Autoensamble de membranas lipídicas híbridas dopadas con moléculas orgánicas hidrófobas en la interfaz agua/aire
Summary
Reportamos un protocolo para producir una membrana lipídica híbrida en la interfaz agua/aire dopando la bicapa lipídica con moléculas de cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc). La membrana lipídica híbrida resultante tiene una estructura sándwich de lípidos/CuPc/lípidos. Este protocolo también se puede aplicar a la formación de otros nanomateriales funcionales.
Abstract
Debido a sus propiedades únicas, incluyendo un espesor ultrafino (3-4 nm), resistencia ultra alta, fluidez y capacidad de autoensamblaje, las bicapas de lípidos se pueden funcionalizar fácilmente y se han utilizado en diversas aplicaciones como biosensores y biodispositivos. En este estudio, introdujimos una molécula orgánica plana: cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-fthalocyanine (CuPc) a las membranas lipídicas de droga. La membrana híbrida CuPc/lipid se forma en la interfaz agua/aire por autoensamble. En esta membrana, las moléculas hidrofóbicas de CuPc se encuentran entre las colas hidrófobas de las moléculas de lípidos, formando una estructura sándwich de lípidos/CuPc/lípidos. Curiosamente, una bicala de lípidos híbridos estable al aire se puede formar fácilmente mediante la transferencia de la membrana híbrida a un sustrato de Si. Informamos de un método sencillo para incorporar nanomateriales en un sistema de bicapas de lípidos, que representa una nueva metodología para la fabricación de biosensores y biodispositivos.
Introduction
Como marcos esenciales de las membranas celulares, el interior de las células se separa del exterior por un sistema de bicapas lipídicas. Este sistema consiste en fosfolípidos anfifílicos, que se componen de éster fosfórico hidrófilo “cabezas” y ácidos grasos hidrófobos “colas”. Debido a la notable fluidez y capacidad de autoensamblaje de las bicapas de lípidos en ambiente acuoso1,2, bicapas de lípidos artificiales se pueden formar utilizando métodos simples3,4. Varios tipos de proteínas de membrana, como canales iónicos, receptores de membrana y enzimas, se han incorporado a la bicapo de lípidos artificiales para imitar y estudiar las funciones de las membranas celulares5,6. Más recientemente, las bicapas lipídicas han sido dopadas con nanomateriales (por ejemplo, nanopartículas metálicas, grafeno y nanotubos de carbono) para formar membranas híbridas funcionales7,8,9,10,11,12,13. Un método ampliamente utilizado para la formación de tales membranas híbridas implica la formación de vesículas lipídicas dopadas, que contienen materiales hidrófobos como Au-nanopartículas modificadas7 o nanotubos de carbono11,y las vesículas resultantes se fusionan en bicapas de lípidos compatibles planares. Sin embargo, este enfoque es complejo y requiere mucho tiempo, lo que limita los usos potenciales de tales membranas híbridas.
En este trabajo, las membranas lipídicas se dopadan con moléculas orgánicas para producir membranas lipídicas híbridas que se formaron en la interfaz agua/aire por autoensamble. Este protocolo implica tres pasos: preparación de la solución mixta, formación de una membrana híbrida en la interfaz agua/aire, y la transferencia de la membrana a un sustrato De. En comparación con otros métodos notificados anteriormente, el método descrito aquí es más simple y no requiere instrumentación sofisticada. Usando este método, las membranas lipídicas híbridas estables al aire con un área más grande se pueden formar en un tiempo más corto. El nanomaterial utilizado en este estudio es una molécula orgánica semiconductora, cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-fthalocyanine (CuPc), que es ampliamente utilizado en una serie de aplicaciones, incluyendo células solares, fotodetectores, sensores de gas y catálisis14,15. CuPc, una pequeña molécula orgánica con una estructura plana, tiene una alta afinidad por las “colas” del dúo de fosfolípidos con sus características hidrofóbicas. Otros grupos han informado de que las moléculas de CuPc pueden autoensamblarse en superficies de un solo cristal con la formación de estructuras altamente ordenadas16,17. Por lo tanto, es muy posible que las moléculas de CuPc podrían ser incorporadas en las bicapas de lípidos a través del autoensamble.
Proporcionamos una descripción detallada de los procedimientos utilizados para formar membranas y proporcionamos algunas sugerencias para implementar sin problemas este procedimiento. Además, presentamos algunos resultados presentativos de las membranas lipídicas híbridas, y discutimos posibles aplicaciones de este método.
Protocol
Representative Results
Discussion
En la solución precursora de la membrana híbrida, se utiliza un disolvente orgánico mezclado (cloroformo y hexano) en lugar de cloroformo puro para disolver los lípidos y cuPc. Si se utiliza cloroformo puro, la densidad de la solución precursora sería mayor que el agua. Por lo tanto, es muy probable que la solución se hunda en el fondo del agua en lugar de extenderse sobre la superficie del agua. La adición de hexano, un disolvente de baja densidad, a la solución precursora, garantiza que la solución flotará e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el programa CREST de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JPMJCR14F3) y Grant in-Aids de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (19H00846 y 18K14120). Este trabajo se llevó a cabo en parte en el Laboratorio de Nanoelectrónica y Spintronics, Instituto de Investigación de Comunicación Eléctrica, Universidad 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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