Vesikel spontan auf einem festen Träger. Bei diesem Vorgang müssen die Vesikel zunächst durch Diffusion und Adsorption an den festen Träger anheften. Danach muss die Vesikelmembran aufgebrochen werden, wobei die starken polaren und entropischen Kräfte, die die Lipide in der Membran zusammenhalten, überwunden werden müssen. Dieser energetisch ungünstige bzw. unwahrscheinliche Prozess erfordert viel Zeit und ist technisch aufwändig.In the prior art, the formation of a planar lipid bilayer from a vesicle occurs spontaneously on a solid support. In this process, the vesicles must first attach to the solid support by diffusion and adsorption. Thereafter, the vesicle membrane must be disrupted, overcoming the strong polar and entropic forces that hold the lipids together in the membrane. This energetically unfavorable or unlikely process requires a lot of time and is technically complex.
Durch den erfindungsgemäßen Zentrifugationsschritt wird nun auf die Vesikel eine Zentrifugalkraft in Richtung des festen Trägers ausgeübt. Voraussetzung hierfür ist, dass die Vesikel insgesamt eine höhere Dichte als die Dichte der Lösung aufweisen, in der die Vesikel zentrifugiert werden. Verfahrensschritte zur Erhöhung der Dichte der Vesikel sind unten beschrieben. Da der Träger am Boden des Zentrifugenbehälters angeordnet ist und von der Lösung mit den Vesikeln bedeckt wird, bewegen sich die Vesikel durch die Zentrifugalkraft in Richtung zum Träger und adsorbieren an ihm. Durch die weiter wirkende Zentrifugalkraft werden die Vesikel geöffnet und es bildet sich eine planare Lipiddoppelschicht auf dem Träger aus. Da der feste Träger planar bzw. eben ist und auf dem Boden des Zentrifugenbehälters angeordnet bzw. diesem aufliegt, darf der Zentrifugenbehälter am Boden nicht gekrümmt sein, damit der Träger beim Zentrifugieren nicht beschädigt wird.The centrifugation step according to the invention now exerts a centrifugal force on the vesicles in the direction of the solid support. The prerequisite for this is that the vesicles as a whole have a higher density than the density of the solution in which the vesicles are centrifuged. Procedural steps to increase the density of the vesicles are described below. Since the carrier is located at the bottom of the centrifuge container and is covered by the solution with the vesicles, the vesicles move by centrifugal force towards the carrier and adsorb to it. As a result of the further centrifugal force, the vesicles are opened and a planar lipid bilayer forms on the support. Since the solid support is planar and placed on the bottom of the centrifuge container, the centrifuge container must not be curved on the bottom so that the carrier is not damaged during centrifugation.
Nach dem oben beschriebenen Verfahren können schnell und kostengünstig Lipiddoppelschichten auf einem festen Träger hergestellt werden. Für Messungen ist es in der Praxis jedoch in der Regel erforderlich, Membranproteine in eine vorhandene, planare Lipiddoppelschicht zu rekonstituieren oder andere Substanzen einzubringen oder die Lipidzusammensetzung zu verändern. Zur Lösung dieser Aufgabe betrifft die Erfindung weiterhin ein Verfahren zur Fusion von Vesikeln mit planaren Lipiddoppelschichten auf einem festen Träger, welches folgende Schritte umfasst: a) ein oder mehrere Vesikel werden hergestellt oder bereitgestellt, b) der feste Träger mit mindestens einer planaren Lipiddoppelschicht wird in einem geeigneten Zentrifugenbehälter in einer Zentrifuge angeordnet, c) die Vesikel werden zusammen mit einer Lösung in den Zentrifugenbehälter gegeben, d) der Zentrifugenbehälter mit den Vesikeln und der Lösung wird zentrifugiert, bis die Vesikel mit der Lipiddoppelschicht auf dem Träger fusionieren.By the method described above, lipid bilayers can be prepared quickly and inexpensively on a solid support. For measurements, however, it is usually necessary in practice to reconstitute membrane proteins into an existing, planar lipid bilayer or to introduce other substances or to alter the lipid composition. To achieve this object, the invention further relates to a method for the fusion of vesicles with planar lipid bilayers on a solid support, comprising the following steps: a) one or more vesicles are prepared or provided, b) the solid support having at least one planar lipid bilayer is incorporated in a suitable centrifuge container arranged in a centrifuge, c) the vesicles are added together with a solution in the centrifuge container, d) the centrifuge container with the vesicles and the solution is centrifuged until the vesicles fuse with the lipid bilayer on the carrier.
