Su Supramoleküler Polimerlerin Boyut, Şekil ve Stabilite Kontrolü

Summary

Bu deneyin amacı, belirlemek ve su içerisinde kendi kendine monte diskotik amfifiler büyüklüğü, şekli ve stabilite kontrol etmektir. Su bazlı supramoleküler polimerler için bu kontrol seviyesi çok zordur. Biz itici ve çekici etkileşimleri hem kullanarak bir strateji uygulamak. Bu sistem karakterize etmek için uygulanan deney yöntemleri genel olarak uygulanabilir.

Abstract

Su bazlı supramoleküler polimerler için, şekil, boyut ve istikrar üzerinde eşzamanlı kontrolü ¹ çok zordur. Aynı zamanda, bunu yapmak için yetenek elektronik, biyomedikal mühendislik ve sensörleri de dahil olmak üzere fonksiyonel yumuşak konuda bir dizi uygulamalar açısından son derece önemlidir. Tipik olarak ^2,3 şablon, uç Cappers ⁴ ya da seçici bir çözücü teknikleri ⁵ kullanımı üzerinde odaklanmışlardır supramoleküler polimerlerin boyut ve şekil kontrol etmek için geçmişte, başarılı bir strateji ise.

Burada yığın uzunluğu ve düzenli, kiral kolumnar agrega şekli üzerinde kontrol sağlıyordu kendine montaj diskotik amfifiler dayalı bir strateji açıklayamazsınız. Polimerize yapı taşı hidrofobik çekirdeğin içinde hidrofilik jant ve çekici kovalent olmayan güçler üzerinde elektrostatik itici etkileşimler dengeleme, biz küçük ve ayrık küresel nesneleri ^6,7 oluşturmak için yönetebilirsiniz. Increaücretleri bir küre-to-çubuk geçiş neden ekrana tuz konsantrasyonu şarkı. Şaşırtıcı olarak, bu geçiş sıcaklığına bağlı kendinden montaj mekanizması kooperativiteye bir artışı ifade edilir, ve daha kararlı agregalar elde edilir.

Bu çalışmada için bir hidrofobik, florinlenmiş L-fenilalanin bazlı boşluk (Şema 1) aracılığı ile, bir hidrofilik metal şelat bağlanmış bir benzen-1 ,3,5-tricarboxamide (BTA) çekirdek seçmek. Seçilen metal şelat kompleksi ve mutlaka iki zıt iyonları başına iki genel kalan ücretleri içeren bir Gd (III)-DTPA karmaşıktır. Agrega tek boyutlu büyüme π-π istifleme ve moleküller arası hidrojen bağları tarafından yönetilmektedir. Ancak, belli bir boyuta ulaşıldığında kez Gd (III)-DTPA kompleksi başlangıç ​​BTA tabanlı diskotik ve tek boyutlu büyüme sınırlandırılması konusunda ücretleri kaynaklanan elektrostatik, itici güçler. Milimolar konsantrasyonlarda oluşan agrega, sphe varrical olarak şekil ve ¹ H-NMR, küçük açılı X-ışını saçılması ve kriyojenik transmisyon elektron mikroskobu (cryo-TEM) olayla yaklaşık 5 nm çapında. Moleküller arasında, elektrostatik etkileşimler itme gücü tamponlu çözeltiler arasında tuz konsantrasyonu artırarak azaltılabilir. Suçlamaların Bu tarama uzunluğu> 25 nm ile uzun çubuklar halinde küresel büyüklükler arasında bir geçiş neden olur. Cryo-TEM şekil ve boyut değişiklikleri görmenizi sağlar. Buna ek olarak, CD spektroskopi tuz eklenmesinden önce ve sonra, kendi kendine montaj proseslerin mekanistik ayrıntıları türetmek için izin verir. Önemlisi, dramatik elektrostatik etkileşimler taranması üzerine polimerler-arttıkça üretilen supramoleküler fiziksel özelliklerini belirler kooperativiteye-anahtar özelliği. Su içinde oluşturulmuş supramoleküler polimerlerin molekül ağırlığı önemli bir artış kooperativiteye sonuçları bu artış.

