Nuclear hourglass technique: An approach that detects electrically open nuclear pores in Xenopus laevis oocyte

Nuclear pore complexes (NPCs) mediate both active transport and passive diffusion across the nuclear envelope (NE). Determination of NE electrical conductance, however, has been confounded by the lack of an appropriate technical approach. The nuclear patch clamp technique is restricted to preparations with electrically closed NPCs, and microelectrode techniques fail to resolve the extremely low input resistance of large oocyte nuclei. To address the problem, we have developed an approach for measuring the NE electrical conductance of Xenopus laevis oocyte nuclei. The method uses a tapered glass tube, which narrows in its middle part to 2/3 of the diameter of the nucleus. The isolated nucleus is sucked into the narrow part of the capillary by gentle fluid movement, while the resulting change in electrical resistance is monitored. NE electrical conductance was unexpectedly large (7.9 ± 0.34 S/cm2). Evaluation of NPC density by atomic force microscopy showed that this conductance corresponded to 3.7 × 106 NPCs. In contrast to earlier conclusions drawn from nuclear patch clamp experiments, NPCs were in an electrically “open” state with a mean single NPC electrical conductance of 1.7 ± 0.07 nS. Enabling or blocking of active NPC transport (accomplished by the addition of cytosolic extracts or gp62-directed antibodies) revealed this large NPC conductance to be independent of the activation state of the transport machinery located in the center of NPCs. We conclude that peripheral channels, which are presumed to reside in the NPC subunits, establish a high ionic permeability that is virtually independent of the active protein transport mechanism.

The vacuolating toxin from Helicobacter pylori forms hexameric pores in lipid bilayers at low pH

Pathogenic strains of Helicobacter pylori secrete a cytotoxin, VacA, that in the presence of weak bases, causes osmotic swelling of acidic intracellular compartments enriched in markers for late endosomes and lysosomes. The molecular mechanisms by which VacA causes this vacuolation remain largely unknown. At neutral pH, VacA is predominantly a water-soluble dodecamer formed by two apposing hexamers. In this report, we show by using atomic force microscopy that below pH ≈5, VacA associates with anionic lipid bilayers to form hexameric membrane-associated complexes. We propose that water-soluble dodecameric VacA proteins disassemble at low pH and reassemble into membrane-spanning hexamers. The surface contour of the membrane-bound hexamer is strikingly similar to the outer surface of the soluble dodecamer, suggesting that the VacA surface in contact with the membrane is buried within the dodecamer before protonation. In addition, electrophysiological measurements indicate that, under the conditions determined by atomic force microscopy for membrane association, VacA forms pores across planar lipid bilayers. This low pH-triggered pore formation is likely a critical step in VacA activity.

Unbinding forces of single antibody-antigen complexes correlate with their thermal dissociation rates

Point mutants of three unrelated antifluorescein antibodies were constructed to obtain nine different single-chain Fv fragments, whose on-rates, off-rates, and equilibrium binding affinities were determined in solution. Additionally, activation energies for unbinding were estimated from the temperature dependence of the off-rate in solution. Loading rate-dependent unbinding forces were determined for single molecules by atomic force microscopy, which extrapolated at zero force to a value close to the off-rate measured in solution, without any indication for multiple transition states. The measured unbinding forces of all nine mutants correlated well with the off-rate in solution, but not with the temperature dependence of the reaction, indicating that the same transition state must be crossed in spontaneous and forced unbinding and that the unbinding path under load cannot be too different from the one at zero force. The distance of the transition state from the ground state along the unbinding pathway is directly proportional to the barrier height, regardless of the details of the binding site, which most likely reflects the elasticity of the protein in the unbinding process. Atomic force microscopy thus can be a valuable tool for the characterization of solution properties of protein-ligand systems at the single molecule level, predicting relative off-rates, potentially of great value for combinatorial chemistry and biology.

