Flesh out apparatus chapter.
authorW. Trevor King <wking@tremily.us>
Mon, 25 Jun 2012 23:28:48 +0000 (19:28 -0400)
committerW. Trevor King <wking@tremily.us>
Mon, 25 Jun 2012 23:29:04 +0000 (19:29 -0400)
Move I27 figure in from cantilever/methods, because we introduce I27
in the polymer-synthesis section.

Additions:
* Discussion of the piezo portion of an AFM.
* Discuss history of force spectroscopy.
* Add entire text of polymer synthesis and sample preparation sections.
* Lots of little things.

src/apparatus/afm.tex
src/apparatus/main.bib
src/apparatus/main.tex
src/apparatus/polymer-synthesis.tex
src/apparatus/procedure.tex
src/apparatus/sample-preparation.tex
src/cantilever/methods.tex

index 65b358e3b9834a634702cff6dfb4a9240992a661..ef6babbd1895942d933ac3edddc9691ad29ec73c 100644 (file)
@@ -6,14 +6,16 @@ Of the mechanical manipulation methods listed in
 availability of user-friendly commercial instruments.  AFM has been
 employed on several types of biological macromolecules, mechanically
 unfolding proteins\citep{carrion-vazquez99a} and forcing structural
-transitions in DNA\citep{rief99} and polysaccharides\citep{rief97a}.
+transitions in DNA\citep{florin95,rief99} and
+polysaccharides\citep{rief97a}.
 
 An AFM\index{AFM} uses a sharp tip integrated at the end of a
 cantilever to interact with the sample.  Cantilever bending is
 measured by a laser reflected off the cantilever and incident on a
 position sensitive photodetector (\cref{fig:afm-schematic}).  When the
 bending force constant of the cantilever is known\citep{levy02}, the
-force applied to the sample can be calculated.
+force applied to the sample can be calculated using Hooke's law
+(\cref{eq:sawsim:hooke}).
 
 \begin{figure}
   \asyinclude{figures/schematic/afm}%
@@ -24,6 +26,29 @@ force applied to the sample can be calculated.
     position sensitive photodetector.\label{fig:afm-schematic}}
 \end{figure}
 
+The substrate is mounted on a three dimensional piezoelectric actuator
+so that the tip may be positioned on the surface with sub-nanometer
+resolution (although signal drift and piezo hysteresis can cause
+larger errors in the positioning accuracy).  Our tubular piezo has a
+range of TODO in the horizontal directions and a range of TODO in the
+vertical (\cref{fig:piezo-schematic}).
+
+\begin{figure}
+  \asyinclude{figures/schematic/piezo}%
+  \caption{Schematic of a tubular piezoelectric actuator.  In our AFM,
+    the substrate is mounted on the top end of the tube, and the
+    bottom end is fixed to the microscope body.  This allows the piezo
+    to control the relative position between the substrate and the AFM
+    cantilever.  The electrodes are placed so radial electric fields
+    can be easily generated.  These radial fields will cause the piezo
+    to expand or contract axially.  The $z$ voltage causes the tube to
+    expand and contract uniformly in the axial direction.  The $x$ and
+    $y$ voltages cause expansion on one side of the tube, and
+    contraction (because of the reversed polarity) on the other side
+    of the tube.  This tilts the tube, shifting the sample
+    horizontally.\label{fig:piezo-schematic}}
+\end{figure}
+
 % really, AFM can do this ;)
 The forces that can be applied and measured with an AFM range from
 tens of piconewtons to hundreds of nanonewtons.  The investigation of
index d91d6488467ce10c48f40e87670253c6457af3b6..4ec8e72bab0c79d82c6ae9c7e99c6bb4bd3dbc8d 100644 (file)
   year = 2012,
   url = "http://www.athenaes.com/I27OAFMReferenceProtein.php",
 }
+
+@misc{ agilent-sure2,
+  author = "{Agilent Technologies}",
+  title = "SURE 2 Supercompetent Cells",
+  year = 2012,
+  url = "http://www.chem.agilent.com/en-US/Search/Library/_layouts/Agilent/PublicationSummary.aspx?whid=72739&liid=6524"
+  % http://www.genomics.agilent.com/CollectionSubpage.aspx?PageType=Product&SubPageType=ProductDetail&PageID=663
+  note = "Catalog #200152.",
+}
index 8f7107363ff6083abdfc421eb2a940e669921bc5..a54b74ea5c854bd6822dd65700816cec2bd3839b 100644 (file)
@@ -8,8 +8,8 @@ outline the procedure for synthesizing protein chains
 (\cref{sec:polymer-synthesis}).  With the groundwork out of the way,
 we will look at sample preparation (\cref{sec:sample-preparation}) and
 the velocity clamp force spectroscopy procedure
-(\cref{sec:procedure}).  Finally, we will give an executive summary of
-cantilever calibration (\cref{sec:cantilever-calib:intro}).
+(\cref{sec:procedure}).  Finally, we will give a summary of cantilever
+calibration (\cref{sec:cantilever-calib:intro}).
 
