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Abstract
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화학

Formation de structures ordonnées biomoléculaires par l'auto-assemblage de peptides courts

Published: November 21, 2013
doi:
10.3791/50946
,
1Institute of Chemistry and The Center for Nanoscience and Nanotechnology,The Hebrew University of Jerusalem

Summary

Ce document décrit la formation de structures à base de peptides hautement ordonnés par le processus spontané d'auto-assemblage. Le procédé utilise des peptides disponibles dans le commerce et l'équipement de laboratoire commun. Cette technique peut être appliquée à une grande variété de peptides et peut conduire à la découverte de nouveaux assemblages à base de peptides.

Abstract

Dans la nature, des structures fonctionnelles complexes sont formés par l'auto-assemblage de biomolécules dans des conditions douces. Comprendre les forces qui contrôlent l'auto-assemblage et en imitant ce processus in vitro apportera des avancées majeures dans les domaines de la science des matériaux et de la nanotechnologie. Parmi les blocs de construction disponibles biologique, les peptides ont plusieurs avantages, car ils présentent une importante diversité, leur synthèse à grande échelle est simple, et ils peuvent facilement être modifiées avec des entités biologiques et chimiques 1,2. Plusieurs classes de peptides conçus comme des peptides cycliques, des peptides amphiphiles et des conjugués peptide-s'auto-assembler en structures ordonnées en solution. Dipeptides homoaromatiques, sont une classe de peptides auto-assemblés courtes qui contiennent toutes les informations nécessaires moléculaire pour former des structures ordonnées telles que les nanotubes, des sphères et des fibrilles 8.3. Une grande variété de ces peptides est disponible dans le commerce.

<pclass = "jove_content"> Cet article présente une procédure qui conduit à la formation de structures ordonnées par l'auto-assemblage de peptides homoaromatiques. Le protocole exige que des réactifs commerciaux et du matériel de laboratoire de base. En outre, le document décrit certaines des méthodes disponibles pour la caractérisation des assemblages à base de peptides. Ces méthodes comprennent électrons et microscopie à force atomique et Fourier spectroscopie infrarouge à transformée (FT-IR). En outre, le manuscrit montre le mélange de peptides (co-assemblage) et la formation d'un «perles sur une ficelle" de structure comme par ce processus. 9 Les protocoles présentés ici peuvent être adaptées à d'autres classes de peptides ou des blocs de construction biologique et peuvent potentiellement conduire à la découverte de nouvelles structures à base de peptides et d'un meilleur contrôle de leur assemblage.

Introduction

formes de la nature et des structures ordonnées fonctionnelle par le processus de l'auto-assemblage biomoléculaire. Comprendre les forces qui régissent ce processus spontané peut conduire à la capacité d'imiter l'auto-assemblage in vitro et par conséquent à des avancées majeures dans le domaine des sciences des matériaux 10,11. Peptides, en particulier, sont très prometteurs comme un bloc de construction biomoléculaire, car ils présentent grande diversité structurelle, la facilité de la synthèse chimique, et peuvent facilement être fonctionnalisés avec des entités biologiques et chimiques. Le domaine de peptide auto-assemblage a été lancée par Ghadiri et ses collègues, qui ont manifesté l'auto-assemblage de nanotubes de peptides par des peptides cycliques avec une alternance de D-et L-acides aminés 12. D'autres approches réussies à la conception d'ensembles de peptides comprennent des peptides linéaires de bolaamphiphile 5, amphiphiles (AP) 6, les peptides non conjugués auto-complémentaires ioniques 13, les peptides de type tensioactif <sup> 4,14, et deux blocs copolypeptides 15.

Une approche plus récente consiste à l'auto-assemblage de peptides courts aromatiques, appelé dipeptides homoaromatiques. Ces peptides comprennent seulement deux acides aminés avec la nature aromatique (par exemple, Phe-Phe, le dicarbonate de tert-butyle (Boc)-Phe-Phe) 7,8,16-21. Les structures formées par ces peptides homoaromatiques comprennent des structures tubulaires, des sphères, des assemblages en forme de feuilles et de fibres 6,8,15,21-32. Les fibres dans certains cas de générer un treillis de fibrilles qui donne un hydrogel de 33 à 37. Ces assemblées ont été exploitées pour des applications de biocapteurs, administration de médicaments, l'électronique moléculaire, etc 38-45.

Ce document décrit les étapes expérimentales nécessaires pour commencer l'auto-assemblage spontané de peptides homoaromatiques. En outre, elle présente le processus de peptide co-assemblage. Ce processus implique l'auto-assemblage de plus d'un type de peptidemonomère.