Durch den erfindungsgemäßen Zentrifugationsschritt wird auf die Vesikel eine Zentrifugalkraft ausgeübt. Hierdurch bewegen sie sich in Richtung der planaren Lipiddoppelschicht, die auf einem Träger angeordnet ist bzw. diesem aufliegt. Durch die weiter wirkende Zentrifugalkraft werden die Vesikel beim Auftreffen auf die Lipiddoppelschicht geöffnet und fusionieren mit ihr.The centrifugation step according to the invention exerts a centrifugal force on the vesicles. As a result, they move in the direction of the planar lipid bilayer, which is arranged on a support or rests on this. As a result of the further centrifugal force, the vesicles are opened when they strike the lipid bilayer and fuse with it.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung mit zusätzlichen Verfahrensmerkmalen werden nachfolgend beschrieben.Advantageous embodiments of the invention with additional process features are described below.
Die Vesikel können mit einer Lipiddoppelschicht fusioniert werden, die nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. Vorzugsweise werden sie jedoch mit einer Lipiddoppelschicht fusioniert, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einem festen Träger hergestellt wurde.The vesicles can be fused to a lipid bilayer prepared according to the prior art. Preferably, however, they are fused to a lipid bilayer prepared by the method of the invention on a solid support.
Die Vesikel müssen eine höhere Dichte als die Lösung aufweisen, in der die Vesikel zentrifugiert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Vesikel in ihrem Innern eine Lösung aufweisen, deren Dichte höher ist als die Dichte der in den Zentrifugenbehälter gegebene Lösung. Hierdurch wird die Dichte der Vesikel insgesamt signifikant erhöht. Die Lösung kann in die Vesikel eingebracht werden, indem deren Herstellung in der Lösung mit erhöhter Dichte erfolgt oder die Lösung vor dem Zentrifugieren verdünnt wird. Durch die erhöhte Dichte der Vesikel ist deren Sedimentationsgeschwindigkeit größer und beim Auftreffen auf den Träger oder die Lipiddoppelschicht vergrößern sich die einwirkenden Kräfte. Hierdurch öffnen sich die Vesikel bzw. die Lipiddoppelschichten leichter und die Bildung von planaren Lipiddoppelschichten oder deren Fusion mit den Vesikeln wird erleichtert.The vesicles must have a higher density than the solution in which the vesicles are centrifuged. This can be achieved by having the vesicles in their interior a solution whose density is higher than the density of the solution placed in the centrifuge container. This significantly increases the density of the vesicles overall. The solution may be introduced into the vesicles by making them in the solution of increased density or by diluting the solution prior to centrifugation. Due to the increased density of the vesicles their sedimentation rate is greater and upon impact with the carrier or the lipid bilayer increase the forces acting. As a result, the vesicles or the lipid bilayers open more easily and the formation of planar lipid bilayers or their fusion with the vesicles is facilitated.
Es hat sich gezeigt, dass zur Erhöhung der Dichte Glycerol, Dextran, Sucrose, andere Zucker, Salze oder Nanopartikel geeignet sind. Unter anderem Glycerol hat den Vorteil, dass es membrangängig ist und nach der Zentrifugation langsam wieder aus der gebildeten und/oder fusionierten planaren Lipiddoppelschicht ausdiffundiert.It has been found that glycerol, dextran, sucrose, other sugars, salts or nanoparticles are suitable for increasing the density. Glycerol, inter alia, has the advantage that it is membrane-permeable and, after centrifugation, slowly diffuses out again from the formed and / or fused planar lipid bilayer.