Protocol

Şema 1. Yapı bloğunun milimolar konsantrasyonlarda, yaklaşık 5 nm çaplı gösteren küresel agrega içine sitrat tamponunda BTA tabanlı discotics Öz-montaj. 3 çevresinde nm ve uzunluğu> 25 nm çaplı ince uzun çubuklar oluşumunda NaCl sonuçlar ilavesiyle iyonik kuvvet artan. daha büyük Şekil görüntülemek için . 1. NaCl Konsantrasyon Fonksiyonu Olarak Sıcaklığa bağlı CD Spectra CD Spektroskopisi ve Ölçümü için bir BTA-Gd (III) DTPA Çözümler hazırlanması Bir 100 mM sitrat tampon maddesi (pH 6.0) hazırlayın. 2 M NaCl ile bir 100 mM sitrat tampon maddesi (pH 6.0) hazırlayın. BTA-Gd (III) 100 mM sitrat tampon, 10 mL DTPA (MW = 3.184 g • mol -1) t 0,254 mg çözünmesiarget konsantrasyonu 8 • BTA-Gd (III) DTPA 10 -3 mM. 5 dakika boyunca çözelti sonikasyon. Çözümü ile 1 cm UV cuvet doldurun ve 230-350 nm bir CD spektrumu ve 363 den yüksek yoğunluk CD bandında bir CD soğuma eğrisi (örneğin λ = 269 nm) ölçmek – 1 K dk hızında 283 K – 1. M NaCl sitrat tampon çözeltisi 2, yarım konsantrasyonuna discotics seyreltilmesi hedef konsantrasyonu 4 • 10 -3, 1 M NaCl ile iyonik kuvvet arttırmak için BTA-Gd (III) çözeltisi DTPA tamponlu aynı hacimde ekleme BTA-Gd (III) DTPA mM. 5 dakika artmış iyonik gücü ile Vortex çözüm. 1 K dk -1 hızında 283 K – 230-350 nm ve 363 den yüksek yoğunluk CD bandında bir CD soğuma eğrisi bir CD spektrumu Remeasure. 2. T-bağımlı bir model için T-bağımlı CD Data takılmasıent Self-montaj Ham CD veri Kökeni 8.5 ve normalleştirilmiş olarak ihraç edildi. Bu, 1'e eşit olarak ölçülen en düşük sıcaklık 0 eşit olarak ölçülen en yüksek sıcaklık ve CD etkisini CD etkisi tanımlayarak elde edildi. CD-etkinin büyüklüğüne agregasyon derecesini 8 ile orantılı olduğundan, normalize CD-eğrileri agregasyon derecesini ile orantılıdır. Normalize veriler van der Schoot 8,9 türetilmiş bir T-bağımlı kendinden montaj modeli kullanılarak OriginPro 8.5 nonlineer eğri fit seçeneğini kullanarak takıldı. Bu modelde, bir çekirdeklenme ve bir uzama rejimi ayırt edilirler. Birinci uzama rejimi (T <t e) 'de agregasyon derecesini aşağıdaki denklem kullanılarak, monte edilmiştir: yukarıdaki denklemde (değişken sıcaklığı, t, ve aggr derecesi yanında içeriregation, Φ n) üç parametre; n > • s -1. Bir referans olarak, D 2 HDO öz-difüzyon O Varian 2 Hz D 2 O standart örneği ölçüldü ve standart değere kalibre. Agregaların hidrodinamik yarıçapları R H hesaplamak için kullanılan model küresel parçacıkların yayılması için Stokes-Einstein ilişkidir. 5.. Temsilcisi Sonuçlar 1 H-NMR DOSY ve BTA-M (III)-DTPA üzerine SAXS ölçümleri: sitrat tampon içinde küresel nesneleri Periferal Gd (III) kompleks iyonik karakteri çekirdek uzunlamasına çubuk-benzeri agregalar halinde polimerize üzere tasarlanmıştır diskotik monomerler tek boyutlu büyüme engellenme tanıtır. Çekici ve itici etkileşimler arasındaki dengenin boyutu ve agregalar (Şema 2) şeklinde kontrol eder. Şema 2,. Boyutu ve çözelti içinde parçacıklar biçiminde belirlemek için güçlü bir teknikle sinkrotron kaynağı küçük açılı X-ışını dağılma (SAXS) 'dir. BTA-Gd (III)-DTPA bir sitrat tampon çözeltisi içinde eritildi ve SAXS profilleri kaydedildi ve bölgenin 0.01 <q <0.1 a -1 monte edilmiştir. düşük-q bölgesi (q <0.06 Å -1) sıfıra yakın bir yamacında küresel nesneleri (Şekil 1) varlığını düşündüren, toplam şekil anizotropi eksikliği gösterir. farklı konsantrasyonlarda ölçülen veriler 3.2 nm, hesaplanan dönüş yarıçapı, r giden homojen kümil potasyum başlatıcısı varlığında