Su/Hava Arabiriminde Hidrofobik Organik Moleküllerle Doped Hibrid Lipid Membranların Kendi Kendine Montajı
Summary
Biz bakır ile lipid bilayer doping tarafından su / hava arayüzü bir hibrid lipid membran üretmek için bir protokol rapor (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthayanilocne (CuPc) molekülleri. Ortaya çıkan hibrid lipid membran lipid/CuPc/lipid sandviç yapısına sahiptir. Bu protokol diğer fonksiyonel nanomalzemelerin oluşumuna da uygulanabilir.
Abstract
Ultraince kalınlık (3-4 nm), ultra yüksek direnç, akışkanlık ve kendi kendine montaj yeteneği gibi benzersiz özellikleri nedeniyle, lipid iki katmanları kolayca işlevsel hale getirilebilir ve biyo-sensörler ve biyo-cihazlar gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmıştır. Bu çalışmada, bir düzlemsel organik molekül tanıttı: bakır (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H, 31H-phthalocyanine (CuPc) dope lipid membranlar için. CuPc/lipid hibrid membran, su/hava arabiriminde kendi kendine montaj yoluyla oluşur. Bu membranda, hidrofobik CuPc molekülleri lipid moleküllerinin hidrofobik kuyrukları arasında yer alır, bir lipid / CuPc / lipid sandviç yapısı oluşturan. İlginçtir, bir hava kararlı hibrid lipid çift katmanlı kolayca bir Si substrat üzerine hibrid membran transfer imal edilebilir. Biyosensörler ve biyocihazların üretimi için yeni bir metodolojiyi temsil eden, nanomateryalleri lipid çift katmanlı bir sisteme dahil etmek için basit bir yöntem sunacağız.
Introduction
Hücre zarlarının temel çerçeveleri olarak, hücrelerin iç bir lipid çift katmanlı sistemi ile dış ayrılır. Bu sistem fofilik fosfolipidler oluşur, hangi hidrofilik fosforik ester oluşur “kafaları” ve hidrofobik yağ asitleri “kuyrukları”. Sulu ortamda lipid iki katlarının olağanüstü akışkanlığı ve kendi kendine montaj yeteneği nedeniyle1,2, yapay lipid bilayers basit yöntemlerkullanılarak oluşturulabilir3,4. Iyon kanalları, membran reseptörleri ve enzimler gibi çeşitli membran proteinlerinin, hücre zarlarının işlevlerini taklit etmek ve incelemek için yapay lipid bilayer içine dahil edilmiştir5,6. Daha yakın zamanlarda, lipid iki katmanlı nanomalzemeler ile doped edilmiştir (örneğin, metal nano tanecikleri, grafen, ve karbon nanotüpler) fonksiyonel hibrid membranlar oluşturmak için7,8,9,10,11,12,13. Bu tür hibrid membranlar oluşturmak için yaygın olarak kullanılan bir yöntem, modifiye Au-nanotanecikleri7 veya karbon nanotüpler11gibi hidrofobik malzemeler içeren doped lipid veziküloluşumunu içerir , ve ortaya çıkan veziküller daha sonra düzlemsel destekli lipid bilayers içine eritilir. Ancak, bu yaklaşım karmaşık ve zaman alıcı, bu tür hibrid membranların potansiyel kullanımları sınırlar.
Bu çalışmada, lipid membranlar kendi kendine montaj ile su / hava arabiriminde oluşan hibrid lipid membranlar üretmek için organik moleküller ile doped edildi. Bu protokol üç adım dan oluşur: karışık çözeltinin hazırlanması, su/hava arabiriminde hibrit membran oluşumu ve membranın Si substratına aktarılması. Daha önce bildirilen diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında, burada açıklanan yöntem daha basittir ve gelişmiş enstrümantasyon gerektirmez. Bu yöntem kullanılarak daha geniş bir alana sahip hava stabil hibrid lipid membranlar daha kısa sürede oluşturulabilir. Bu çalışmada kullanılan nanomalzeme bir yarı iletken organik molekül, bakır (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H, 31H-phthalocyanine (CuPc), yaygın olarak güneş pilleri, fotodedektörler, gaz sensörleri ve kataliz14,15dahil olmak üzere bir dizi uygulamada kullanılır . Düzlemsel yapıya sahip küçük bir organik molekül olan CuPc, fosfolipid ikilisinin hidrofobik özelliklerine “kuyrukları” için yüksek bir afiniteye sahiptir. Diğer gruplar CuPc moleküllerinin tek kristal yüzeylerde yüksek sıralı yapıların oluşumu ile kendi kendine biraraya getirebildiği bildirilmiştir16,17. Bu nedenle, CuPc moleküllerinin kendi kendine montaj yoluyla lipid iki katiçine dahil edilebilir son derece mümkündür.
Membranoluşturmak için kullanılan prosedürlerin ayrıntılı bir açıklamasını sağlar ve bu prosedürün sorunsuz bir şekilde uygulanması için bazı öneriler sayılmaktayız. Buna ek olarak, hibrid lipid membranların bazı sunum sonuçları sunmak ve bu yöntemin potansiyel uygulamaları tartışmak.