Als Vesikel können Liposomen oder mit Proteinen angereicherte Proteoliposomen verwendet werden. Insbesondere GUVs („giant unilamellare vesicles“), LUVs („large unilamellar vesicles“), SUVs („small unilamellar vesicles“) oder Virenpartikel mit einer Membran sind geeignet. Ebenfalls lassen sich biologische Membranvesikel verwenden, die aus natürlichen, biologischen Membranen gebildet sind oder hergestellt wurden. Hierdurch wird ein Modellsystem zur Verfügung gestellt, durch das Membranproteine in ihrer nativen Lipidumgebung untersucht werden können. Dies ist ein erheblicher Vorteil, da Membranproteine sehr empfindlich sind und in fremden Lipidumgebungen möglicherweise ihre Konformation verändern und ein anderes Verhalten zeigen.As vesicles, liposomes or protein-enriched proteoliposomes can be used. In particular, GUVs ("giant unilamellar vesicles"), LUVs ("large unilamellar vesicles"), SUVs ("small unilamellar vesicles") or virus particles with a membrane are suitable. Also, biological membrane vesicles formed or made from natural biological membranes can be used. This provides a model system through which membrane proteins can be probed in their native lipid environment. This is a significant advantage because membrane proteins are very sensitive and may alter their conformation and behave differently in foreign lipid environments.
Eine weitere Verbesserung ist möglich, wenn die in den Zentrifugenbehälter gegebene Lösung mindestens einen fusogenen Stoff aufweist, insbesondere zweiwertige Ionen wie Calciumchlorid, Lipidmembranen destabilisierende Substanzen wie z.B. die Porenbildner Nystatin-Cholesterol, Komplexbildner wie EDTA oder SNARE-Proteine, die die Fusion von biologischen Membranen regulieren. Durch die fusogenen Stoffe wird die Bildung und/oder Fusion der planaren Lipiddoppelschicht gefördert.A further improvement is possible if the solution added to the centrifuge container has at least one fusogenic substance, in particular bivalent ions such as calcium chloride, substances destabilizing lipid membranes such as e.g. the pore-forming agents nystatin-cholesterol, complexing agents such as EDTA or SNARE proteins that regulate the fusion of biological membranes. The fusogenic substances promote the formation and / or fusion of the planar lipid bilayer.
Vorteilhaft für die Zentrifugationsschritte ist die Verwendung einer Zentrifuge mit einem Ausschwingrotor („Swing-out Rotor“). Bei der Drehung des Rotors schwingen die Rotorbehälter nach oben, bis sie sich in einer waagrechten Position befinden. Dadurch ist sichergestellt, dass der Vektor der Zentrifugalkraft radial von der Rotorachse und orthogonal zur Ebene des festen Trägers verläuft.Advantageous for the centrifugation steps is the use of a centrifuge with a swing-out rotor ("swing-out rotor"). As the rotor rotates, the rotor containers swing upward until they are in a horizontal position. This ensures that the vector of centrifugal force extends radially from the rotor axis and orthogonal to the plane of the solid support.
Der feste Träger kann ein planares Glasplättchen, vorzugsweise ein Deckglas für die Mikroskopie sein. Besonders geeignet ist auch oder ein mikro- oder nanostrukturierter Messchip. Dieser kann aus allen für eine Mikro- oder Nanostrukturierung geeigneten Materialien wie Glas, Silizium, Siliziumnitrid, Plastik oder Metallen bestehen und Vertiefungen und/oder Ausstülpungen aufweisen, um diese beispielsweise als Messkammern für Fluoreszenzmessungen zu nutzen.The solid support may be a planar glass slide, preferably a coverslip for microscopy. Also particularly suitable is or a micro- or nanostructured measuring chip. This may consist of all suitable for a micro- or nanostructuring materials such as glass, silicon, silicon nitride, plastic or metals and have depressions and / or protuberances to use them, for example, as measuring chambers for fluorescence measurements.
Insbesondere mit den genannten Messchips können die hergestellten Lipiddoppelschichten mittels Fluoreszenz-Imaging, Rastersondenmikroskopie, Impedanzspektroskopie, Quarzkristallmikrowaagen („Quartz Crystal Microbalance“, abgekürzt als QCM), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie oder elektrophysiologisch vermessen werden.In particular, with the mentioned measuring chips, the lipid bilayers produced can be measured by means of fluorescence imaging, scanning probe microscopy, impedance spectroscopy, quartz crystal microbalances (QCM for short), surface plasmon resonance spectroscopy or electrophysiologically.
