Tek Molekül Kuvvetleri Spektroskopisi kullanarak İnorganik Malzemelerle Amino Asitler ve Peptitler Etkileşimi içine Trendleri
Summary
Burada bir atomik kuvvet mikroskopu (AFM) ile tek bir molekül kuvveti spektroskopi ölçümleri ile iyi tanımlanmış bir inorganik yüzey ve ya peptitler veya amino asitler arasındaki etkileşimlerin kuvvetini ölçmek için bir protokol mevcut. ölçümü ile elde edilen bilgiler, daha peptid inorganik madde interfazda anlamak önemlidir.
Abstract
proteinler veya peptidler ve inorganik maddeler arasındaki etkileşimler çok ilginç işlemlere yol açar. Örneğin, mineral proteinleri birleştiren benzersiz özellikleri ile kompozit malzeme oluşumuna yol açar. Buna ek olarak, biyolojik kirlenmeye istenmeyen proses yüzeylerinde biyomoleküllerin ağırlıklı proteinlerin adsorpsiyonu ile başlatılır. Bu organik tabaka, bakteriler için bir yapışma tabakası ve onları yüzeyle etkileşim sağlar. Organik-inorganik arayüzünde etkileşimleri yöneten temel güçleri anlama araştırma birçok alanda bu nedenle önemlidir ve optik, mekanik ve biyomedikal uygulamalar için yeni malzemelerin tasarımına yol açabilir. Bu çalışma, peptitler veya amino asitler ve iyi tanımlanmış inorganik yüzeyler ya arasındaki yapışma kuvvetini ölçmek için bir AFM kullanan tek molekül kuvvet spektroskopisi teknik gösterilmiştir. Bu teknik AFM için biyomolekülü takmak için bir protokol içeriratomik kuvvet mikroskobu ile kovalent esnek bağlayıcı ve tek-molekül kuvvet spektroskopisi ölçümleri yoluyla ipucu. Buna ek olarak, bu ölçümlerin analiz dahildir.
Introduction
proteinler ve inorganik mineraller arasındaki etkileşim ayırt edici özelliklere sahip kompozit malzeme yapısına yol açar. Bu yüksek mekanik mukavemet ve eşsiz optik özellikleri olan malzemeler içerir. Örneğin, 1, 2, maden hidroksiapatit protein kollajen kombinasyonu, farklı işlevler için yumuşak ya da sert kemik ya oluşturur. 3 Kısa peptitler de yüksek özgüllük ile inorganik maddeler bağlayabilirsiniz. 4, bu peptidlerin 5, 6 özgüllük, kristaller, 9 nano yapılı malzemeler imal, 8, 7, yeni manyetik ve elektronik malzeme tasarımında büyütmek için kullanılmaktadır 10 ve sentezleme nanopartiküller. 11 Bu nedenle bize geliştirilmiş adsorptif özellikleri olan yeni kompozit malzemeler tasarlamak sağlayacak peptidler veya proteinler ve inorganik maddeler arasındaki etkileşimleri altında yatan mekanizma anlamak. bir bağışıklık tepkisi ile implant interfaz proteinleri aracılık beri ek olarak, daha iyi inorganik maddelerle proteinlerin etkileşimlerini anlamak implantları tasarım yeteneğimizi artıracak. İnorganik yüzeyler ile etkileşim proteinleri içeren diğer önemli alan zehirli maddelerin imalatı olduğunu. 12, 13, 14, 15 Biyolojik kirlilik organizmalar, bir yüzeye eklemek hangi istenmeyen bir işlemdir. Bu bizim hayatımızın birçok zararlı etkileri vardır. Örneğin, tıbbi cihazlarda bakteri biyolojik kirlenme hastane kaynaklı enfeksiyonların yol açar. teknelerle büyük gemilerde deniz organizmalarının biyolojik kirlenme artar yakıt tüketimi. 12, 16, 17, 18
Tek moleküllü kuvveti Spektroskopisi (SMFs), bir AFM yoluyla doğrudan bir amino asit ya da bir alt-tabaka ile bir peptid arasındaki etkileşimi ölçebilir. Bu faj gösterimi, 27, 28 olarak 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 başka yöntemler kuartz kristali mikro-(QCM) 29 veya yüzey plazmon rezonans (SPR) 29, 30, 31, 32,ref "> 33 ölçü toplu olarak, inorganik yüzeylere peptidlerin ve proteinlerin etkileşimleri. 34, 35, 36 Bu durum, bu yöntem ile elde edilen sonuçlar molekül veya agrega toplulukları ilgili olduğu anlamına gelir. SMFs olarak, bir ya da çok az moleküller AFM ucuna sabitlenir ve istenen alt-tabaka ile etkileşimleri ölçülür. Bu yaklaşım yüzeyinden proteini çekerek protein katlanmasını incelemek için genişletilebilir. Buna ek olarak, hücreler ve proteinler ve bunların ligandlarına antikorların bağlanma arasındaki etkileşimi ölçmek için kullanılabilir. 