Self-Assembly van hybride lipid membranen doped met hydrofobe organische moleculen op de Water / Air Interface
Summary
We rapporteren een protocol voor het produceren van een hybride lipide membraan op de water/lucht interface door het smeren van de lipide bilayer met koper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) moleculen. Het resulterende hybride lipidemembraan heeft een lipide/CuPc/lipide sandwichstructuur. Dit protocol kan ook worden toegepast op de vorming van andere functionele nanomaterialen.
Abstract
Vanwege hun unieke eigenschappen, waaronder een ultradunne dikte (3-4 nm), ultrahoge weerstand, vloeibaarheid en zelfassemblagevermogen, kunnen lipidebilayers gemakkelijk worden gefunctionaliseerd en zijn ze gebruikt in verschillende toepassingen zoals biosensoren en bio-apparaten. In deze studie introduceerden we een vlakke organische molecule: koper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-fthalocyanine (CuPc) om lipidemembranen te dope. De CuPc/lipide hybride membraan vormt zich op de water/lucht interface door zelfassemblage. In dit membraan bevinden zich de hydrofobe CuPc-moleculen tussen de hydrofobe staarten van lipidemoleculen, die een lipide/CuPc/lipide sandwichstructuur vormen. Interessant is dat een lucht-stabiele hybride lipide bilayer gemakkelijk kan worden gevormd door de overdracht van het hybride membraan op een Si substraat. We rapporteren een eenvoudige methode voor het opnemen van nanomaterialen in een lipide bilayer systeem, dat een nieuwe methode voor de fabricage van biosensoren en biodevices vertegenwoordigt.
Introduction
Als essentiële kaders van celmembranen, wordt het binnenland van cellen gescheiden van de buitenkant door een lipide bilayersysteem. Dit systeem bestaat uit amphifiele fosfolipiden, die bestaan uit hydrofiele fosforische ester “hoofden” en hydrofobe vetzuren “staarten”. Als gevolg van opmerkelijke vloeibaarheid en zelfassemblage vermogen van lipide bilayers in waterige omgeving1,2, kunstmatige lipide bilayers kunnen worden gevormd met behulp van eenvoudige methoden3,4. Verschillende soorten membraaneiwitten, zoals ionenkanalen, membraanreceptoren en enzymen, zijn opgenomen in de kunstmatige lipidebilayer om de functies van celmembranen na te bootsen en te bestuderen5,6. Meer recent zijn lipidebilayers gedrogeerd met nanomaterialen (bijvoorbeeld metalen nanodeeltjes, grafeen en koolstofnanobuisjes) om functionele hybride membranen te vormen7,8,9,10,11,12,13. Een veelgebruikte methode voor de vorming van dergelijke hybride membranen omvat de vorming van gedopede lipide vluimen, die hydrofobe materialen zoals gemodificeerde Au-nanodeeltjes7 of koolstof nanobuisjes11bevatten, en de resulterende vesikels worden vervolgens samengevoegd tot vlakke ondersteunde lipide bilayers. Deze aanpak is echter complex en tijdrovend, wat het potentiële gebruik van dergelijke hybride membranen beperkt.
In dit werk werden lipidemembranen gedrogeerd met organische moleculen om hybride lipidemembranen te produceren die zich op de water/luchtinterface vormden door zelfassemblage. Dit protocol omvat drie stappen: voorbereiding van de gemengde oplossing, vorming van een hybride membraan op de water/luchtinterface en de overdracht van het membraan op een Si-substraat. In vergelijking met andere eerder gerapporteerde methoden is de hier beschreven methode eenvoudiger en vereist deze geen geavanceerde instrumentatie. Met behulp van deze methode kunnen luchtstalre hybride lipidenmembranen met een groter gebied in een kortere tijd worden gevormd. Het nanomateriaal dat in deze studie wordt gebruikt is een semigeleidend organisch molecuul, koper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-fthalocyanine (CuPc), dat veel wordt gebruikt in een aantal toepassingen, waaronder zonnecellen, fotodetectoren, gassensoren en katalyse14,15. CuPc, een klein organisch molecuul met een vlakke structuur, heeft een hoge affiniteit voor de “staarten” van fosfolipiden duo aan zijn hydrofobe kenmerken. Andere groepen hebben gemeld dat CuPc moleculen zelf kunnen assembleren op single-crystal oppervlakken met de vorming van hoog geordende structuren16,17. Daarom is het zeer mogelijk dat de CuPc moleculen kunnen worden opgenomen in de lipide bilayers door middel van zelfassemblage.
We geven een gedetailleerde beschrijving van de procedures die worden gebruikt om membranen te vormen en geven enkele suggesties voor een soepele uitvoering van deze procedure. Daarnaast presenteren we enkele presentatieve resultaten van de hybride lipidemembranen en bespreken we mogelijke toepassingen van deze methode.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de voorloperoplossing van het hybride membraan wordt een gemengd organisch oplosmiddel (chloroform en hexaan) in plaats van zuiverchloroform gebruikt om lipiden en CuPc op te lossen. Als zuivere chloroform wordt gebruikt, zou de dichtheid van de precursoroplossing hoger zijn dan water. Daarom is het zeer waarschijnlijk dat de oplossing zou zinken naar de bodem van het water in plaats van verspreid over het wateroppervlak. Het toevoegen van hexaan, een oplosmiddel met een lage dichtheid, aan de precursoroplossing, zorg…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het CREST-programma van het Japan Science and Technology Agency (JPMJCR14F3) en Grant in-Aids van de Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 en 18K14120). Dit werk werd deels uitgevoerd in het Laboratorium voor Nano-elektronica en Spintronica, Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University.
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).
