Monitoring eiwitadsorptie met Solid-state Nanoporiën
Summary
Een methode van het gebruik van solid-state nanoporiën om de niet-specifieke adsorptie van eiwitten te controleren op een anorganisch oppervlak is beschreven. De methode maakt gebruik van de resistieve-puls principe, waardoor de adsorptie aan gezocht worden in real-time en op de single-molecule-niveau. Omdat het proces van enkel eiwit-adsorptie wordt ver van evenwicht, stellen wij de werkgelegenheid van parallelle arrays van synthetische nanoporiën, waardoor voor de kwantitatieve bepaling van de schijnbare eerste orde reactie snelheidsconstante van eiwitadsorptie evenals en de Langmuir adsorptie constant.
Abstract
Solid-state nanoporiën zijn gebruikt om metingen uit te voeren op de single-molecule niveau naar het lokale structuur en flexibiliteit van nucleïnezuren 1-6, het ontvouwen van eiwitten 7, en de bindingsaffiniteit van verschillende liganden acht te onderzoeken. Door het koppelen van deze nanoporiën om de resistieve-pulstechniek 9-12, kan dergelijke metingen worden gedaan onder een breed scala van omstandigheden en zonder de noodzaak voor etikettering 3. In de resistieve-pulse-techniek, is een ionisch zout-oplossing geïntroduceerd op beide zijden van de nanogaatje. Daarom zijn ionen verdreven uit de ene kant van de kamer naar de andere door een toegepaste transmembraan potentieel, wat resulteert in een constante stroom. Het partitioneren van een analyt in de nanogaatje veroorzaakt een goed gedefinieerde doorbuiging in de huidige, die kan worden geanalyseerd om single-molecule informatie eruit te halen. Met behulp van deze techniek kan de adsorptie van enkele eiwitten aan de nanogaatje muren worden gecontroleerd onder een breed scala aanvoorwaarden 13. Eiwit-adsorptie wordt steeds belangrijker, want als microfluïdische apparaten krimpen in omvang, de interactie van deze systemen met enkele eiwitten wordt een punt van zorg. Dit protocol beschrijft een snelle test voor eiwit binding aan nitride films, die gemakkelijk kan worden uitgebreid tot andere dunne films vatbaar voor nanogaatje boren, of om gefunctionaliseerde oppervlakken nitride. Een verscheidenheid van eiwitten kunnen worden bestudeerd onder een breed scala aan oplossingen en denaturerende omstandigheden. Bovendien kan dit protocol worden gebruikt om meer fundamentele problemen met behulp van spectroscopie nanogaatje te verkennen.
Protocol
Discussion
Spontane adsorptie van eiwitten op solid-state oppervlakken 27-29 is van fundamenteel belang in een aantal gebieden, zoals de biochip toepassingen en het ontwerp van een nieuwe klasse van functionele hybride biomaterialen. Eerdere studies hebben aangetoond dat eiwitten geadsorbeerd aan solid-state oppervlakken geen laterale mobiliteit of significante desorptie-tarief is gebleken, en daarom eiwit-adsorptie wordt algemeen beschouwd als een onomkeerbaar en niet-specifieke proces van 30-32. Eiwitadsorp…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag John Grazul (Cornell University), Andre Marziali (The University of British Columbia in Vancouver) en Vincent Tabard-Cossa (The University of Ottawa) bedanken voor hun advies. Dit werk is deels gefinancierd door subsidies van de Amerikaanse National Science Foundation (DMR-0706517 en de DMR-1006332) en de National Institutes of Health (R01-GM088403). De nanogaatje boren werd uitgevoerd op de Electron Microscopy Facility van de Cornell Center for Materials Research (CCMR) met steun van de National Science Foundation – Materials Science and Engineering Research Centers (MRSEC) programma (DMR 0520404). De voorbereiding van de siliciumnitride membranen werd uitgevoerd aan de Cornell nanoschaal Facility, een lid van het National Nanotechnology Infrastructure Network, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (Grant ECS-0335765).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
| Tecnai F20 S/TEM | FEI | S/TEM requires acceleration voltage ≥200kV and field-emission source. | |
| 20 nm thick silicon nitride membrane window for TEM | SPI | 4163SN-BA | |
| Axon Axopatch 200B patch-clamp amplifier | Molecular Devices | ||
| Axon Digidata 1440A | Molecular Devices | ||
| pCLAMP 10 software | Molecular Devices | Electrophysiology Data Acquisition and Analysis Software | |
| Sulfuric Acid | Fisher Scientific | A300 | |
| hydrogen peroxide | Fisher Scientific | H325 | |
| silicone O-rings | McMaster-Carr | 003 S70 | Alternatively use PDMS |
| silver wire | Sigma-Aldrich | 348759 | For electrodes |
| SPC Technology, D sub contact, pin | Newark | 9K4978 | For electrodes |
| potassium chloride | Sigma | P9541 | |
| potassium phosphate dibasic | Sigma | P2222 | |
| potassium phosphate monobasic | Sigma | P5379 | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgar 184 Elastomer set. For making chamber. | |
| Kwik-Cast Sealant | World Precision Instruments | KWIK-CAST | Fast acting silicone sealant |
| hot plate | Fisher Scientific | ||
| Faraday cage |
Riferimenti
- Li, J. Ion-beam sculpting at nanometre length scales. Nature. 412, 166-169 (2001).