Forced unfolding modulated by disulfide bonds in the Ig domains of a cell adhesion molecule

Cell adhesion molecules (CAMs) mediate cell attachment and stress transfer through extracellular domains. Here we forcibly unfold the Ig domains of a prototypical Ig superfamily CAM that contains intradomain disulfide bonds. The Ig domains of all such CAMs have conformations homologous to cadherin extracellular domains, titin Ig-type domains, and fibronectin type-III (FNIII) domains. Atomic force microscopy has been used to extend the five Ig domains of Mel-CAM (melanoma CAM)—a protein that is overexpressed in metastatic melanomas—under conditions where the disulfide bonds were either left intact or disrupted through reduction. Under physiological conditions where intradomain disulfide bonds are intact, partial unfolding was observed at forces far smaller than those reported previously for either titin's Ig-type domains or tenascin's FNIII domains. This partial unfolding under low force may be an important mechanism for imparting elasticity to cell–cell contacts, as well as a regulatory mechanism for adhesive interactions. Under reducing conditions, Mel-CAM's Ig domains were found to fully unfold through a partially folded state and at slightly higher forces. The results suggest that, in divergent evolution of all such domains, stabilization imparted by disulfide bonds relaxes requirements for strong, noncovalent, folded-state interactions.

Mechanical behavior in living cells consistent with the tensegrity model

Alternative models of cell mechanics depict the living cell as a simple mechanical continuum, porous filament gel, tensed cortical membrane, or tensegrity network that maintains a stabilizing prestress through incorporation of discrete structural elements that bear compression. Real-time microscopic analysis of cells containing GFP-labeled microtubules and associated mitochondria revealed that living cells behave like discrete structures composed of an interconnected network of actin microfilaments and microtubules when mechanical stresses are applied to cell surface integrin receptors. Quantitation of cell tractional forces and cellular prestress by using traction force microscopy confirmed that microtubules bear compression and are responsible for a significant portion of the cytoskeletal prestress that determines cell shape stability under conditions in which myosin light chain phosphorylation and intracellular calcium remained unchanged. Quantitative measurements of both static and dynamic mechanical behaviors in cells also were consistent with specific a priori predictions of the tensegrity model. These findings suggest that tensegrity represents a unified model of cell mechanics that may help to explain how mechanical behaviors emerge through collective interactions among different cytoskeletal filaments and extracellular adhesions in living cells.

Condensation by DNA looping facilitates transfer of large DNA molecules into mammalian cells

Experimental studies of complete mammalian genes and other genetic domains are impeded by the difficulty of introducing large DNA molecules into cells in culture. Previously we have shown that GST–Z2, a protein that contains three zinc fingers and a proline-rich multimerization domain from the polydactyl zinc finger protein RIP60 fused to glutathione S-transferase (GST), mediates DNA binding and looping in vitro. Atomic force microscopy showed that GST–Z2 is able to condense 130–150 kb bacterial artificial chromosomes (BACs) into protein–DNA complexes containing multiple DNA loops. Condensation of the DNA loops onto the Z2 protein–BAC DNA core complexes with cationic lipid resulted in particles that were readily transferred into multiple cell types in culture. Transfer of total genomic linear DNA containing amplified DHFR genes into DHFR– cells by GST–Z2 resulted in a 10-fold higher transformation rate than calcium phosphate co-precipitation. Chinese hamster ovarian cells transfected with a BAC containing the human TP53 gene locus expressed p53, showing native promoter elements are active after GST–Z2-mediated gene transfer. Because DNA condensation by GST–Z2 does not require the introduction of specific recognition sequences into the DNA substrate, condensation by the Z2 domain of RIP60 may be used in conjunction with a variety of other agents to provide a flexible and efficient non-viral platform for the delivery of large genes into mammalian cells.