 Everything discussed in this chapter, with the possible exception of
 cantilever calibration, is fairly standard practice in the field of
index d8276fb22a248dafeb0cdafbd555988268deacc7..6a4992a6ad158997c7684bd315bbe75e2b3d9e71 100644 (file)
@@ -1,4 +1,130 @@
 \section{Protein Polymer Synthesis}
 \label{sec:polymer-synthesis}
 
-TODO.
+Early experiments in force spectroscopy involved native
+titin\index{titin}\citep{rief97a}.  Titin is a muscle protein involved
+in passive elasticity (\cref{fig:skeletal-muscle}), so it is an ideal
+subject when examining the effect of mechanical force\citep{labeit95}.
+Titin is also interesting because, while it is one of the largest
+known proteins, it is composed of a series of globular domains.  When
+\citet{rief97a} carried out their seminal unfolding experiment, the
+observed a very charachteristic sawtooth as the domains unfolded (see
+\cref{sec:procedure} for a discussion of these sawteeth).
+
+\begin{figure}
+  \includegraphics[width=0.7\textwidth]{figures/binary/skeletal_muscle}%
+  \caption{Biological role of titin\index{titin}.  Moving clockwise
+    from the upper left you can see a bone/muscle group, a muscle
+    fiber, a myofibril, and a sarcomere.  In the sarcomere, the white,
+    knobbly filaments are actin.  The myosin bundles are blue, and the
+    titin linkers are red.  When the muscle contracts, the myosin
+    heads walk up the actin filiaments, shortening the sarcomere.
+    When the muscle relaxes, the myosin heads release the actin
+    filimants and slide back, lengthening the sarcomere.  Titin
+    functions as an entropic spring that keeps the myosin from falling
+    out of place during the passive, relaxed stage.  This figure is
+    adapted from \citet{skeletal_muscle}.\label{fig:skeletal-muscle}}
+\end{figure}
+
+Unfortunately, it is difficult to analyze the unfolding of native
+titin, because the heterogenous globular domains make it hard to
+attribute a particular subdomain to a partuclar unfolding event.
+Unfolding a single domain is not feasable because the large radius of
+curvature of an AFM tip ($\sim20\U{nm}$\citep{olympus-tr400psa})
+dwarfs the radius of a globular domain
+($\sim2\U{nm}$\citep{improta96}).  When such a large tip is so close
+to the substrate, van der Waals forces and non-specific binding with
+the surface dominate the tip-surface interaction.  In order to
+increase the tip-surface distance while preserving single molecule
+analysis, \citet{carrion-vazquez99b} synthesized a protein composed of
+eight repeats of immunoglobulin-like domain 27 (I27), one of the
+globular domains from native titin (\cref{fig:I27}).  Octameric I27
+produced using their procedure is now available
+commercially\citep{athenaes-i27o}.
+\nomenclature{I27}{Titin immunoglobulin-like 27}
+
+\begin{figure}
+  \includegraphics[width=2in]{figures/i27/1TIT}
+  \caption{I27, the immunoglobulin-like domain 27 from human titin
+    (\href{http://dx.doi.org/10.2210/pdb1tit/pdb}{PDB ID: 1TIT})%
+    \citep{improta96}.
+    Figure generated with \citetalias{pymol}.
+    \label{fig:I27}}
+\end{figure}
+
+Synthetic proteins are generally produced by creating a plasmid coding
+for the target protein, inserting the plasmid in a bacteria, waiting
+while the bacteria produce your protein, and then purifying your
+proteins from the resulting culture.  In this case,
+\citet{carrion-vazquez99b} extracted messenger RNA coding for titin
+from human cardiac tissue\cite{rief97a}, and used reverse
+transcriptase to generate a complementary DNA (cDNA) library from
+human cardiac muscle messenger RNA.  This cDNA is then amplified using
+the polymerase chain reaction (PCR), with special primers that allow
+you to splice the resulting cDNA into a plasmid (which ends up with
+one I27).  Then they ran another PCR on the plasmid, linearized the