Notre démonstration comprend le co-assemblage de deux peptides disponibles dans le commerce: le peptide diphénylalanine (NH 2-Phe-Phe-COOH) et son analogue protégé Boc (Boc-Phe-Phe-OH). Chacun des peptides s'auto-assemble en une structure supramoléculaire: les formulaires diphénylalanine peptidiques assemblages tubulaires et les Boc-Phe-Phe-OH peptides s'auto-assemble en soit des sphères ou des fibres en fonction du solvant 7,17,46. Nous avons mélangé les deux peptides dans certains ratios et caractérisé les assemblées entraîné par microscopie électronique, la microscopie à force et la spectroscopie FT-IR. Les méthodes ont démontré la formation d'une structure à base de peptide qui est constitué d'éléments sphériques ayant un diamètre de quelques microns (1-4 um) qui sont reliées par des assemblages de forme allongée d'un diamètre de quelques centaines de nanomètres (~ 300 à 800 nm) . Les assemblages ressemblent cordes perlées dans leur morphologie, les structures sphériques semblent être vissé sur leensembles allongés. Nous avons appelé donc ces ensembles "colliers" biomoléculaires. Les "colliers biomoléculaires» pourraient servir de nouveau biomatériau, comme un agent de l'administration de médicaments ou comme un échafaudage pour des applications électroniques. De plus, la procédure qui conduit à l'auto-assemblage des peptides peut être utilisé avec d'autres classes de peptides et de biomolécules. Elle peut conduire à une meilleure compréhension des forces impliquées dans l'auto-assemblage et la formation de nouvelles structures ordonnées.

Protocol

Une. L'auto-assemblage de homoaromatiques Dipeptides Peser le peptide souhaité sous sa forme lyophilisée (par exemple, NH 2-Phe-Phe-OH, Boc-Phe-Phe-COOH) et de préparer une solution mère en dissolvant le peptide dans du 1,1,1,3,3,3-hexafluoro -2-propanol (HFP) à la concentration appropriée (par exemple 100 mg / ml de NH 2-Phe-Phe-OH et Boc-Phe-Phe-COOH) 7,17,46. Mélanger la solution avec vortex et place sur le banc jusqu'à ce que le …

Representative Results

Ce document décrit un procédé pour la formation de structures ordonnées à la nano-échelle micrométrique et par l'auto-assemblage des peptides. Afin de démontrer ce processus simple, nous présentons et caractériser le co-assemblage de deux peptides aromatiques simples (figure 1). L'un des peptides est la NH 2-Phe-Phe-OH (diphénylalanine) peptide, qui peut s'auto-assembler en une solution aqueuse dans des structures tubulaires creuses de dimensions nanométriques 7.<…

Discussion

En résumé, ce document montre la facilité avec laquelle les assemblages à base de peptides peuvent être formés in vitro. Le procédé implique des peptides et des solvants disponibles dans le commerce, et il se produit spontanément dans les conditions ambiantes, lors de l'addition d'un solvant polaire pour le tube à essai. Il est essentiel d'utiliser un solvant HFP comme des peptides, en raison de la faible solubilité des peptides dans d'autres solvants organiques. En outre, en raison d…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par la réintégration internationale Marie Curie Grant et par la Fondation allemande Israël. Nous reconnaissons M. Yair Razvag pour l'analyse AFM.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
NH2-Phe-Phe-OH Bachem G-2925.0001
Boc-Phe-Phe-OH Bachem A-3205.0005
1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol Sigma-Aldrich 52512-100ML
Ethanol absolute (Dehydrated) AR sterile Bio-Lab Ltd. 52555 Blending with TDW for the preparation of 50% solution
Uranyl acetate Sigma-Aldrich 73943 For negative staining. It is possible to work without it.
glass cover slip Marienfeld Laboratory Glassware 110590
TEM grids Electron Microscopy Sciences FCF200-Cu-50 Formvar/Carbon 200 Mesh, Cu
Quantitive filter paper Whatman 1001055
Deuterium Oxide (D2O) Sigma-Aldrich 151882-100G 99.9 atom % D
CaF2 window PIKE Technologies 160-1212 25 mm x 2 mm window. For FT-IR measurments
AFM tips NanoScience Instruments CFMR Aspire probes, CFMR-25 series
Filter units Millipore SLGV033RS Millex-GV, 0.22 μm, PVDF, 33 mm, gamma sterilized
SEM FEI Quanta 200 ESEM
TEM FEI Tecnai T12 G2 Spirit
AFM JPK Instruments A JPK NanoWizard3
FT-IR Thermo Fisher Scientific Nicolet 6700 advanced gold spectrometer
FT-IR Purge Parker BALSTON FT-IR Purge Gas Generator model 75-52
OMNIC (Nicolet) software Thermo Nicolet Corporation For FT-IR spectra analysis
Vortex mixer Wisd Laboratory Equipment ViseMix VM
Weight Mettler Toledo NewClassic MS
Sputter coater Polaron SC7640 Sputter Coater
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References

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Keywords: Self-assemblyBiomolecular StructuresPeptidesHomoaromatic DipeptidesNanotubesSpheresFibrilsElectron MicroscopyAtomic Force MicroscopyFT-IRCoassemblyBeads On A String
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Yuran, S., Reches, M. Formation of Ordered Biomolecular Structures by the Self-assembly of Short Peptides. J. Vis. Exp. (81), e50946, doi:10.3791/50946 (2013).
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