We demonstrate that fused silica capillaries are suitable for single molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET) measurements at high pressure with an optical quality comparable to the measurement on microscope coverslips. Therefore, we optimized the imaging conditions in a standard square fused silica capillary with an adapted arrangement and evaluated the performance by imaging the focal volume, fluorescence correlation spectroscopy benchmarks, and FRET measurements. We demonstrate single molecule FRET measurements of cold shock protein A unfolding at a pressure up to 2000 bars and show that the unfolded state exhibits an expansion almost independent of pressure.

1.
X. S.
Xie
and
J. K.
Trautman
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
49
,
441
480
(
1998
).
2.
S. M.
Nie
and
R. N.
Zare
,
Annu. Rev. Biophys. Biomol.
26
,
567
596
(
1997
).
3.
H. P.
Lu
,
Science
282
(
5395
),
1877
1882
(
1999
).
4.
A. A.
Deniz
,
T. A.
Laurence
,
G. S.
Beligere
,
M.
Dahan
,
A. B.
Martin
,
D. S.
Chemla
,
P. E.
Dawson
,
P. G.
Schultz
, and
S.
Weiss
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
97
(
10
),
5179
5184
(
2000
).
5.
M.
Aznauryan
,
D.
Nettels
,
A.
Holla
,
H.
Hofmann
, and
B.
Schuler
,
J. Am. Chem. Soc.
135
(
38
),
14040
14043
(
2013
).
6.
B.
Schuler
,
E. A.
Lipman
, and
W. A.
Eaton
,
Nature
419
(
6908
),
743
747
(
2002
).
7.
H.
Frauenfelder
,
N. A.
Alberding
,
A.
Ansari
,
D.
Braunstein
,
B. R.
Cowen
,
M. K.
Hong
,
I. E. T.
Iben
,
J. B.
Johnson
,
S.
Luck
,
M. C.
Marden
,
J. R.
Mourant
,
P.
Ormos
,
L.
Reinisch
,
R.
Scholl
,
A.
Schulte
,
E.
Shyamsunder
,
L. B.
Sörensen
,
P. J.
Steinbach
,
A. H.
Xie
,
R. D.
Young
, and
K. T.
Yue
,
J. Phys. Chem.
94
(
3
),
1024
1037
(
1990
).
8.
K.
Heremans
and
L.
Smeller
,
Biochim. Biophys. Acta, Protein Struct. Mol. Enzymol.
1386
(
2
),
353
370
(
1998
).
9.
G.
Hummer
,
S.
Garde
,
A. E.
Garcia
,
M. E.
Paulaitis
, and
L. R.
Pratt
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
95
(
4
),
1552
1555
(
1998
).
10.
R.
Fourme
,
E.
Girard
,
R.
Kahn
,
A. C.
Dhaussy
, and
I.
Ascone
,
Annu. Rev. Biophys.
38
,
153
171
(
2009
).
11.
M. D.
Collins
,
C. U.
Kim
, and
S. M.
Gruner
,
Annu. Rev. Biophys.
40
(
40
),
81
98
(
2011
).
12.
J. L.
Silva
and
G.
Weber
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
44
,
89
113
(
1993
).
13.
P. W.
Bridgman
,
J. Biol. Chem.
19
,
511
512
(
1914
).
14.
M.
Gruebele
,
K.
Dave
, and
S.
Sukenik
,
Annu. Rev. Biophys.
45
,
233
251
(
2016
).
15.
M. P.
Williamson
,
K.
Akasaka
, and
M.
Refaee
,
Protein Sci.
12
(
9
),
1971
1979
(
2003
).
16.
U. F.
Thomanek
,
F.
Parak
,
R. L.
Mössbaue
,
H.
Formanek
,
P.
Schwager
, and
W.
Hoppe
,
Acta Crystallogr., Sect. A
29
,
263
265
(
1973
).
17.
M.
Gross
and
R.
Jaenicke
,
Eur. J. Biochem.
221
(
2
),
617
630
(
1994
).
18.
A. A.
Paladini
and
G.
Weber
,
Biochemistry
20
(
9
),
2587
2593
(
1981
).
19.
J. D.
Müller
and
E.
Gratton
,
Biophys. J.
85
(
4
),
2711
2719
(
2003
).
20.
S.
Patra
,
C.
Anders
,
N.
Erwin
, and
R.
Winter
,
Angew. Chem., Int. Ed.
56
(
18
),
5045
5049
(
2017
).
21.
M. J.
Abraham
,
T.
Murtola
,
R.
Schulz
,
S.
Páll
,
J. C.
Smith
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
SoftwareX
1-2
,
19
25
(
2015
).
22.
H. J. C.
Berendsen
,
D.
van der Spoel
, and
R.
Vandrunen
,
Comput. Phys. Commun.
91
(
1-3
),
43
56
(
1995
).
23.
B.
Hess
,
C.
Kutzner
,
D.
van der Spoel
, and
E.
Lindahl
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
435
447
(
2008
).
