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Method Article
Este trabajo detalla rutinas básicas sólidas sobre cómo preparar muestras de proteínas de membrana marcadas con isótopos y analizarlas a alta resolución con métodos modernos de espectroscopia de RMN de estado sólido.
Las proteínas de membrana son vitales para la función celular y, por lo tanto, representan importantes dianas farmacológicas. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido (ssNMR) ofrece un acceso único para sondear la estructura y la dinámica de dichas proteínas en membranas biológicas de complejidad creciente. Aquí, presentamos la espectroscopia moderna de RMN de estado sólido como una herramienta para estudiar la estructura y la dinámica de las proteínas en membranas lipídicas naturales y a escala atómica. Dichos estudios espectroscópicos se benefician del uso de métodos de ssNMR de alta sensibilidad, es decir, ssNMR detectado por protones (1H) y ssNMR compatible con DNP (polarización nuclear dinámica). Utilizando la proteína BamA de la membrana externa bacteriana y el canal iónico KcsA, presentamos métodos para preparar proteínas de membrana marcadas con isótopos y para derivar información estructural y de movimiento mediante ssNMR.
Los estudios estructurales y de movimiento de proteínas de membrana en entornos fisiológicamente relevantes plantean un desafío a las técnicas tradicionales de biología estructural1. Los métodos modernos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido (ssNMR) ofrecen un enfoque único para la caracterización de las proteínas de membrana 2,3,4,5,6,7 y se han utilizado durante mucho tiempo para estudiar las proteínas de membrana, incluidas las bombas de proteínas incrustadas en la membrana8, los canales 9,10,11 o los receptores 12,13,14,15. Los avances técnicos, como los campos magnéticos ultra altos >1.000 MHz, las frecuencias de giro de ángulo mágico rápido >100 kHz y las técnicas de hiperpolarización16 han establecido la ssNMR como un método poderoso para el estudio de proteínas de membrana en entornos de complejidad cada vez mayor, desde liposomas hasta membranas celulares e incluso células completas. Por ejemplo, el DNP se ha convertido en una herramienta poderosa para este tipo de experimentos (ver referencia 17,18,19,20,21,22,23,24,25). Más recientemente, la ssNMR detectada por 1H ofrece cada vez más posibilidades para estudiar proteínas de membrana con alta resolución espectral y sensibilidad 25,26,27,28,29. Este trabajo destaca dos proteínas de membrana bacteriana que están involucradas en funciones esenciales, es decir, la inserción de proteínas y el transporte de iones. Las proteínas correspondientes, BamA 25,30,31,32,33 y KcsA 23,27,28,34,35,36,37,38,39 (o variantes quiméricas de las mismas 10,40) han sido examinadas por ssNMR métodos durante más de una década.
Aquí se presenta un protocolo representativo para la preparación y caracterización de ssNMR de proteínas de membrana de origen bacteriano. Los diferentes pasos del protocolo se muestran en la Figura 1. En primer lugar, se explica la expresión, el marcaje de isótopos, la purificación y la reconstitución de la membrana de BamA. A continuación, se presenta un flujo de trabajo general para la caracterización de la proteína de membrana por ssNMR; específicamente, la asignación de esqueletos de proteínas de membrana utilizandossNMR detectado 1 H en un giro de ángulo mágico rápido. Por último, se detalla la configuración básica y la adquisición de experimentos compatibles con la polarización nuclear dinámica (DNP), que aumentan significativamente la sensibilidad de la señal ssNMR.
1. Producción de BamA-P4P5 etiquetados uniformemente con 2 H, 13C, 15N
NOTA: Si bien este protocolo requiere trabajar con bacterias Gram negativas no patógenas, es imprescindible cumplir con los procedimientos básicos de seguridad biológica, es decir, usar gafas de seguridad, batas de laboratorio, guantes y seguir los procedimientos operativos estándar institucionales para el trabajo con microorganismos.
2. Purificación, repliegue y formación de proteo-liposomas BamA-P4P5
NOTA: Todos los pasos de esta sección deben realizarse en una campana extractora. Se debe tener especial cuidado al abrir los tubos después de la centrifugación y limitar los aerosoles nocivos.
3. Llenado del rotor ssNMR
4. Caracterización de muestras por espectroscopía 2D 13C- 13C sssNMR
5. Asignación de la columna vertebral mediante espectroscopía ssNMR 3D detectada en 1H
6. Dinámica de proteínas por espectroscopía ssNMR detectada en 1H
7. Polarización nuclear dinámica
NOTA: Los siguientes pasos preparatorios se relacionan con el uso de configuraciones DNP comerciales que utilizan rotores MAS de zafiro de 3,2 mm (Figura 6)20. El uso de los rotores de circonio u otros equipos DNP puede conducir a mejoras de la señal DNP más bajas.
La Figura 2 muestra geles representativos para la pureza del cuerpo de inclusión (Panel A) y el repliegue de los cuerpos de inclusión (Panel B3). La Figura 2 confirma la purificación exitosa de BamA-P4P5 marcado con 13 C,15N.