37, 38, 39, 40 Bu kağıt silanol kimyası kullanılarak AFM ucu peptid veya amino asit ya takmak için nasıl ayrıntılı olarak anlatılmaktadır. Buna ek olarak, kağıt kuvvet ölçümleri gerçekleştirmek için nasıl ve analiz açıklarSonuçlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokolde 1.3, 1.4 ve 1.7 detaylı özenle ve çok hassas bir şekilde yapılmalıdır Adım. adım 1.3, uç silan karışımı ile silanizasyon işlemi bir inert atmosfer (nemsiz) içinde yapılmalıdır temas etmemelidir. 45 Bu çok tabakalı oluşmasını önlemek için ve silan moleküller nemi kolayca mevcudiyetinde hidrolize için yapılır. 45
Aşama 1.4, sıcaklık ve zaman düzgün bir şekilde muhafaza edilmelidir. adım 1.5 başlama…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Marie Curie International Reintegration Grant (EP7). P. D. acknowledges the support of the Israel Council for Higher Education.
Materials
| Silicon nitride (Si3N4) AFM cantilevers with silicon tips | Bruker (Camarilo, CA, USA) | MSNL10, nominal cantilevers radius ~2 nm | |
| Methyltriethoxysilane | Acros Organics (New Jersey, USA) | For Silaylation of the AFM tip | |
| 3-(Aminopropyl) triethoxysilane | Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel) | Used for tip modification | |
| Triisopropylsilane | Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel) | Used for tip modification | |
| N-Ethyldiisopropylamine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Triethylamine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Piperidine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Fluorenylmethyloxycarbonyl-PEG-N-hydroxysuccinimide (Fmoc-PEG-NHS) | Iris Biotech GmbH (Deutschland, Germany) | Used as the covalent flexible linker (MW = 5000 Da) | |
| 2-(1H-benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3,-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HBTU) | Alfa Aser (Heysham, England) | Used as a coupling reagent. | |
| N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) | Acros Organics (New Jersey, USA) | Used as Solvent in Tip modification procedure | |
| DMF (dimethylformamide) | Merck (Darmstadt, Germany) | Used as Solvent in Tip modification procedure | |
| Trifluoro acetic acid (TFA) | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Acetic anhydride | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Peptides | GL Biochem (Shanghai, China). | ||
| Phenylalanine and Tyrosine | Biochem (Darmstadt, Germany) | ||
| 30% TiO2 dispersion in the mixture of solvent 2-(2-Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP) | Applied Vision Laboratories (Jerusalem, Israel) | (30%) in the mixture of solvent 2-(2 Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP) | |
| Mica substrates | TED PELLA, INC. (Redding, California, USA) | 9.9 mm diameter |
References
- Addadi, L., Weiner, S. Control and design principles in biological mineralization. Angew. Chem., Int. Ed. 31 (2), 153-169 (1992).
- Meyers, M. A., Chen, P. Y., Lin, A. Y. M., Seki, Y. Biological materials: Structure and mechanical properties. Prog. Mater. Sci. 53 (1), 1-206 (2008).
- Villee, C. A. J. Book Review. Engl. J. Med. 309 (4), 247-248 (1983).
- Vallee, A., Humblot, V., Pradier, C. -. M. Peptide interactions with metal and oxide surfaces. Acc. Chem. Res. 43 (10), 1297-1306 (2010).
- Peelle, B. R., Krauland, E. M., Wittrup, K. D., Belcher, A. M. Design criteria for engineering inorganic material-specific peptides. Langmuir. 21 (15), 6929-6933 (2005).
- Gabryelczyk, B., Szilvay, G. R., Linder, M. B. The structural basis for function in diamond-like carbon binding peptides. Langmuir. 30 (29), 8798-8802 (2014).
