Selvsamling af hybridlipidmembraner dopede med hydrofobe organiske molekyler på Vand / Air Interface
Summary
Vi rapporterer en protokol for fremstilling af en hybrid lipid membran på vand / luft interface ved doping lipid tolags med kobber (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanin (CuPc) molekyler. Den resulterende hybrid lipid membran har en lipid / CuPc / lipid sandwich struktur. Denne protokol kan også anvendes på dannelsen af andre funktionelle nanomaterialer.
Abstract
På grund af deres unikke egenskaber, herunder en ultratynd tykkelse (3-4 nm), ultrahøj resistivitet, fluiditet og selv-samling evne, lipid tolags kan let funktionaliseres og har været brugt i forskellige applikationer såsom bio-sensorer og bio-enheder. I denne undersøgelse introducerede vi et planar organisk molekyle: kobber (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanin (CuPc) til dope lipidmembraner. CuPc/lipidhybridmembranen dannes ved vand-/luftgrænsefladen ved selvmontering. I denne membran er de hydrofobe CuPc molekyler placeret mellem de hydrofobe haler af lipidmolekyler, danner en lipid / CuPc / lipid sandwich struktur. Interessant, en luft-stabil hybrid lipid tolags let kan dannes ved at overføre hybridmembranen på en Si substrat. Vi rapporterer en enkel metode til at indarbejde nanomaterialer i et lipidtayer-system, som repræsenterer en ny metode til fremstilling af biosensorer og biodevicer.
Introduction
Som væsentlige rammer for cellemembraner, er det indre af celler adskilt fra ydersiden af en lipid tolagssystem. Dette system består af amfifile fosfolipider, som består af hydrofile fosforester “hoveder” og hydrofobe fedtsyrer “haler”. På grund af bemærkelsesværdig fluiditet og selvsamling evne lipid tolags i vandigemiljø 1,2,kunstige lipid tolags kan dannes ved hjælp af enklemetoder 3,4. Forskellige typer af membran proteiner, såsom ion kanaler, membran receptorer og enzymer, er blevet indarbejdet i den kunstige lipid tolags at efterligne og studere funktionerne i cellemembraner5,6. På det seneste er lipid-tolags blevet dotet med nanomaterialer (f.eks. metalnanopartikler, grafen og kulstofnanorør) til at danne funktionelle hybridmembraner7,8,9,10,11,12,13. En udbredt metode til at danne sådanne hybride membraner indebærer dannelsen af dotet lipid vesikler, som indeholder hydrofobe materialer såsom modificerede Au-nanopartikler7 eller kulstof nanorør11, og de resulterende vesikler er derefter smeltet ind planar understøttede lipid billagere. Denne fremgangsmåde er imidlertid kompleks og tidskrævende, hvilket begrænser de potentielle anvendelser af sådanne hybride membraner.
I dette arbejde blev lipidmembraner doteret med organiske molekyler til at producere hybrid lipid membraner, der dannes ved vand / luft interface ved selv-samling. Denne protokol omfatter tre trin: forberedelse af den blandede opløsning, dannelse af en hybrid membran ved vand/luft-grænsefladen og overførsel af membranen til et Si-substrat. Sammenlignet med andre tidligere rapporterede metoder er den metode, der er beskrevet her, enklere og kræver ikke avanceret instrumentering. Ved hjælp af denne metode kan luftstænde hybridlipidmembraner med et større område dannes på kortere tid. Nanomaterialet, der anvendes i denne undersøgelse, er et halvledende organisk molekyle, kobber (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanin (CuPc), som er meget udbredt i en række anvendelser, herunder solceller, fotodetektorer, gassensorer og katalyse14,15. CuPc, et lille organisk molekyle med en planar struktur, har en høj affinitet for “haler” af fosfolipider duo til sine hydrofobe egenskaber. Andre grupper har rapporteret, at CuPc molekyler kan selv samle på enkelt-krystal overflader med dannelsen af højt bestiltestrukturer 16,17. Derfor er det meget muligt, at CuPc molekyler kunne indarbejdes i lipid tolags gennem selv-samling.
Vi giver en detaljeret beskrivelse af de procedurer, der anvendes til at danne membraner og give nogle forslag til en smidig gennemførelse af denne procedure. Derudover præsenterer vi nogle præsentative resultater af hybridlipidmembraner og diskuterer potentielle anvendelser af denne metode.
Protocol
Representative Results
Discussion
I den prækursoropløsning af hybridmembranen anvendes et blandet organisk opløsningsmiddel (chloroform og hexan) i stedet for ren kloroform til at opløse lipider og CuPc. Hvis der anvendes ren chloroform, vil tætheden af prækursoropløsningen være højere end vand. Derfor er det meget sandsynligt, at opløsningen ville synke til bunden af vandet i stedet spredes på vandoverfladen. Tilsætning hexan, en lav densitet opløsningsmiddel, til forløberen løsning, sikrer, at opløsningen vil flyde på vandoverfladen og…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af CREST-programmet fra Japan Science and Technology Agency (JPMJCR14F3) og Grant in-Aids fra Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 og 18K14120). Dette arbejde blev delvist udført på Laboratoriet for Nanoelektronik og Spintronics, Forskningsinstitut for Elektrisk Kommunikation, 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).