form faktörü kullanılarak edildi. monomerik diskotik bta-gd (iii)-dtpa geometrik yarıçapı 1'e boy oranı ile agrega ve 3.0 nm vardır. <br /> Şekil 1. SAXS profilleri 0,5 azından sitrat tampon içinde BTA-Gd (III)-DTPA (100 mM, pH 6) ve 1.0 mm (üst) için. BTA-Y DOSY NMR (III)-DTPA 50 mM 1.0 mM (alt) at d 6-süksinat tampon. büyük rakam görmek için buraya tıklayın . Kendi oluşturduğunuz nesnelerin küresel şekil ve nanometre boyutunda daha fazla kanıt sağlamak amacıyla, 1 H yapılan difüzyon-sipariş NMR spektroskopisi (1 H-DOSY NMR) (Şekil 1). DOSY-NMR hidrodinamik çapı (R H) hesaplanır edilebileceği agregalar, yayılma katsayıları belirlenmesine olanak tanır. Gd (III) yüksek paramanyetik ve 1 H sinyallerini olduğundan böylece önemli ölçüde genişletmiş olacak, biz diamanyetik Y (III) Gd (III) değişti. Bir döteryumlanmış süksinat tampon içinde toplanmış diamagnetic diskotik amfifil yayılma katsayıları (50 mM, PH 6, C = 1 mM) 0.69×10-10 m 2 s -1 olduğu tespit edildi. Stokes-Einstein ilişkisi aracılığıyla, biz küresel boyutta ayrık nesneleri (Tablo 1) 2.9 nm bir hidrodinamik yarıçapı R H hesaplayabilirsiniz. Bu boyut BTA-Gd (III)-DTPA için SAXS veri elde değeri ile mükemmel bir uyum içindedir. BTA-M (III)-DTPA [MM] D t [10 -10 m 2 s -1] R, H, bir [Nm] R b [Nm] 1 0.69 2.9 3.2 DOSY bir; SAXS gelen b BTA-M (III)-DTPA için SAXS ve DOSY ölçümleri Tablo 1. Sonuçları. BTA-Gd üzerine Cryo-TEM (III)-DTPA: küresel nesnelerden uzamış nanorods için Tek boyutlu bir yığın uzunluğu boyunca başarılı kontrolü için daha fazla kanıt cryo-TEM mikrografları elde edilmiştir. Sulu çözelti camlaşma nedeniyle kriyojenik TEM kendinden monte agregatların yapısal özelliklerini koruyan ve morfoloji konvansiyonel TEM numune hazırlanması ile ilgili etkiler kurutulması. Şekil 2 (sol) olduğu BTA-Gd (III)-DTPA beklenen küresel üretir gösterir önler çapları ile nesneler SAXS ve DOSY ölçümlerinden sonuçlar teyit bir 1 mM konsantrasyonu, azından yaklaşık 6 nm. Bu bulgulara göre, dendritik makromoleküllerin supramoleküler eşdeğer 10 kabul edilebilir Kendi oluşturduğunuz ayrık nesneleri elde etmek mümkün olmuştur. . Şekil 2 BTA-Gd için Cryo-TEM görüntüleri (III)-DTPA sitrat tampon içinde 298 K (100 mM, pH 6) vitrifiye (solda) 1 mM, ölçek çubuğu 50 nm temsil eder;(Sağda) 1 298 mM sitrat tampon K (100 mM, pH 6) ve 5 genel bir NaCl konsantrasyonu M de vitrifiye, ölçek çubuğu 50 nm temsil eder. Şimdiye kadar sadece düşük iyonik kuvvet tamponlanmış çözümler çalıştım. Periferik elektrostatik itici güçleri BTA-Gd (III)-DTPA hüsrana tek boyutlu büyüme kökeni olan M (III)-DTPA kompleksleri ücret Bununla birlikte, eğer beklediğimiz, tamponlu çevre iyonik şiddeti artan Kendi kendine monte nesnenin farklı türde bir dolayısıyla, elektrostatik etkileşimler azaltmak ve, son derece hidratlanmış counterions ile bir inert 01:01 tuzu olmalıdır kullanılarak oluşturulan edilmelidir. 5 M NaCl ihtiva eden sitrat tamponu içinde bu etki gerçekten de (Şekil 2, sağ) gözlemlenmiştir. Yüksek boy oranı oluşumu supramoleküler polimerler çubuk benzeri açıkça yüksek iyonik güçte cryo-TEM mikrografları görülmektedir. Elektrostatik tarama bu bulgu için en olası açıklama. Bir sphe gelen şekil değişiklikleri6 nm kadar birkaç yüz nanometre uzunluğunda çapında uzun çubukların çapı yaklaşık 6 nm rical agrega. BTA-Gd (III)-DTPA CD ölçümleri: iyonik dayanıklılığını artırarak kendi kendine montaj kooperatif devreye Dairesel dikroizm (CD) spektroskopisi sol-elli ve