Nachstehend wird die Herstellung von planaren Lipiddoppelschichten aus Liposomen in nicht einschränkenden Beispielen beschrieben.The preparation of planar lipid bilayers of liposomes is described below in non-limiting examples.
Für die Präparation wurde die kommerziell erhältliche, automatische Vorrichtung „Vesicle Prep Pro®“ verwendet. Mittels der Vorrichtung können lösungsmittelfreie GUVs, also „Giant unilamellar vesicles“, mit einem Durchmesser von 1 bis 30 μm nach der Electroswelling-Methode hergestellt werden. Die Vorrichtung weist eine Kammer mit einem oberen und einem unteren Glasplättchen auf, zwischen denen die Vesikelbildung erfolgt. Damit die Glasplättchen elektrisch leitfähig sind, sind sie mit Indiumzinnoxid („indium tin oxide“, abgekürzt als „ITO“) beschichtet.For the preparation of the commercially available, automated device "Vesicle Prep Pro ®" was used. By means of the device solvent-free GUVs, so "Giant unilamellar vesicles", be prepared with a diameter of 1 to 30 microns by the electroswelling method. The device has a chamber with an upper and a lower glass plate between which the vesicle formation takes place. In order for the glass flakes to be electrically conductive, they are coated with indium tin oxide (abbreviated as "ITO").
Zunächst wurden 10 µl der gewünschten Lipide in Chloroform gelöst und gleichmäßig mit einer Pipettenspitze auf den ITO-beschichteten Seiten der Glasplättchen verteilt. Als Lipid wurde Diphytanoylphosphatidylcholin („DPhPC“) verwendet. Der so hergestellte Lipidfilm auf den ITO-beschichteten Glasplättchen wurde in einem Exsikkator für eine Stunde im Dunkeln getrocknet.First, 10 μl of the desired lipids were dissolved in chloroform and evenly distributed with a pipette tip on the ITO-coated sides of the glass slides. As the lipid, diphytanoylphosphatidylcholine ("DPhPC") was used. The lipid film thus prepared on the ITO-coated glass slides was dried in a desiccator for one hour in the dark.
Das untere Glasplättchen mit dem Lipidfilm wurde dann in die Kammer der „Vesicle Prep Pro®“ Vorrichtung eingesetzt. Die Kammer wurde danach mit 640 µl einer Lösung befüllt, in der 150 pmol eines 6 kDa Dextrans gelöst waren, was einer Konzentration von ungefähr 1 mg/ml entspricht. Dadurch hatte die Lösung eine höhere Dichte als die Pufferlösung mit Calciumchlorid, in der die Zentrifugation erfolgte. In die Kammer wurde dann das zweite, obere ITO-beschichtete Glasplättchen eingesetzt und die Kammer mit einem Teflon-Ring und Fett dicht verschlossen.The lower glass plate with the lipid film was then placed the device into the chamber of the "Vesicle Prep Pro ®". The chamber was then filled with 640 μl of a solution in which 150 pmol of a 6 kDa dextran was dissolved, which corresponds to a concentration of approximately 1 mg / ml. As a result, the solution had a higher density than the calcium chloride buffer solution in which the centrifugation was carried out. The second, upper ITO-coated glass slide was then inserted into the chamber and the chamber sealed with a teflon ring and grease.
Die Gerät wurde eingeschaltet, wobei zwischen den ITO-beschichteten Glasplättchen, die als Elektroden wirken, ein Strom fließt. Hierdurch beginnen sich die GUVs zu bilden. Die Bildung der Liposomen kann zwischen wenigen Stunden und 18 Stunden dauern. Die benötigte Zeit hängt von der Art der Lipidzusammensetzung, der Lösung und der gewünschte Mengen und Größe der Vesikel ab.The device was switched on, with a current flowing between the ITO-coated glass plates, which act as electrodes. As a result, the GUVs begin to form. The formation of the liposomes can take between a few hours and 18 hours. The time required depends on the type of lipid composition, the solution and the desired amounts and size of the vesicles.