+plasmid with two restriction enzymes, and grafted two I27-containing
+sections together to form a new plasmid (now with two I27s,
+\cref{fig:plasmid}).  Another PCR-split-join cycle produced a plasmid
+with four I27s, and a final cycle produced a plasmid with eight.  The
+eventual plasmid vector has the eight I27s and a host-specific
+promoter that causes the bacteria to produce large quantities of I27.
+The exact structure of the generated octamer
+is\citep{carrion-vazquez99b}
+\nomenclature{cDNA}{Complementary DNA}
+\nomenclature{PCR}{Polymerase chain reaction}
+
+\begin{center}
+  Met-Arg-Gly-Ser-(His)$_6$-Gly-Ser-(I27-Arg-Ser)$_7$-I27-\ldots-Cys-Cys
+  \label{eq:I27}
+\end{center}
+
+\begin{figure}
+  \includegraphics[width=0.9\textwidth]{figures/binary/kempe85-fig2}%
+  \caption{Example of gene duplication via plasmid splicing (Figure~2
+    from \citet{kempe85}).  \citet{kempe85} use a different gene, but
+    some of the restriction enzymes are shared with
+    \citet{carrion-vazquez99b}.  The overall approach is
+    identical.\label{fig:plasmid}}
+\end{figure}
+
+The plasmid is then transformed into the host, usually
+\species{Escherichia coli}\citep{carrion-vazquez99b,bartels03,ma10} or
+a proprietary equivalent such as Agilent's SURE 2 Supercompetent
+Cells\citep{agilent-sure2,carrion-vazquez00}.  The infected cells are
+cultured to express the protein.
+\nomenclature{Bacterial transformation}{The process by which bacterial
+  cells take up exogenous DNA molecules}
+\nomenclature{Exogenous DNA}{DNA that is outside of a cell}
+
+The octamer is then purified from the culture using immobilized metal
+ion affinity chromatography (IMAC), where the His-tagged end of the
+octamer covalently bonds to a metal ion that is bound to the column
+media (e.g. Ni-NTA\index{Ni-NTA} coated
+beads)\cite{carrion-vazquez00,bartels03,ma10}.  Once the rest of the
+broth has been washed out of the chromatography column, the octamer is
+eluted via either another molecule which competes for the metal
+ions\citep{ma10} or by changing the pH so the octamer is less
+attracted to the metal ion.
+\nomenclature{IMAC}{Immobilized metal ion affinity chromatography}
+\nomenclature{Ni-NTA}{Nickle nitrilotriacetic acid}
+
+\nomenclature{Ala}{Alanine, an amino acid}
+\nomenclature{Arg}{Arginine, an amino acid}
+\nomenclature{Asn}{Asparagine, an amino acid}
+\nomenclature{Asp}{Aspartic acid, an amino acid}
+\nomenclature{Cys}{Cystine, an amino acid}
+\nomenclature{Glu}{Glutamine, an amino acid}
+\nomenclature{Gly}{Glycine, an amino acid}
+\nomenclature{His}{Histidine, an amino acid}
+\nomenclature{Ile}{Isoleucine, an amino acid}
+\nomenclature{Leu}{Leucine, an amino acid}
+\nomenclature{Lys}{Lysine, an amino acid}
+\nomenclature{Met}{Methionine, an amino acid}
+\nomenclature{Phe}{Phenylalanine, an amino acid}
+\nomenclature{Pro}{Proline, an amino acid}
+\nomenclature{Ser}{Serine, an amino acid}
+\nomenclature{Thr}{Threonine, an amino acid}
+\nomenclature{Trp}{Tryptophan, an amino acid}
+\nomenclature{Tyr}{Tyrosine, an amino acid}
+\nomenclature{Val}{Valine, an amino acid}
index e1927f36d9927c8322a65a23cc18285544bb1e03..adefad39a00c98c33eec22a03718dca4c7cfe3fc 100644 (file)
@@ -38,6 +38,7 @@ multi-domain test proteins.
   % \hspace{.25in}%
   \subfloat[][]{\asyinclude{figures/expt-sawtooth/expt-sawtooth}%
     \label{fig:expt-sawtooth}}
+  % Possibly use carrion-vazquez00 figure 2 to show scale of afm tip
   \caption{(a) Schematic of the experimental setup for mechanical
     unfolding of proteins using an AFM (not to scale).  An experiment
     starts with the tip in contact with the substrate surface, which
index 7b66dba33533abe21ef1ea96346b0f8faf09cdfe..064efcba50a532a8b72080c4f49a7b27e7821b2f 100644 (file)
@@ -1,3 +1,39 @@
 \section{Sample Preparation}
 \label{sec:sample-preparation}
 