sağ-elli dairesel polarize ışık arasındaki emilim farkı ölçer. Sarmal bir nesne tercih edilen bir sarmal duygusu vardır sağ ve sol-elli dairesel polarize ışık dolayısıyla bir CD-etkisine yol açan, değişik derecelerde absorbe edilecektir zaman. Moleküller arası hidrojen bağları agrega içinde ardışık BTA-Gd (III)-DTPA arasında oluşan bu yana, bir sarmal şekilde dizilmiş ve L-fenilalanin parçasındaki stereojenik merkezi diğer üzerinden bir sarmal anlamda yana, biz açık bir CD bekliyoruz BTA-Gd (III)-DTPA tabanlı agrega 11,12 gelen spektrum. Buna ek olarak, sıcaklık bağımlı CD spektroskopisi, bir güçlüBTA-Gd kendinden montaj mekanizması (III)-DTPA polimerizasyonu değerlendirmek ve aracı oluşan agrega 13 istikrarı sonuçlar elde sağlar. Bir örnek olarak, BTA-Gd oda sıcaklığında CD spektrumu (III)-DTPA artan tuz konsantrasyonu (1.0 M NaCl, 0 M NaCl) ile (100 mM sitrat tampon içinde 8×10 -3 mM ya 4×10 -3 mM) verilmiştir Şekil 3A. Önemli ölçüde daha düşük konsantrasyonda CD ölçümleri için uygulanan rağmen, net Pamuk etkisi bile mikromolar konsantrasyonlarda, sağlam agrega varlığını gösterir. Yığınları ve discotics daha iyi ambalaj periferinde azaltılmış etkileşimler için iyi bir göstergedir tuz konsantrasyonu, artan üzerine CD spektrumunun şekli değişir. Buna ek olarak, aynı çözüm (363-283 K, λ = ölçüldüğünde 269 ya da 278 nm) CD soğutma eğri şekilli belirgin farklılıklara (Şekil 3B) göstermektedir. Apebeveyn T agregasyonu yüksek tuz konsantrasyonu ve CD-etkisi daha ani artış ile karakterize giderek işbirliği mekanizması, yüksek sıcaklıklara başlar vites değişimi hangi e-sıcaklık ortaya çıkıyor. 0 M NaCl de soğuma eğrisi iyi bir isodesmic kendini montaj işlemi tarif edilse de, 1.0 M NaCl de soğuma eğrisi bir kooperatif kendi kendine montaj süreci 14 için tipiktir. İlk durumda, bütün ilişki sabitleri ikinci durumda kendi kendine montaj en az iki farklı aşamalarda gerçekleşir ederken eşit olduğu kabul edilmektedir. Birinci adımda, bir "çekirdek" enerjik olarak son derece istenmeyen olan oluşmuş olması gerekir. Kritik bir polimerizasyon sıcaklığının altına soğutulduktan sonra, yüksek molekül ağırlıklı polimerler içine supramoleküler uzama ve üstel büyüme takip eder. Bir kooperatif modeli kullanılarak BTA-Gd kendinden montaj (III)-DTPA 0 ve 1 M NaCl termodinamik parametrelerin miktarının açıkça K azalma ortaya <8 sabit boyutsuz aktivasyonu alt> a. K için daha düşük bir değeri olarak cryo-TEM görülen yüksek uzunlamasına supramoleküler polimerlerin oluşumu ile ifade edilir kendinden montaj işleminde kooperativiteye yüksek bir derecede, göstermektedir. BTA-Gd (III)-DTPA C NaCl K 8 x10 -3 mM 0 M 5 10 -2 4 x10 -3 mM 1 M -4 1 10 Tablo 2. K ile ifade kooperativiteye derecesi BTA-Gd sıcaklığa bağlı kendine düzeneği (III)-DTPA NaCl konsantrasyonunda (C NaCl) bir fonksiyonu olarak bir. Şekil 3. BTA-GBir 100 mM sitrat tampon maddesi (yüksek iyonik güçte düşük iyonik kuvveti ve 4 x10 -3 mM c = 8 x10 -3 mM) iyonik kuvveti bir fonksiyonu olarak 293 K'de kaydedildi A] CD spektrumu d (III)-DTPA , c = 0 M NaCl – 1.0 M, molar elips Δε aşağıdaki gibi hesaplanır: Δε = CD-etkisi / (cxl) içinde c mol L -1 in BTA konsantrasyonu ve l cm yol uzunluğu olan optik ; B λ ölçülen] ilgili CD soğutma eğrileri 0 M NaCl ve 1 M NaCl çözüm 278 nm = 269 nm NaCl konsantrasyonunun işlevi c = 0 M NaCl olarak agregasyon Φ n derecesi cinsinden ifade – 1.0 M, Φ n CD-etkisi maksimal tarafından CD-etkisi ölçülmüş bölünmesi ile hesaplanır.