24.
E.
Lindahl
,
B.
Hess
, and
D.
van der Spoel
,
J. Mol. Model.
7
,
306
317
(
2001
).
25.
S.
Páll
,
M. J.
Abraham
,
C.
Kutzner
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
, in
Solving Software Challenges for Exascale
, edited by
S.
Markidis
and
E.
Laure
(
Springer International Publishing
,
Cham
,
2015
), Vol. 8759, pp.
3
27
.
26.
S.
Pronk
,
S.
Páll
,
R.
Schulz
,
P.
Larsson
,
P.
Bjelkmar
,
R.
Apostolov
,
M. R.
Shirts
,
J. C.
Smith
,
P. M.
Kasson
,
D.
van der Spoel
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
Bioinformatics
29
(
7
),
845
854
(
2013
).
27.
D.
van der Spoel
,
E.
Lindahl
,
B.
Hess
,
G.
Groenhof
,
A. E.
Mark
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Comput. Chem.
26
,
1701
1719
(
2005
).
28.
A. D.
MacKerell
,
D.
Bashford
,
R. L.
Dunbrack
,
J. D.
Evanseck
,
M. J.
Field
,
S.
Fischer
,
J.
Gao
,
H.
Guo
,
S.
Ha
,
D.
Joseph-McCarthy
,
L.
Kuchnir
,
K.
Kuczera
,
F. T. K.
Lau
,
C.
Mattos
,
S.
Michnick
,
T.
Ngo
,
D. T.
Nguyen
,
B.
Prodhom
,
W. E.
Reiher
,
B.
Roux
,
M.
Schlenkrich
,
J. C.
Smith
,
R.
Stote
,
J.
Straub
,
M.
Watanabe
,
J.
Wiorkiewicz-Kuczera
,
D.
Yin
, and
M.
Karplus
,
J. Phys. Chem. B
102
(
18
),
3586
3616
(
1998
).
29.
J. A. D.
MacKerell
,
M.
Feig
, and
C. L.
Brooks III
,
J. Comput. Chem.
25
(
11
),
1400
1415
(
2004
).
30.
Y.
Tang
,
W. M.
Schneider
,
Y.
Shen
,
S.
Raman
,
M.
Inouye
,
D.
Baker
,
M. J.
Roth
, and
G. T.
Montelione
,
J. Struct. Funct. Genomics
11
(
4
),
223
232
(
2010
).
31.
U.
Essmann
,
L.
Perera
,
M. L.
Berkowitz
,
T.
Darden
,
H.
Lee
, and
L. G.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
103
(
19
),
8577
(
1995
).
32.
B.
Hess
,
H.
Bekker
,
H. J. C.
Berendsen
, and
J.
Fraaije
,
J. Comput. Chem.
18
(
12
),
1463
1472
(
1997
).
33.
S.
Miyamoto
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
952
962
(
1992
).
34.
G.
Bussi
,
D.
Donadio
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
126
,
014101
(
2007
).
35.
S.
Nosé
and
M. L.
Klein
,
Mol. Phys.
50
(
5
),
1055
1076
(
1983
).
36.
M.
Parrinello
and
A.
Rahman
,
J. Appl. Phys.
52
(
12
),
7182
7190
(
1981
).
37.
J. R.
Lakowitz
,
Principles of Fluorescence Spectroscopy
(
Springer
,
New York
,
2006
).
38.
P.
Winckler
and
R.
Jaffiol
,
Anal. Chem.
85
(
9
),
4735
4744
(
2013
).
39.
S. J.
Strickler
and
R. A.
Berg
,
J. Chem. Phys.
37
(
4
),
814
822
(
1962
).
40.
M.
Tekmen
and
J. D.
Müller
,
Rev. Sci. Instrum.
75
(
12
),
5143
5148
(
2004
).
41.
S.
Sindbert
,
S.
Kalinin
,
H.
Nguyen
,
A.
Kienzler
,
L.
Clima
,
W.
Bannwarth
,
B.
Appel
,
S.
Müller
, and
C. A. M.
Seidel
,
J. Am. Chem. Soc.
133
(
8
),
2463
2480
(
2011
).
42.
J.
Enderlein
,
I.
Gregor
,
D.
Patra
, and
J.
Fitter
,
Curr. Pharm. Biotechnol.
5
(
2
),
155
161
(
2004
).
43.
M.
Jacob
,
G.
Holtermann
,
D.
Perl
,
J.
Reinstein
,
T.
Schindler
,
M. A.
Geeves
, and
F. X.
Schmid
,
Biochemistry
38
(
10
),
2882
2891
(
1999
).
44.
K. J.
Frye
and
C. A.
Royer
,
Protein Sci.
7
(
10
),
2217
2222
(
1998
).
45.
J.
Roche
,
M.
Dellarole
,
J. A.
Caro
,
D. R.
Norberto
,
A. E.
Garcia
,
B.
Garcia-Moreno
,
C.