+In mechanical unfolding experiments, one end of the protein is bound
+to a substrate and the other binds to the AFM tip.  This allows you to
+stretch the protein by increasing the tip-substrate distance using the
+piezo.  A common approach is to synthesize proteins with cystine
+residues on one end (\cref{eq:I27}) and allow the cystines to bind to
+a gold surface\citep{carrion-vazquez99b,carrion-vazquez00,ulman96}.
+
+We prepare gold-surfaces by sputtering gold onto freshly cleaved mica
+sheets in a vacuum.  The mica keeps the gold surface protected from
+contamination until it is needed.  In order to mount the gold on our
+AFM, we glue glass coverslips to the gold using a two part epoxy
+(TODO).  Instead of using mica to protect the gold surface, some labs
+evaporate the gold directly onto the coverslips immediately before
+running an experiment\citep{carrion-vazquez99b}.
+
+When it is time to deposit proteins on the surface, we peel a
+coverslip off the gold-coated mica, exposing the gold surface that had
+previously been attached to the mica.  We dispense $5\U{$\mu$L}$ of
+I27 solution ($65\U{g/$\mu$L}$) on the freshly-exposed gold, followed
+by $5\U{$\mu$L}$ of phosphate buffered saline (PBS).  We allow the
+protein to bind to the gold surface for 30 mintues and then load the
+coated coverslips into our AFM fluid cell. There are a number of
+similar PBS recipes in common
+use\citep{florin95,carrion-vazquez00,lo01,brockwell02}, but our PBS is
+diluted from 10x PBS stock composed of $1260\U{mM}$ NaCl, $72\U{mM}$
+\diNaHPO, and $30\U{mM}$ \NadiHPO\citep{chyan04}.
+\index{Phosphate buffered saline (PBS)}
+\nomenclature{PBS}{Phosphate buffered saline}
+
+As an alternative to binding proteins to gold, others have used
+EGTA\citep{kellermayer03},
+Ni-NTA\citep{schmidt02,itoh04,sakaki05,berkemeier11}, or silanized
+glass\citep{sundberg03,ma10}.  Some groups have also functionalized
+the cantilever tips, with Ni-NTA being the most
+popular\cite{schmitt00}.
+\nomenclature{EGTA}{Ethylene glycol tetraacetic acid}
index 83f100b340693e83892bb86fa87386d79483c286..fe8830f3a41d2ae0647daf40275d42ebe126cd4d 100644 (file)
@@ -15,15 +15,6 @@ intermediate state followed by Bell-model escape to the unfolded
 state\citep{marszalek99}, although there is not yet a consensus of
 the presense of the proposed intermediate\citep{TODO}.
 
-\begin{figure}
-  \includegraphics[width=2in]{figures/i27/1TIT}
-  \caption{I27, the immunoglobulin-like domain 27 from human Titin
-    (\href{http://dx.doi.org/10.2210/pdb1tit/pdb}{PDB ID: 1TIT})%
-    \citep{improta96}.
-    Figure generated with \citetalias{pymol}.
-    \label{fig:I27}}
-\end{figure}
-
 The I27 octamers were stored in a TODO buffer solution.
 
 Mechanical unfolding experiments were carried out on I27 octomers