- Sarikaya, M., Tamerler, C., Jen, A. K. Y., Schulten, K., Baneyx, F. Molecular biomimetics: Nanotechnology through biology. Nat. Mater. 2 (9), 577-585 (2003).
- Tamerler, C., Sarikaya, M. Molecular biomimetics: Utilizing nature’s molecular ways in practical engineering. Acta Biomater. 3 (3), 289-299 (2007).
- Seker, U. O. S., Demir, H. V. Material binding peptides for nanotechnology. Molecules. 16 (2), 1426-1451 (2011).
- Green, J. J., et al. Electrostatic ligand coatings of nanoparticles enable ligand-specific gene delivery to human primary cells. Nano Lett. 7 (4), 874-879 (2007).
- Grohe, B., et al. Control of calcium oxalate crystal growth by face-specific adsorption of an osteopontin phosphopeptide. J. Am. Chem. Soc. 129 (48), 14946-14951 (2007).
- Maity, S., Nir, S., Zada, T., Reches, M. Self-assembly of a tripeptide into a functional coating that resists fouling. Chem. Commun. 50 (76), 11154-11157 (2014).
- Das, P., Yuran, S., Yan, J., Lee, P. S., Reches, M. Sticky tubes and magnetic hydrogels co-assembled by a short peptide and melanin-like nanoparticles. Chem. Commun. 51 (25), 5432-5435 (2015).
- Burg, K. J. L., Porter, S., Kellam, J. F. Biomaterial developments for bone tissue engineering. Biomaterials. 21 (23), 2347-2359 (2000).
- Weiger, M. C., et al. Quantification of the binding affinity of a specific hydroxyapatite binding peptide. Biomaterials. 31 (11), 2955-2963 (2010).
- Pettitt, M. E., Henry, S. L., Callow, M. E., Callow, J. A., Clare, A. S. Activity of commercial enzymes on settlement and adhesion of cypris larvae of the barnacle Balanus amphitrite, spores of the green alga Ulva linza, and the diatom Navicula perminuta. Biofouling. 20 (6), 299-311 (2004).
- Schultz, M. P., Finlay, J. A., Callow, M. E., Callow, J. A. Three models to relate detachment of low form fouling at laboratory and ship scale. Biofouling. 19, 17-26 (2003).
- Cao, S., Wang, J., Chen, H., Chen, D. Progress of marine biofouling and antifouling technologies. Chinese Science Bulletin. 56 (7), 598-612 (2010).
- Wei, Y., Latour, R. A. Correlation between desorption force measured by Atomic Force Microscopy and adsorption free energy measured by surface plasmon resonance spectroscopy for peptide-surface interactions. Langmuir. 26 (24), 18852-18861 (2010).
- Li, Q., et al. AFM-based force spectroscopy for bioimaging and biosensing. RSC Advances. 6, 12893-12912 (2016).
- Meibner, R. H., Wei, G., Ciacchi, L. C. Estimation of the free energy of adsorption of a polypeptide on amorphous SiO2 from molecular dynamics simulations and force spectroscopy experiments. Soft Matter. 11 (31), 6254-6265 (2015).
- Xue, Y., Li, X., Li, H., Zhang, W. Quantifying thiol-gold interactions towards the efficient strength control. Nat. Commun. 5, 4348 (2014).
- Razvag, Y., Gutkin, V., Reches, M. Probing the interaction of individual amino acids with inorganic surfaces using atomic force spectroscopy. Langmuir. 29, 10102-10109 (2013).
- Das, P., Reches, M. Revealing the role of catechol moieties in the interactions between peptides and inorganic surfaces. Nanoscale. 8, 15309-15316 (2016).
- Das, P., Reches, M. Review insights into the interactions of amino acids and peptides with inorganic materials using single molecule force spectroscopy. Bioploymers-Pept. Sci. 104, 480-494 (2015).
- Maity, S., et al. Elucidating the mechanism of interaction between peptides and inorganic surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (23), 15305-15315 (2015).
- Whaley, S. R., English, D. S., Hu, E. L., Barbara, P. F., Belcher, A. M. Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly. Nature. 405 (6787), 665-668 (2000).
- Tamerler, C., Oren, E. E., Duman, M., Venkatasubramanian, E., Sarikaya, M. Adsorption Kinetics of an engineered gold binding peptide by surface plasmon resonance spectroscopy and a quartz crystal microbalance. Langmuir. 22 (18), 7712-7718 (2006).
