Auto-assemblage de membranes lipidiques hybrides dopées de molécules organiques hydrophobes à l’interface eau/air
Summary
Nous rapportons un protocole pour produire une membrane hybride de lipide à l’interface eau/air en dopant la bicouche lipidique avec des molécules de cuivre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc). La membrane lipidique hybride résultante a une structure lipidique/CuPc/lipide de sandwich. Ce protocole peut également être appliqué à la formation d’autres nanomatériaux fonctionnels.
Abstract
En raison de leurs propriétés uniques, y compris une épaisseur d’ultrathine (3-4 nm), la résistivité ultrahigh, la fluidité et la capacité d’auto-assemblage, les bicouches lipidiques peuvent être facilement fonctionnalisées et ont été utilisées dans diverses applications telles que les bio-capteurs et les bio-dispositifs. Dans cette étude, nous avons introduit une molécule organique planaire : cuivre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) pour doper les membranes lipidiques. La membrane hybride CuPc/lipide se forme à l’interface eau/air par auto-assemblage. Dans cette membrane, les molécules hydrophobes de CuPc sont situées entre les queues hydrophobes des molécules lipidiques, formant une structure de sandwich lipidique/CuPc/lipide. Fait intéressant, une bicouche lipidique hybride étanche à l’air peut être facilement formée en transférant la membrane hybride sur un substrat Si. Nous rapportons une méthode simple pour incorporer des nanomatériaux dans un système de bicouche lipidique, qui représente une nouvelle méthodologie pour la fabrication des biocapteurs et des biodevices.
Introduction
En tant que cadres essentiels des membranes cellulaires, l’intérieur des cellules est séparé de l’extérieur par un système de cale lipidique. Ce système se compose de phospholipides amphiphiliques, qui sont composés de phosphore hydrophile ester « têtes » et les acides gras hydrophobes « queues ». En raison de la fluidité remarquable et la capacité d’auto-assemblage des bicouches lipidiques dans l’environnement aqueux1,2, bicouches lipidiques artificielles peuvent être formés en utilisant des méthodessimples 3,4. Divers types de protéines membranaires, telles que les canaux imitants, les récepteurs membranaires et les enzymes, ont été incorporés dans la bicouche lipidique artificielle pour imiter et étudier les fonctions des membranescellulaires 5,6. Plus récemment, les bicouches lipidiques ont été dopées de nanomatériaux (p. ex., nanoparticules métalliques, graphène et nanotubes de carbone) pour former des membranes hybridesfonctionnelles 7,8,9,10,11,12,13. Une méthode largement utilisée pour former de telles membranes hybrides implique la formation de vésicules lipidiques dopées, qui contiennent des matériaux hydrophobes tels que les nanoparticules au-nanoparticulesmodifiées 7 ou les nanotubes decarbone 11, et les vésicules qui en résultent sont ensuite fusionnées en bicouches lipidiques planaires soutenues. Toutefois, cette approche est complexe et prend beaucoup de temps, ce qui limite les utilisations potentielles de ces membranes hybrides.
Dans ce travail, les membranes lipidiques ont été dopées avec des molécules organiques pour produire des membranes lipidiques hybrides qui se sont formées à l’interface eau/air par auto-assemblage. Ce protocole comporte trois étapes : la préparation de la solution mixte, la formation d’une membrane hybride à l’interface eau/air, et le transfert de la membrane sur un substrat Si. Comparée à d’autres méthodes précédemment rapportées, la méthode décrite ici est plus simple et ne nécessite pas d’instrumentation sophistiquée. En utilisant cette méthode, des membranes lipidiques hybrides étanches à l’air avec une plus grande surface peuvent être formées en un temps plus court. Le nanomatériau utilisé dans cette étude est une molécule organique semi-supraductrice, le cuivre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc), qui est largement utilisé dans un certain nombre d’applications, y compris les cellules solaires, les photodétecteurs, les capteurs de gaz et la catalyse14,15. CuPc, une petite molécule organique à structure planaire, a une forte affinité pour le duo « queues » de phospholipides à ses caractéristiques hydrophobes. D’autres groupes ont signalé que les molécules CuPc peuvent s’auto-assembler sur des surfaces à cristaux simples avec la formation de structurestrès ordonnées 16,17. Par conséquent, il est très possible que les molécules CuPc pourraient être incorporées dans les bicouches lipidiques par auto-assemblage.
Nous fournissons une description détaillée des procédures utilisées pour former des membranes et fournissons quelques suggestions pour la mise en œuvre en douceur de cette procédure. En outre, nous présentons quelques résultats presentatifs des membranes hybrides de lipide, et discutons des applications potentielles de cette méthode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans la solution précurseur de la membrane hybride, un solvant organique mixte (chloroforme et hexane) plutôt que du chloroforme pur est utilisé pour dissoudre les lipides et cupc. Si du chloroforme pur est utilisé, la densité de la solution précurseur serait plus élevée que l’eau. Par conséquent, il est fort probable que la solution coulerait au fond de l’eau plutôt que de se propager à la surface de l’eau. L’ajout d’hexane, un solvant de faible densité, à la solution précurseur, garantit que la …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été soutenus par le programme CREST de l’Agence japonaise des sciences et de la technologie (JPMJCR14F3) et grant in-aids de la Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 et 18K14120). Ces travaux ont été réalisés en partie au Laboratoire de nanoélectronique et de spintronique, Institut de recherche en communication électrique de l’Université de Tohoku.
Materials
| Chloroform | Wako Chemicals | 033-08631 | |
| CuPc | Sigma-Aldrich | 423165 | |
| DPhPc | Avanti Polar Lipids | 850356C | |
| Glass vials with screw cap | Nichiden-Rike Glass Co., Ltd | 6-29801 | |
| Hexane | Wako Chemicals | 084-03421 | |
| Membrane filters | Merck Millipore Ltd. | R8CA42836 | |
| Micro-syringe | Hamilton | 80530 | |
| Peristaltic pump | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | 11914199 | |
| Vortex mixer | Scientific Industries, Inc. | SI-0286 |
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