Discussion

Gd (III)-DTPA kompleksi içeren bu katkı ele kendine montaj diskotik amfifiler ayarlanabilir atılımı kez yüksek kontrast birleştiren yeni manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ajanları olarak halen araştırılmaktadır. Bu nedenle ^15, bunların ayrıntılarını öz- Farklı koşullardaki davranışı ve kararlılığı montaj kritik önemi vardır. Spektroskopik kombinasyonu (CD, NMR), saçılma (SAXS) ve mikroskobu (cryo-TEM) teknikleri oluşan yapıların görüntülenmesi ve bunların termodinamik parametrelerin ölçümü sağlar. Tekniklerin Bu kombinasyon genellikle okudu sisteminde tercihli helisel anlamda sürece kendi kendine montaj moleküller için geçerlidir sol ve sağ elini dairesel polarize ışığın emilimi bir fark sağlar.

Materials

Name of the reagent/equipment	Company	Catalogue number	Comments
BTA-Gd(III)-DTPA			Made in-house
BTA-Y(III)-DTPA			Made in-house
CD spectroscopy	Jasco	Jasco J-815 spectropolarimeter
NMR	Varian	Varian Unity Inova 500 spectrometer	5-mm ID-PFG probe of Varian
cryo-TEM	FEI	cryoTITAN TEM
SAXS	Dutch-Belgian beamline (BM26B) at the European Synchotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France