Roumestand
, and
C. A.
Royer
,
J. Am. Chem. Soc.
135
(
39
),
14610
14618
(
2013
).
46.
C.
Royer
and
R.
Winter
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
16
(
6
),
568
571
(
2011
).
47.
J.
Roche
,
J. A.
Caro
,
D. R.
Norberto
,
P.
Barthe
,
C.
Roumestand
,
J. L.
Schlessman
,
A. E.
Garcia
,
B. E.
García-Moreno
, and
C. A.
Royer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
(
18
),
6945
6950
(
2012
).
48.
T. V.
Chalikian
and
R. B.
Macgregor
, Jr.
,
J. Mol. Biol.
394
(
5
),
834
842
(
2009
).
49.
S.
Del Galdo
and
A.
Amadei
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
(
40
),
28175
28182
(
2016
).
50.
J. R.
Grigera
and
A. N.
McCarthy
,
Biophys. J.
98
(
8
),
1626
1631
(
2010
).
51.
A.
Borgia
,
W.
Zheng
,
K.
Buholzer
,
M. B.
Borgia
,
A.
Schüler
,
H.
Hofmann
,
A.
Soranno
,
D.
Nettels
,
K.
Gast
,
A.
Grishaev
,
R. B.
Best
, and
B.
Schuler
,
J. Am. Chem. Soc.
138
(
36
),
11714
11726
(
2016
).
52.
M. A.
Schroer
,
M.
Paulus
,
C.
Jeworrek
,
C.
Krywka
,
S.
Schmacke
,
Y.
Zhai
,
D. C. F.
Wieland
,
C. J.
Sahle
,
M.
Chimenti
,
C. A.
Royer
,
B.
Garcia-Moreno
,
M.
Tolan
, and
R.
Winter
,
Biophys. J.
99
(
10
),
3430
3437
(
2010
).
53.
G.
Panick
,
R.
Malessa
,
R.
Winter
,
G.
Rapp
,
K. J.
Frye
, and
C. A.
Royer
,
J. Mol. Biol.
275
(
2
),
389
402
(
1998
).
54.
W.
Zheng
,
A.
Borgia
,
K.
Buholzer
,
A.
Grishaev
,
B.
Schuler
, and
R. B.
Best
,
J. Am. Chem. Soc.
138
(
36
),
11702
11713
(
2016
).
55.
J. E.
Kohn
,
I. S.
Millett
,
J.
Jacob
,
B.
Zagrovic
,
T. M.
Dillon
,
N.
Cingel
,
R. S.
Dothager
,
S.
Seifert
,
P.
Thiyagarajan
,
T. R.
Sosnick
,
M. Z.
Hasan
,
V. S.
Pande
,
I.
Ruczinski
,
S.
Doniach
, and
K. W.
Plaxco
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
101
(
34
),
12491
12496
(
2004
).
56.
Y.
Yamada
,
T.
Yajima
,
K.
Fujiwara
,
M.
Arai
,
K.
Ito
,
A.
Shimizu
,
H.
Kihara
,
K.
Kuwajima
,
Y.
Amemiya
, and
M.
Ikeguchi
,
J. Mol. Biol.
350
(
2
),
338
348
(
2005
).
57.
Y.
Liu
,
M. B.
Prigozhin
,
K.
Schulten
, and
M.
Gruebele
,
J. Am. Chem. Soc.
136
(
11
),
4265
4272
(
2014
).
58.
B. J.
Sirovetz
,
N. P.
Schafer
, and
P. G.
Wolynes
,
J. Phys. Chem. B
119
(
34
),
11416
11427
(
2015
).
59.
T.
Takekiyo
,
A.
Shimizu
,
M.
Kato
, and
Y.
Taniguchi
,
Biochim. Biophys. Acta, Proteins Proteomics
1750
(
1
),
1
4
(
2005
).
60.
H.
Imamura
and
M.
Kato
,
Proteins: Struct., Funct., Bioinf.
75
(
4
),
911
918
(
2009
).
61.
S.
Neumaier
,
M.
Büttner
,
A.
Bachmann
, and
T.
Kiefhaber
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
(
52
),
20988
(
2013
).
62.
R. B.
Best
,
C.
Miller
, and
J.
Mittal
,
J. Chem. Phys.
141
(
22
),
22D522
(
2014
).
63.
G. A. P.
de Oliveira
and
J. L.
Silva
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
(
21
),
E2775
E2784
(
2015
).
64.
K. A.
Henzler-Wildman
,
V.
Thai
,
M.
Lei
,
M.
Ott
,
M.
Wolf-Watz
,
T.
Fenn
,
E.
Pozharski
,
M. A.
Wilson
,
G. A.
Petsko
,
M.
Karplus
,
C. G.
Hübner
, and
D.
Kern
,
Nature
450
(
7171
),
838
844
(
2007
).
65.
C.
Nicolini
,
A.
Celli
,
E.
Gratton
, and
R.
Winter
,
Biophys. J.
91
(
8
),
2936
2942
(
2006
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.