Nach dem Abschalten der Vorrichtung wurde die Kammer geöffnet und das obere Glasplättchen vorsichtig entfernt. Die gebildeten GUVs wurden dann mit einer Pipettenspitze entnommen und als Lösung in ein Reagenzglas gegeben.After switching off the device, the chamber was opened and the upper glass plate carefully removed. The formed GUVs were then removed with a pipette tip and placed as a solution in a test tube.
Als fester Träger wurde ein handelsübliches Mikroskop-Deckglas verwendet, das vorher mit Lösungsmitteln wie Ethanol oder Propanol gereinigt und danach mit destilliertem Wasser abgespült und getrocknet wurde. Das Deckglas wurde auf dem Boden eines Zentrifugenbehälters angeordnet und dieser in den Ausschwingrotor (auch „Swing-Out Rotor“ genannt) einer „Heraeus Megafuge 1.0“ Zentrifuge gesetzt. Diese Rotoren sind nicht nur für Deckgläser geeignet sondern auch für andere Träger, wie z.B. SBS Mikrotiterplatten. 40 µl der GUV-haltigen Lösung wurden dann in eine Puffer-Lösung gegeben, die u.a. Calciumchlorid in einer Konzentration von 0,5 mmol/l enthielt. Das Calciumchlorid verbessert die spätere Ausbreitung der Vesikel auf der Oberfläche und die Ausbildung der planaren Lipiddoppelschicht. Danach wurde die Lösung 40 min bei 75 g zentrifugiert. Bei anderer Zusammensetzung der Lipide und der verwendeten Lösungen müssen die Zentrifugationsparameter entsprechend angepasst werden.As a solid support, a commercial microscope coverslip was used, which was previously cleaned with solvents such as ethanol or propanol and then rinsed with distilled water and dried. The coverslip was placed on the bottom of a centrifuge container and placed in the swing-bucket rotor (also called "swing-out rotor") of a "Heraeus Megafuge 1.0" centrifuge. These rotors are not only suitable for coverslips, but also for other carriers, e.g. SBS microtiter plates. Forty μl of the GUV-containing solution was then added to a buffer solution which i.a. Calcium chloride in a concentration of 0.5 mmol / l contained. The calcium chloride improves the later spreading of the vesicles on the surface and the formation of the planar lipid bilayer. Thereafter, the solution was centrifuged at 75 g for 40 minutes. With other composition of the lipids and the solutions used, the centrifugation parameters must be adjusted accordingly.
Nach der Zentrifugation ist das Deckglas zu großen Teilen mit einer stabilen planaren Lipiddoppelschicht bedeckt und kann direkt weiter verwendet werden.After centrifugation, the cover glass is largely covered with a stable planar lipid bilayer and can be used directly.
In einer Variante des Verfahrens wurden GUVs im Wesentlichen wie oben beschrieben hergestellt, mit dem Unterschied, dass eine Lipidzusammensetzung aus 50% Phosphatidylethanolamin („PE“), 30% Phosphatidylglycerol („PG“) und 20% Phosphatidycholin („PC“) verwendet wurde.In one variant of the method, GUVs were prepared essentially as described above, except that a lipid composition of 50% phosphatidylethanolamine ("PE"), 30% phosphatidylglycerol ("PG") and 20% phosphatidycholine ("PC") was used ,
In einer anderen Variante des Verfahrens wurden die GUVs aus einer Lipidzusammensetzung hergestellt, die 40% Phosphatidylethanolamin („PE“), 30% Phosphatidylglycerol („PG“), 20% Phosphatidycholin („PC“) und 10% Cardiolipin enthielt.In another variant of the method, the GUVs were prepared from a lipid composition containing 40% phosphatidylethanolamine ("PE"), 30% phosphatidylglycerol ("PG"), 20% phosphatidycholine ("PC") and 10% cardiolipin.