- Li, J., Gershow, M., Stein, D., Brandin, E., Golovchenko, J. A. DNA molecules and configurations in a solid-state nanopore microscope. Nat. Mater. 2, 611-615 (2003).
- Dekker, C. Solid-state nanopores. Nature. Nanotechnology. 2, 209-215 (2007).
- Branton, D. The potential and challenges of nanopore sequencing. Nat. Biotechnol. 26, 1146-1153 (2008).
- Wanunu, M., Morrison, W., Rabin, Y., Grosberg, A. Y., Meller, A. Electrostatic focusing of unlabelled DNA into nanoscale pores using a salt gradient. Nat. Nanotechnol. 5, 160-165 (2010).
- Peng, H., Ling, X. S. Reverse DNA translocation through a solid-state nanopore by magnetic tweezers. Nanotechnology. 20, 185101-185101 (2009).
- Talaga, D. S., Li, J. Single-molecule protein unfolding in solid state nanopores. J. Am. Chem. Soc. 131, 9287-9297 (2009).
- Zhao, Q. Detecting SNPs using a synthetic nanopore. Nano. Lett. 7, 1680-1685 (2007).
- Storm, A. J., Chen, J. H., Ling, X. S., Zandbergen, H. W., Dekker, C. Fabrication of solid-state nanopores with single-nanometre precision. Nat. Mater. 2, 537-540 (2003).
- Sexton, L. T. Resistive-pulse studies of proteins and protein/antibody complexes using a conical nanotube sensor. J. Am. Chem. Soc. 129, 13144-13152 (2007).
- Martin, C. R., Siwy, Z. S. Chemistry. Learning nature’s way: biosensing with synthetic nanopores. Science. 317, 331-332 (2007).
- Sexton, L. T. An adsorption-based model for pulse duration in resistive-pulse protein sensing. J. Am. Chem. Soc. 132, 6755-6763 (2010).
- Niedzwiecki, D. J., Grazul, J., Movileanu, L. Single-molecule observation of protein adsoption onto an inorganic surface. J. Am. Chem. Soc. 132, 10816-10822 (2010).
- Wanunu, M., Meller, A., Selvin, P. R., Ha, T. . Single-molecule techniques: a laboratory manual. , 395-420 (2008).
- Han, A. Label-free detection of single protein molecules and protein-protein interactions using synthetic nanopores. Anal. Chem. 80, 4651-4658 (2008).
- Han, A. Sensing protein molecules using nanofabricated pores. Appl. Phys. Lett. 88, (2006).
- Fologea, D., Ledden, B., McNabb, D. S., Li, J. Electrical characterization of protein molecules by a solid-state nanopore. Appl. Phys. Lett. 91, (2007).
- Firnkes, M., Pedone, D., Knezevic, J., Doblinger, M., Rant, U. Electrically Facilitated Translocations of Proteins through Silicon Nitride Nanopores: Conjoint and Competitive Action of Diffusion, Electrophoresis, and Electroosmosis. Nano. Lett. , (2010).
- Pedone, D., Firnkes, M., Rant, U. Data analysis of translocation events in nanopore experiments. Anal. Chem. 81, 9689-9694 (2009).