Protocol
Representative Results
Discussion
Melez membranın öncü çözeltisinde, saf kloroform yerine karışık organik çözücü (kloroform ve hekzan) lipidleri ve CuPc’yi eritmek için kullanılır. Saf kloroform kullanılırsa, öncül çözeltinin yoğunluğu sudan daha yüksek olacaktır. Bu nedenle, çözeltinin su yüzeyine yayılmak yerine suyun dibine batması çok olasıdır. Öncül çözeltiye düşük yoğunluklu bir çözücü olan heksanın eklenmesi, çözeltinin su yüzeyinde süzülmesini ve çözücünün buharlaşmasından sonra tek tip bi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Japonya Bilim ve Teknoloji Ajansı(JPMJCR14F3) crest programı ve Japonya Bilimin Teşvik Derneği’nden (19H00846 ve 18K14120) Hibe in-Aids programı tarafından desteklenmiştir. Bu çalışma kısmen Tohoku Üniversitesi Elektrik İletişimi Araştırma Enstitüsü Nanoelektronik ve Spintronics Laboratuvarı’nda gerçekleştirilmiştir.
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 |
References
- Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J., Ninham, B. W. Theory of self-assembly of lipid bilayers and vesicles. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes. 470 (2), 185-201 (1977).
- Venable, R. M., Zhang, Y., Hardy, B. J., Pastor, R. W. Molecular dynamics simulations of a lipid bilayer and of hexadecane: an investigation of membrane fluidity. Science. 262 (5131), 223-226 (1993).
- Ide, T., Ichikawa, T. A novel method for artificial lipid-bilayer formation. Biosensors and Bioelectronics. 21 (4), 672-677 (2005).
- Funakoshi, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. Lipid bilayer formation by contacting monolayers in a microfluidic device for membrane protein analysis. Analytical Chemistry. 78 (24), 8169-8174 (2006).
- Kongsuphol, P., Fang, K. B., Ding, Z. Lipid bilayer technologies in ion channel recordings and their potential in drug screening assay. Sensors and Actuators B: Chemical. 185, 530-542 (2013).
- Demarche, S., Sugihara, K., Zambelli, T., Tiefenauer, L., Voros, J. Techniques for recording reconstituted ion channels. Analyst. 136 (6), 1077-1089 (2011).
- Sakaguchi, N., Kimura, Y., Hirano-Iwata, A., Ogino, T. Fabrication of Au-nanoparticle-embedded lipid bilayer membranes supported on solid substrates. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (17), 4474-4481 (2017).
- Schulz, M., Olubummo, A., Binder, W. H. Beyond the lipid bilayer: interaction of polymers and nanoparticles with membranes. Soft Matter. 8 (18), 4849-4864 (2012).
- Wang, J., Wei, Y., Shi, X., Gao, H. Cellular entry of graphene nanosheets: the role of thickness, oxidation and surface adsorption. RSC Advances. 3 (36), 15776-15782 (2013).
- Vögele, M., Köfinger, J., Hummer, G. Molecular dynamics simulations of carbon nanotube porins in lipid bilayers. Faraday Discussions. 209, 341-358 (2018).
- Kanomata, K., Deguchi, T., Ma, T., Haseyama, T., Miura, M., Yamaura, D., Tadaki, D., Niwano, M., Hirano-Iwata, A., Hirose, F. Photomodulation of electrical conductivity of a PCBM-doped free-standing lipid bilayer in buffer solution. Journal of Electroanalytical Chemistry. 832, 55-58 (2019).
- Barnoud, J., Rossi, G., Monticelli, L. Lipid Membranes as Solvents for Carbon Nanoparticles. Physical Review Letters. 112, 068102 (2014).
- Dichello, G. A., et al. Preparation of liposomes containing small gold nanoparticles using electrostatic interactions. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 105, 55-63 (2017).
- Sullivan, P., Heutz, S., Schultes, S. M., Jones, T. S. Influence of codeposition on the performance of CuPc−C60 heterojunction photovoltaic devices. Applied Physics Letters. 84 (7), 1210-1212 (2004).
- Miyata, T., Kawaguchi, S., Ishii, M., Minami, T. High sensitivity chlorine gas sensors using Cu−phthalocyanine thin films. Thin Solid Films. 425 (1-2), 255-259 (2003).
- Barrena, E., de Oteyza, D. G., Dosch, H., Wakayama, Y. 2D supramolecular self-assembly of binary organic monolayers. ChemPhysChem. 8 (13), 1915-1918 (2007).
- Xiao, K., et al. Surface-induced orientation control of CuPc molecules for the epitaxial growth of highly ordered organic crystals on graphene. Journal of the American Chemical Society. 135 (9), 3680-3687 (2013).
- Feng, X., Ma, T., Yamaura, D., Tadaki, D., Hirano-Iwata, A. Formation and characterization of air-stable lipid bilayer membranes incorporated with phthalocyanine molecules. The Journal of Physical Chemistry B. 123 (30), 6515-6520 (2019).
- Wu, Y., He, K., Ludtke, S. J., Huang, H. W. X-ray diffraction study of lipid bilayer membranes interacting with amphiphilic helical peptides: diphytanoyl phosphatidylcholine with alamethicin at low concentrations. Biophysical Journal. 68 (6), 2361-2369 (1995).
- Zaitseva, S. V., Bettini, S., Valli, L., Kolker, A. M., Borovkov, N. Y. Atypical film-forming behavior of soluble tetra-3-nitro-substituted copper phthalocyanine. ChemPhysChem. 20 (3), 422-428 (2019).
- Ghani, F., Gojzewski, H., Riegler, H. Nucleation and growth of copper phthalocyanine aggregates deposited from solution on planar surfaces. Applied Surface Science. 351, 969-976 (2015).