Die GUVs aus beiden Lipidzusammensetzungen waren im Innern mit einer Sucroselösung gefüllt, um die Dichte der Vesikel zu erhöhen. Die Zentrifugation erfolgte 30 min bei 200 g in einer Lösung, der 0,5 mmol Calciumchlorid zugesetzt war.The GUVs from both lipid compositions were filled with a sucrose solution inside to increase the density of the vesicles. Centrifugation was carried out for 30 minutes at 200 g in a solution to which 0.5 mmol calcium chloride had been added.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wurden die GUVs aus einer Lipidzusammensetzung hergestellt, die 80% Diphytanoylphosphatidylcholin („DPhPC“) und 20% Cholesterol enthielt. Die aus dieser Lipidzusammensetzung hergestellten GUVs waren im Innern mit einer Lösung aus ungefähr 1 mg/ml Dextran gefüllt, um die Dichte der Vesikel zu erhöhen. Die Zentrifugation erfolgte 40 Minuten bei 75 g in einer Lösung, der 0,5 mmol Calciumchlorid zugesetzt war.In another variant of the method, the GUVs were prepared from a lipid composition containing 80% diphytanoyl phosphatidylcholine ("DPhPC") and 20% cholesterol. The GUVs prepared from this lipid composition were filled internally with a solution of about 1 mg / ml dextran to increase the density of the vesicles. The centrifugation was carried out for 40 minutes at 75 g in a solution to which 0.5 mmol calcium chloride was added.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft und nicht beschränkend beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind. Gattungs- oder funktionsmäßig gleiche Objekte sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Zeichnungen und die Beschreibung dienen der Veranschaulichung und sind nicht als quantitative Angaben zu verstehen. Alle Objekte sind schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt.The invention will be described with reference to a drawing by way of example and not limitation, with further advantageous details of the figures of the drawing can be seen. Genus or functionally identical objects are provided with the same reference numerals. The drawings and description are illustrative and are not meant to be quantitative. All objects are shown schematically and not true to scale.
Die
Die Vesikel
Wie
Die
Die Vesikel
Der Messchip
Die
Der Unterschied besteht darin, dass als Vesikel
Der Messchip
Aufgrund seiner Schnelligkeit und Einfachheit ist das beschriebene Verfahren besonders für Screenings und Messungen mit hohem Durchsatz geeignet.Because of its speed and simplicity, the method described is particularly suitable for high throughput screenings and measurements.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Große Vesikel Great vesicles
- 22
- Innenraum inner space
- 33
- Lipidköpfe lipid heads
- 44
- Lipidschwänze lipid tails
- 55
- Substanz substance
- 66
- Kraftvektor force vector
- 77
- Lipiddoppelschicht Lipid bilayer
- 88th
- Membranprotein membrane protein
- 1010
- Kleine Vesikel Small vesicles
- 100100
- Messchip measuring chip
- 101101
- Messkammer measuring chamber
Claims (10)
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---|---|---|---|
DE201210101480 DE102012101480A1 (en) | 2012-02-23 | 2012-02-23 | Process for the preparation or fusion of planar lipid bilayers |
PCT/DE2013/100051 WO2013123934A1 (en) | 2012-02-23 | 2013-02-12 | Method for producing or fusing planar lipid bilayers |
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---|---|---|---|
DE201210101480 DE102012101480A1 (en) | 2012-02-23 | 2012-02-23 | Process for the preparation or fusion of planar lipid bilayers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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---|---|---|---|---|
US5923720A (en) * | 1997-06-17 | 1999-07-13 | Molecular Metrology, Inc. | Angle dispersive x-ray spectrometer |
US20040219605A1 (en) * | 2003-04-08 | 2004-11-04 | Finkel Terri H | Fluid planar lipid layer-based membrane-anchored ligand system with defined ligand valency and methods of use thereof |
-
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-
2013
- 2013-02-12 WO PCT/DE2013/100051 patent/WO2013123934A1/en active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
Title |
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Abstracts of Papers, 227th ACS National Meeting, Anaheim, CA, United States, March 28-April 1, 2004 (2004), COLL-233 Publisher: American Chemical Society, Washington, D.C. * |
Also Published As
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---|---|
WO2013123934A1 (en) | 2013-08-29 |
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