- Santos, O., Kosoric, J., Hector, M. P., Anderson, P., Lindh, L. Adsorption behavior of statherin and a statherin peptide onto hydroxyapatite and silica surfaces by in situ ellipsometry. J. Colloid Interface Sci. 318 (2), 175-182 (2008).
- Evans, E., Ritchie, K. Dynamic strength of molecular adhesion bonds. Biophys. J. 72 (4), 1541-1555 (1997).
- Micksch, T., Liebelt, N., Scharnweber, D., Schwenzer, B. Investigation of the peptide adsorption on ZrO2, TiZr, and TiO2 surfaces as a method for surface modification. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (10), 7408-7416 (2014).
- Patwardhan, S. V., et al. Chemistry of aqueous silica nanoparticle surfaces and the mechanism of selective peptide adsorption. J. Am. Chem. Soc. 134 (14), 6244-6256 (2012).
- Thyparambil, A. A., Wei, Y., Latour, R. A. Determination of peptide-surface adsorption free energy for material surfaces not conducive to SPR or QCM using AFM. Langmuir. 28 (13), 5687-5694 (2012).
- Hnilova, M., et al. Effect of molecular conformations on the adsorption behavior of gold-binding peptides. Langmuir. 24 (21), 12440-12445 (2008).
- Sano, K., Sasaki, H., Shiba, K. Utilization of the pleiotropy of a peptidic aptamer to fabricate heterogeneous nanodot-containing multilayer nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 128 (5), 1717-1722 (2006).
- Chen, H., Su, X., Neoh, K. -. G., Choe, W. -. S. Context-dependent adsorption behavior of cyclic and linear peptides on metal oxide surfaces. Langmuir. 25 (3), 1588-1593 (2008).
- Zlatanova, J., Lindsay, S. M., Leuba, S. H. Single molecule force spectroscopy in biology using the atomic force microscope. Prog. Biophys. Mol. Biol. 74 (1-2), 37-61 (2000).
- Wang, C. Z., Yadavalli, V. K. Investigating biomolecular recognition at the cell surface using atomic force microscopy. Micron. 60, 5-17 (2014).
- Galler, K., Brautigam, K., Grobe, C., Popp, J., Neugebauer, U. Making a big thing of a small cell – recent advances in single cell analysis. Analyst. 139 (6), 1237-1273 (2014).
- Carvalho, F. A., Martins, I. C., Santos, N. C. Atomic force microscopy and force spectroscopy on the assessment of protein folding and functionality. Arch. Biochem. Biophys. 531 (1-2), 116-127 (2013).
- Azoubel, S., Magdassi, S. Controlling adhesion properties of SWCNT-PET films prepared by wet deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (12), 9265-9271 (2014).
- Jaschke, M., Butt, H. J. Height calibration of optical-lever atomic-force microscopes by simple laser interferometry. Rev. Sci. Instrum. 66 (2), 1258-1259 (1995).
- Evans, E., Kinoshita, K., Simon, S., Leung, A. Long-lived, high-strength states of ICAM-1 bonds to beta(2) integrin, I: Lifetimes of bonds to recombinant alpha(L) beta(2) under force. Biophys. J. 98 (8), 1458-1466 (2010).
- Bouchiat, C., et al. Estimating the persistence length of a Worm-Like Chain molecule from force-extension measurements. Biophys. J. 76 (1), 409-413 (1999).
- Pick, C., Argento, C., Drazer, G., Frechette, J. Micropatterned Charge Heterogeneities via Vapor Deposition of Aminosilanes. Langmuir. 31 (39), 10725-10733 (2015).
- Berquand, A., et al. Antigen binding forces of single antilysozyme Fv fragments explored by atomic force microscopy. Langmuir. 21, 5517-5523 (2005).
- Kienberger, F., et al. Recognition Force Spectroscopy Studies of the NTA-His6 Bond. Single Molecules. 1, 59-65 (2000).
- Tong, Z., Mikheikin, A., Krasnoslobodtsev, A., Lv, Z., Lyubchenko, Y. L. Novel polymer linkers for single molecule AFM force spectroscopy. Methods. 60, 161-168 (2013).
- Ulman, A. Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers. Chem. Rev. 96, 1533-1554 (1996).
- Andolfi, L., Bizzarri, A. R., Cannistraro, S. Electron tunneling in a metal-protein-metal junction investigated by scanning tunneling and conductive atomic force spectroscopies. Appl. Phys. Lett. 89, 183125 (2006).
