Selvmontering av hybrid lipidmembraner dopet med hydrofobe organiske molekyler ved vann-/luftgrensesnittet

Summary

Vi rapporterer en protokoll for å produsere en hybrid lipidmembran ved vann – / luftgrensesnittet ved å doping lipid bilayer med kobber (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-ftthalocyanine (CuPc) molekyler. Den resulterende hybrid lipid membran har en lipid / CuPc / lipid sandwich struktur. Denne protokollen kan også brukes på dannelsen av andre funksjonelle nanomaterialer.

Abstract

På grunn av deres unike egenskaper, inkludert en ultratyn tykkelse (3-4 nm), ultrahøy resistivitet, flyt og selvmonteringsevne, kan lipid bilayers lett funksjonaliseres og har blitt brukt i ulike applikasjoner som biosensorer og bio-enheter. I denne studien introduserte vi et planær organisk molekyl: kobber (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-ftalaocyanin (CuPc) til dope lipid membraner. CuPc/lipid hybridmembran dannes ved vann-/luftgrensesnittet ved selvmontering. I denne membranen er de hydrofobe CuPc-molekylene plassert mellom de hydrofobe halene til lipidmolekyler, og danner en lipid / CuPc / lipid sandwichstruktur. Interessant, en luftstabil hybrid lipid bilayer kan lett dannes ved å overføre hybrid membranen til en Si substrat. Vi rapporterer en enkel metode for å innlemme nanomaterialer i et lipid bilayer system, som representerer en ny metodikk for fabrikasjon av biosensorer og biodevices.

Introduction

Som essensielle rammer av cellemembraner, er det indre av celler skilt fra utsiden av et lipid bilayer system. Dette systemet består av amfifile fosfolipider, som består av hydrofile fosfor ester “hoder” og hydrofobe fettsyrer “haler”. På grunn av bemerkelsesverdig flyt og selvmonteringsevne lipid bilayers i vandig miljø^1,2, kan kunstige lipid bilayers dannes ved hjelp av enkle^{metoder 3,4}. Ulike typer membranproteiner, som iionkanaler, membranreseptorer og enzymer, har blitt innlemmet i den kunstige lipid bilayer for å etterligne og studere funksjonene til cellemembraner^5,6. Mer nylig har lipid bilayers blitt dopet med nanomaterialer (f.eks metall nanopartikler, grafen og karbon nanorør) for å danne funksjonelle hybridmembraner^{7,8,9,10,11,12,13}. En mye brukt metode for å danne slike hybridmembraner innebærer dannelsen av dopet lipid vesikler, som inneholder hydrofobe materialer som modifiserte Au-nanopartikler⁷ eller karbon nanorør¹¹, og de resulterende vesikler blir deretter smeltet sammen til planar støttet lipid bilayers. Denne tilnærmingen er imidlertid kompleks og tidkrevende, noe som begrenser den potensielle bruken av slike hybridmembraner.

I dette arbeidet ble lipidmembraner dopet med organiske molekyler for å produsere hybrid lipidmembraner som dannes ved vann / luftgrensesnitt ved selvmontering. Denne protokollen innebærer tre trinn: utarbeidelse av den blandede løsningen, dannelse av en hybrid membran ved vann / luftgrensesnitt, og overføring av membranen til et Si-substrat. Sammenlignet med andre tidligere rapporterte metoder, er metoden som er beskrevet her enklere og krever ikke sofistikert instrumentering. Ved hjelp av denne metoden kan luftstabile hybridlipidmembraner med et større område dannes på kortere tid. Nanomaterialet som brukes i denne studien er et halvledende organisk molekyl, kobber (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-ftalaocyanin (CuPc), som er mye brukt i en rekke applikasjoner, inkludert solceller, fotodetektorer, gasssensorer og katalyse^14,15. CuPc, et lite organisk molekyl med en planarstruktur, har en høy affinitet for “haler” av fosfolipidduo til sine hydrofobe egenskaper. Andre grupper har rapportert at CuPc molekyler kan selv montere på single-krystall overflater med dannelsen av høyt bestilte strukturer^16,17. Derfor er det svært mulig at CuPc-molekylene kan innlemmes i lipid bilayers gjennom selvmontering.

Vi gir en detaljert beskrivelse av prosedyrene som brukes til å danne membraner og gi noen forslag til å implementere denne prosedyren jevnt. I tillegg presenterer vi noen presentative resultater av hybrid lipidmembranene, og diskuterer potensielle anvendelser av denne metoden.

Protocol

1. Utarbeidelse av en hybrid løsning Vask fire 4 ml engangsglassglass og skruehettter (med PTFE-belagte tetninger) i et ultralydbad i 10 min i destillert vann (renset med et filtreringssystem), etterfulgt av henholdsvis etanol og kloroform. Tørk hetteglassene og hettene i en strøm av nitrogengass. I en anaerob hanskeboks, lag en CuPc lagerløsning (10 mg / ml) i et vasket hetteglass med glass ved å oppløse pulverisert CuPc i kloroform. Filtrer CuPc-løsningen gjennom en 0,2 μm polytetr…

Representative Results

Den as-formede membranen har en jevn lyseblå farge på grunn av tilstedeværelsen av CuPc molekyler. Området av den fargede membranen er normalt flere kvadratcentimeter. I figur 1A og figur 1Bviser vi et mikroskopisk bilde og et atomkraftmikroskop (AFM) bilde (inkludert en høydeprofil) av hybrid lipidmembranen på et Si-substrat. I AFM-bildet er membranen øverst til venstre tykk, med en tykkelse på 79,4 nm og at nederst til høyre er tynn, med en tykkelse p…

Discussion

I forløperløsningen av hybridmembranen brukes et blandet organisk løsningsmiddel (kloroform og heksan) i stedet for ren kloroform til å oppløse lipider og CuPc. Hvis ren kloroform brukes, vil tettheten av forløperløsningen være høyere enn vann. Derfor er det svært sannsynlig at løsningen vil synke til bunnen av vannet i stedet for å spre seg på vannoverflaten. Legge hexane, en lav tetthet løsemiddel, til forløperen løsning, sikrer at løsningen vil flyte på vannoverflaten og danne en jevn hybrid membran …

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