- Oukhaled, A. Dynamics of Completely Unfolded and Native Proteins through Solid-State Nanopores as a Function of Electric Driving Force. ACS. Nano.. , (2011).
- Yusko, E. C. Controlling protein translocation through nanopores with bio-inspired fluid walls. Nat. Nanotechnol. 6, 253-260 (2011).
- Arafat, A., Schroen, K., de Smet, L. C., Sudholter, E. J., Zuilhof, H. Tailor-made functionalization of silicon nitride surfaces. J. Am. Chem. Soc. 126, 8600-8601 (2004).
- Wanunu, M., Meller, A. Chemically modified solid-state nanopores. Nano. Lett. 7, 1580-1585 (2007).
- Movileanu, L., Cheley, S., Bayley, H. Partitioning of individual flexible polymers into a nanoscopic protein pore. Biophys. J. 85, 897-910 (2003).
- Aksimentiev, A. Deciphering ionic current signatures of DNA transport through a nanopore. Nanoscale. 2, 468-483 (2010).
- Timp, W. Nanopore Sequencing: Electrical Measurements of the Code of Life. IEEE Trans. Nanotechnol. 9, 281-294 (2010).
- Roach, P., Farrar, D., Perry, C. C. Surface tailoring for controlled protein adsorption: effect of topography at the nanometer scale and chemistry. J. Am. Chem. Soc. 128, 3939-3945 (2006).
- Roach, P., Farrar, D., Perry, C. C. Interpretation of protein adsorption: surface-induced conformational changes. J. Am. Chem. Soc. 127, 8168-8173 (2005).
- Brewer, S. H., Glomm, W. R., Johnson, M. C., Knag, M. K., Franzen, S. Probing BSA binding to citrate-coated gold nanoparticles and surfaces. Langmuir. 21, 9303-9307 (2005).
- Schon, P., Gorlich, M., Coenen, M. J., Heus, H. A., Speller, S. Nonspecific protein adsorption at the single molecule level studied by atomic force microscopy. Langmuir. 23, 9921-9923 (2007).
- Rabe, M., Verdes, D., Zimmermann, J., Seeger, S. Surface organization and cooperativity during nonspecific protein adsorption events. J. Phys. Chem. B. 112, 13971-13980 (2008).
- Rabe, M., Verdes, D., Rankl, M., Artus, G. R., Seeger, S. A comprehensive study of concepts and phenomena of the nonspecific adsorption of beta-lactoglobulin. Chemphyschem. 8, 862-872 (2007).
- Micic, M., Chen, A., Leblanc, R. M., Moy, V. T. Scanning Electron Microscopy Studies of Protein-Functionalized Atomic Force Microscopy Cantilever Tips. Scanning. 21, 394-397 (1999).
- Grant, A. W., Hu, Q. H., Kasemo, B. Transmission electron microscopy ‘windows’ for nanofabricated structures. Nanotechnology. 15, 1175-1181 (2004).
- Giannoulis, C. S., Desai, T. A. Characterization of proteins and fibroblasts on thin inorganic films. J. Mater. Sci: Mater. Med. 13, 75-80 (2002).
- Gustavsson, J. Surface modifications of silicon nitride for cellular biosensors applications. J. Mater. Sci: Mater. Med. 19, 1839-1850 (2008).
- Shirshov, Y. M. Analysis of the response of planar polarization interferometer to molecular layer formation: fibrinogen adsorption on silicon nitride surface. Biosens. Bioelectron. 16, 381-390 (2001).
- Chen, P. Atomic layer deposition to fine-tune the surface properties and diamters of fabricated nanopores. Nano. Lett. 4, 1333-1337 (2004).
- Siwy, Z. Protein biosensors based on biofunctionalized conical gold nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 127, 5000-5001 (2005).
- Ding, S., Gao, C., Gu, L. Q. Capturing Single Molecules of Immunoglobulin and Ricin with an Aptamer-Encoded Glass Nanopore. Anal. Chem. , (2009).
- Kim, M. -. J., Wanunu, M., Bell, C. D., Meller, A. Rapid Fabrication of Uniform Size Nanopores and Nanopore Arrays for Parallel DNA Analysis. Adv. Mater. 18, 3149-3153 (2006).
- Bezrukov, S. M. Ion channels as molecular Coulter counters to probe metabolite transport. J. Membr. Biol. 174, 1-13 (2000).