The architecture of the human Rad54–DNA complex provides evidence for protein translocation along DNA

Proper maintenance and duplication of the genome require accurate recombination between homologous DNA molecules. In eukaryotic cells, the Rad51 protein mediates pairing between homologous DNA molecules. This reaction is assisted by the Rad54 protein. To gain insight into how Rad54 functions, we studied the interaction of the human Rad54 (hRad54) protein with double-stranded DNA. We have recently shown that binding of hRad54 to DNA induces a change in DNA topology. To determine whether this change was caused by a protein-constrained change in twist, a protein-constrained change in writhe, or the introduction of unconstrained plectonemic supercoils, we investigated the hRad54–DNA complex by scanning force microscopy. The architecture of the observed complexes suggests that movement of the hRad54 protein complex along the DNA helix generates unconstrained plectonemic supercoils. We discuss how hRad54-induced superhelical stress in the target DNA may function to facilitate homologous DNA pairing by the hRad51 protein directly. In addition, the induction of supercoiling by hRad54 could stimulate recombination indirectly by displacing histones and/or other proteins packaging the DNA into chromatin. This function of DNA translocating motors might be of general importance in chromatin metabolism.

Sequence-specific recognition of cytosine C5 and adenine N6 DNA methyltransferases requires different deformations of DNA.

DNA methyltransferases modify specific cytosines and adenines within 2-6 bp recognition sequences. We used scanning force microscopy and gel shift analysis to show that M.HhaI, a cytosine C-5 DNA methyltransferase, causes only a 2 degree bend upon binding its recognition site. Our results are consistent with prior crystallographic analysis showing that the enzyme stabilizes an extrahelical base while leaving the DNA duplex otherwise unperturbed. In contrast, similar analysis of M.EcoRI, an adenine N6 DNA methyltransferase, shows an average bend angle of approximately 52 degrees. This distortion of DNA conformation by M.EcoRI is shown to be important for sequence-specific binding.

Mapping leaf surface landscapes.

Leaf surfaces provide the ecologically relevant landscapes to those organisms that encounter or colonize the leaf surface. Leaf surface topography directly affects microhabitat availability for colonizing microbes, microhabitat quality and acceptability for insects, and the efficacy of agricultural spray applications. Prior detailed mechanistic studies that examined particular fungi-plant and pollinator-plant interactions have demonstrated the importance of plant surface topography or roughness in determining the outcome of the interactions. Until now, however, it has not been possible to measure accurately the topography--i.e., the three-dimensional structure--of such leaf surfaces or to record precise changes in patterns of leaf surface elevation over time. Using contact mode atomic force microscopy, we measured three-dimensional coordinates of upper leaf surfaces of Vaccinium macrocarpon (cranberry), a perennial plant, on leaves of two age classes. We then produced topographic maps of these leaf surfaces, which revealed striking differences between age classes of leaves: old leaves have much rougher surfaces than those of young leaves. Atomic force microscope measurements were analyzed by lag (1) autocorrelation estimates of leaf surfaces by age class. We suggest that the changes in topography result from removal of epicuticular lipids and that the changes in leaf surface topography influence phylloplane ecology. Visualizing and mapping leaf surfaces permit detailed investigations into leaf surface-mediated phenomena, improving our understanding of phylloplane interactions.

DNA loops induced by cooperative binding of transcriptional activator proteins and preinitiation complexes.

DNA conformational changes are essential for the assembly of multiprotein complexes that contact several DNA sequence elements. An approach based on atomic force microscopy was chosen to visualize specific protein-DNA interactions occurring on eukaryotic class II nuclear gene promoters. Here we report that binding of the transcription regulatory protein Jun to linearized plasmid DNA containing the consensus AP-1 binding site upstream of a class II gene promoter leads to bending of the DNA template. This binding of Jun was found to be essential for the formation of preinitiation complexes (PICs). The cooperative binding of Jun and PIC led to looping of DNA at the protein binding sites. These loops were not seen in the absence of either PICs, Jun, or the AP-1 binding site, suggesting a direct interaction between DNA-bound Jun homodimers and proteins bound to the core promoter. This direct visualization of functional transcriptional complexes confirms the theoretical predictions for the mode of gene regulation by trans-activating proteins.

High-affinity binding sites for histone H1 in plasmid DNA.