La Figura 3A muestra un espectro 2D 13 C-13C típico de una proteína de membrana bien ordenada, y la...
Las proteínas de membrana son actores clave en la regulación de funciones celulares vitales tanto en organismos procariotas como eucariotas; Por lo tanto, comprender sus mecanismos de acción a niveles atómicos de resolución es de vital importancia. Las técnicas de biología estructural existentes han llevado bastante lejos la comprensión científica de las proteínas de membrana, pero se han basado en gran medida en datos experimentales recopilados de sistemas in vitro desprovisto...
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo forma parte de los programas de investigación ECHO, TOP, TOP-PUNT, VICI y VIDI con los números de proyecto 723.014.003, 711.018.001, 700.26.121, 700.10.443 y 718.015.00, los cuales son financiados por el Consejo Holandés de Investigación (NWO). Este artículo ha contado con el apoyo de iNEXT-Discovery (proyecto número 871037).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Ammonium molibdate | Merck | 277908 | |
Ammonium-15N Chloride | Cortecnet | CN80P50 | |
Ampicillin | Sigma Aldrich | A9518 | |
AMUpol | Cortecnet | C010P005 | |
Benzonase | EMD Millipore Corp | 70746-3 | |
Boric acid | Merck | B6768 | |
bromophenol blue | Sigma | B0126 | |
calcium dichloride | Merck | 499609 | |
Choline chloride | Sigma | C-1879 | |
Cobalt chloride | Merck | 449776 | |
Copper sulphate | Merck | C1297 | |
D-Biotin | Merck | 8512090025 | |
Deuterium Oxide | Cortecnet | CD5251P1000 | |
Dimethyl sulfoxide | Merck | D9170 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma Aldrich | L6876 | |
Folic acid | Sigma | F-7876 | |
Glucose 13C + 2H | Cortecnet | CCD860P50 | |
Glycerol | Honeywell | G7757 | |
Glycerol (12C3, 99.95% D8, 98%) | Eurisotope | CDLM-8660-PK | |
glycerol (non-enriched) | Honeywell | G7757-1L | |
Glycine | Sigma Aldrich | 50046 | |
Guanidine hydrochloride | Roth Carl | NR.0037.1 | |
Iron sulphate | Merck | 307718 | |
isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside | Thermofisher | R0392 | |
Lysogeny Broth | Merck | L3022 | |
Lysozyme | Sigma Aldrich | L6876 | |
Magnesium chloride - hexahydrate | Fluka | 63064 | |
magnesium sulphate | Merck | M5921 | |
monopotassium phosphate | Merck | 1051080050 | |
Myoinositol | Sigma | I-5125 | |
n-Dodecyl-B-D-maltoside | Acros Organics | 3293702509 | |
N,N-Dimethyldodecylamine N-oxide | Merck | 40236 | |
Nicatinamide | Sigma | N-3376 | |
Panthotenic acid | Sigma | 21210-25G-F | |
protease inhibitor | Sigma | P8849 | |
Pyridoxal-HCl | Sigma Aldrich | P9130 | |
Riboflavin | Aldrich | R170-6 | |
Sodium Chloride | Merck | K51107104914 | |
Sodium dihydrogen phospahte - monohydrate | Sigma Aldrich | 1,06,34,61,000 | |
Sodium dodecyl sulfate | Thermo-scientific | 28365 | |
Sodium hydroxide | Merck | 1,06,49,81,000 | |
Sucrose | Sigma Life Science | S9378 | |
Thiamine-HCl | Merck | 5871 | |
Tris-HCl | Sigma Aldrich | 10,70,89,76,001 | |
Zinc chloride | Merck | 208086 | |
E.coli BL21 DE3* | New England Biolabs | C2527 | |
1.5 mL Ultra-tubes | Beckman Coulter | 357448 | |
30 kDa centrifugal filter | Amicon | UFC903024 | |
3.2 mm sapphire DNP rotor with caps | Cortecnet | H13861 | |
3.2 mm teflon insert | Cortecnet | B6628 | |
3.2 mm sample packer/unpacker | Cortecnet | B6988 | |
3.2 mm Regular Wall MAS Rotor | Cortecnet | HZ16913 | |
3.2 mm Regular Wall MAS rotor | Cortecnet | HZ09244 | |
Tool Kit for 3.2 mm Thin Wall rotor | Cortecnet | B136904 | |
1.3 mm MAS rotor + caps | Cortecnet | HZ14752 | |
1.3 mm filling tool | Cortecnet | HZ14714 | |
1.3 mm sample packer | Cortecnet | HZ14716 | |
1.3 mm cap remover | Cortecnet | HZ14706 | |
1.3 mm cap set tool | Cortecnet | HZ14744 | |
Dialysis tubing 12-14 kDa | Spectra/Por | 132703 | |
Sharpie - Black | Merck | HS15094 |
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