The interaction of histone H1 isolated from chicken erythrocytes with restriction fragments from plasmids pBR322 and pUC19 was studied by gel electrophoresis. Certain restriction fragments exhibited unusually high affinity for the histone, forming high molecular mass complexes at protein to DNA ratios at which the other fragments did not show evidence for binding. The highly preferred fragments are intrinsically curved, as judged by their electrophoretic mobility in polyacrylamide gels, by computer modeling, and by imaging with scanning force microscopy. However, control experiments with either curved portions of the same fragments or highly curved kinetoplast DNA fragments showed that the presence of curvature alone was not sufficient for preferential binding. By using various restriction fragments centered around the highly preferred sequence, it was found that the high-affinity binding required in addition the presence of specific sequences on both sides of the region of curvature. Thus, both curvature and the presence of specific sites seem to be required to generate high affinity.

Biochemical characterization and DNA binding properties of the MocR family member GabR, a PLP-dependent transcription factor

GabR è un fattore di trascrizione chimerico appartenente alla famiglia dei MocR/GabR, costituito da un dominio N-terminale elica-giro-elica di legame al DNA e un dominio effettore e/o di oligomerizzazione al C-terminale. I due domini sono connessi da un linker flessibile di 29 aminoacidi. Il dominio C-terminale è strutturalmente omologo agli enzimi aminotransferasici fold-type I, i quali, utilizzando il piridossal-5’-fosfato (PLP) come cofattore, sono direttamente coinvolti nel metabolismo degli aminoacidi. L’interazione contemporanea di PLP e acido γ-aminobutirrico (GABA) a GabR fa sì che questa promuova la trascrizione di due geni, gabT e gabD, implicati nel metabolismo del GABA. GabR cristallizza come un omodimero con una configurazione testa-coda. Il legame con la regione promotrice gabTD avviene attraverso il riconoscimento specifico di due sequenze dirette e ripetute (ATACCA), separate da uno spacer di 34 bp. In questo studio sono state indagate le proprietà biochimiche, strutturali e di legame al DNA della proteina GabR di Bacillus subtilis. L’analisi spettroscopica dimostra che GabR interagisce con il PLP formando l’aldimina interna, mentre in presenza di GABA si ottiene l’aldimina esterna. L’interazione fra il promotore gabTD e le forme holo e apo di GabR è stata monitorata mediante Microscopia a Forza atomica (AFM). In queste due condizioni di legame è stata stimata una Kd di circa 40 ηM. La presenza di GABA invece, determinava un incremento di circa due volte della Kd, variazioni strutturali nei complessi GabR-DNA e una riduzione del compattamento del DNA alla proteina, indipendentemente dalla sequenza del promotore in esame. Al fine di valutare il ruolo delle caratteristiche topologiche del promotore, sono state inserite cinque e dieci bp all’interno della regione spacer che separa le due sequenze ripetute dirette riconosciute da GabR. I significativi cambiamenti topologici riscontrati nel frammento aggiunto di cinque bp si riflettono anche sulla forte riduzione dell’affinità di legame verso la proteina. Al contrario, l’inserzione di 10 bp provoca solamente l’allontanamento delle sequenze ripetute dirette. L’assenza quindi di cambiamenti significativi nella topologia di questo promotore fa sì che l’affinità di legame per GabR rimanga pressoché inalterata rispetto al promotore non mutato. L’analisi del potenziale elettrostatico superficiale di GabR mostra la presenza di una fascia carica positivamente che si estende lungo un’intera faccia della proteina. Per verificare l’importanza di questa caratteristica di GabR nel meccanismo di interazione al DNA, sono stati preparati ed indagati i mutanti R129Q e K362-366Q, in cui la carica positiva superficiale risultava indebolita. L’affinità di legame dei mutanti di GabR per il DNA era inferiore rispetto alla proteina non mutata, in particolar modo nel mutante K362-366Q. Le evidenze acquisite suggeriscono che la curvatura intrinseca del promotore ed il corretto orientamento delle sequenze sulla doppia elica, più della distanza che le separa, siano critici per sostenere l’interazione con GabR. Oltre a questo, la superficie positiva di GabR è richiesta per accomodare la curvatura del DNA sul corpo della proteina. Alla luce di questo, l’interazione GabR-gabTD è un esempio di come il riconoscimento specifico di sequenze, la topologia del DNA e le caratteristiche strutturali della proteina siano contemporaneamente necessarie per sostenere un’interazione proteina-DNA stabile.

Propriedades superficiais de filmes à base de gelatina

O objetivo do presente trabalho foi caracterizar as propriedades superficiais de filmes à base de gelatina. Para o qual foram elaborados filmes de: (i) Gelatina plastificado com glicerol (G) (gelatina: 5 g/100 g SFF; glicerol: 30 g/100 g de gelatina), (ii) Gelatina reforçado com montmorilhonita (G/MMT) (gelatina: 5 g/100 g SFF; glicerol: 30 g/100 g de gelatina; MMT: 5 g/100 g de gelatina) e Gelatina plastificado com citrato de acetiltributila (G/ATB) (gelatina: 5 g/100 g SFF; ATB: 50 g/100 de gelatina; lecitina de soja: 60 g/100 g de ATB; etanol: 20 g/100 g SFF). Os filmes foram produzidos mediante o uso de um aplicador automático de filmes \"Spreading\". Logo, os filmes foram submetidos a testes para determinação da espessura, umidade e propriedades óticas (brilho, cor e opacidade). Também foi caracterizada a microestrutura por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM); às imagens obtidas por MEV foi aplicado um analise de imagem mediante o programa Image J, para obter o valor da dimensão fractal (DF). Depois foram caracterizadas as propriedades superficiais de ângulo de contato (AC), molhabilidade ou coeficiente de espalhamento (Se), e energia livre superficial (ELS) mediante a medida do ângulo de contato pelo método da gota séssil (água: 5 µL e 1-Bromonaftaleno: 3 µL). Para o cálculo da ELS também foi aplicado o método de Owens-Wendt. Estas caracterizações foram feitas em ambos os lados do filme, lado ar e lado placa. A natureza do filme de G/ATB influenciou na umidade e as propriedades óticas, enquanto que os filmes de G e G/MMT apresentaram características similares. Em relação à microestrutura e rugosidade, o filme de G apresentou a superfície mais homogênea e lisa, contrario ao observado no filme de G/MMT, que apresentou a maior rugosidade seguida do filme de G/ATB. Foi observado que houve uma relação entre os valores de rugosidade e DF. De acordo com o valor do AC, os filmes apresentaram um caráter hidrofóbico, pois seus valores foram superiores a 65° (em ambos os lados dos filmes), na seguinte ordem: G/MMT > G > G/ATB; sendo que o Se seguiu a mesma tendência. Cabe mencionar também que não foi encontrada uma correlação significativa entre os valores de AC e rugosidade. Em função dos valores de AC, Se e ELS (especificamente a componente polar), o filme de G/ATB apresentou o menor caráter hidrofóbico, pois apresentou menores valores de AC e maiores valores de Se em comparação com os outros dois filmes. Os valores da componente polar da G/ATB foram os maiores, explicando de melhor maneira o caráter menos hidrofóbico deste filme. Pode-se concluir que os filmes à base de gelatina elaborados no presente trabalho têm propriedades hidrofóbicas (AC>65°), sendo a G/MMT o filme com melhores características hidrofóbicas.

Nanopartículas lipídicas sólidas e vesículas cataniônicas contendo ftalocianina de cloro alumínio aplicadas nos processos fotodinâmicos

O trabalho apresentado foi realizado em duas etapas independentes e baseou-se no estudo de diferentes sistemas nanométricos para viabilizar a aplicação da ftalocianina de cloro alumínio (ClAlPc) na terapia fotodinâmica (TFD) para o tratamento do câncer de pele do tipo melanoma. O fármaco fotossensibilizante (FS) utilizado apresenta propriedades físico-químicas que lhe permitem exercer sua atividade fotodinâmica com excelência, sem a interferência do cromóforo endógeno melanina existente nas células melanocíticas. Para driblar sua elevada hidrofobicidade, ClAlPc foi encapsulada em sistemas nanométricos para administração em meio fisiológico. Inicialmente nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) foram desenvolvidas por emulsificação direta, após um estudo de elaboração do diagrama de fases. O compritol foi o lipídio sólido escolhido para compor as NLS, com diferentes concentrações de ClAlPc. Todas as formulações desenvolvidas foram devidamente caracterizadas, com tamanho médio entre 100 e 200 nm, baixa polidispersão, potencial zeta adequadamente negativo (~|30| mV), drug loading de ClAlPc entre 76-94% (com pequena redução após 24 meses) e alta eficiência de encapsulação (E.E.). A morfologia arredondada das nanopartículas foi confirmada por microscopia eletrônica de transmissão e de força atômica. A estabilidade das NLS foi de 24 meses. A avaliação da cristalinidade do lipídio revelou a integração da ClAlPc à matriz lipídica da NLS, presença de estruturas polimórficas e grau de cristalinidade adequado, sem alterações após 24 meses. Nos estudos de difusão in vitro, observou-se que ftalocianina encapsulada nas NLS acumulam-se preferencialmente na epiderme e derme do que no estrato córneo, sem traços de permeação do ativo. Foi confirmado o caráter biocompatível das NLS sobre fibroblastos NIH-3T3. A ftalocianina encapsulada nas NLS não foi tóxica na linhagem de melanoma B16-F10 na ausência de luz, porém, apresentou excelente efeito fototóxico (0,75 ?g mL-1 de ClAlPc nanoencapsulada e irradiação entre 0,5 e 2,0 J cm-2), com redução da viabilidade celular de 87%. O segundo sistema de veiculação estudado foram as vesículas cataniônicas (VesCat), que se formam espontaneamente em água com o tensoativo TriCat 12. A obtenção das vesículas contendo ClAlPc envolve uma etapa adicional, para remoção de solvente orgânico, que foi aprimorada, reduzindo o tempo de produção em 55%. As VesCat/ClAlPc obtidas mantiveram suas propriedades físico-químicas e morfologia arredondada (confirmada por microscopia eletrônica de varredura), drug loading de 47% e alta E.E. Os resultados comprovaram que a aplicação desses dois sistemas nanométricos é altamente eficiente para aplicação da TFD no tratamento do câncer de pele do tipo melanoma ou outras doenças cutâneas, apresentando características favoráveis para avanços nos estudos de fase clínica e pré-clínica.

Polímeros condutores aplicados a sistemas-modelo de liberação controlada eletroquimicamente de drogas

Este trabalho descreve a síntese, caracterização e aplicação de sistemas poliméricos baseados em polímeros condutores em sistemas de liberação controlada de drogas. Esta tese pode ser dividida em duas partes: na primeira se apresentam os resultados da aplicação de filmes de polianilina e polipirrol na liberação de drogasmodelo como a dopamina protonada e o ácido salicílico. Na liberação de salicilato utilizou-se um filme polianilina eletrosintetizado e dopado com íons cloreto. Já para a liberação de dopamina protonada (um cátion) a liberação foi conduzida a partir de um sistema bicamadas, com um filme de polianilina recoberta com uma camada de Náfion. É mostrada a liberação controlada nos dois casos, porém também se discutem limitaçãoes deste tipo de sistema que levaram ao estudo de uma forma alternativa de controle eletroquímico utilizando polímeros condutores. A segunda parte do trabalho mostra então esta nova metodologia que se baseia em compósitos de poianilina eletropolimerizada no interior de hidrogéis de poliacrilamida. É mostrado que este novo material é eletroativo e mantém as características de intumescimento dos hidrogéis, tanto necessárias ao desenvolvimento destes sistemas de liberação controlada. Mecanismos para o crescimento e distribuição da polianilina na matriz isolante e para a atuação do compósito no controle eletroquímico da liberação são propostos com base nos dados de microscopia de força atômica, Raman e eletrônica de varredura, além de testes de liberação controlada com moléculas de diferentes cargas.