Selbstmontage von Hybrid-Lipidmembranen, dotiert mit hydrophoben organischen Molekülen an der Wasser-Luft-Schnittstelle
Summary
Wir berichten über ein Protokoll zur Herstellung einer Hybrid-Lipidmembran an der Wasser-Luft-Schnittstelle, indem wir die Lipid-Doppelschicht mit Kupfer (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-Phthalocyanin (CuPc) Molekülen dopen. Die resultierende Hybrid-Lipidmembran hat eine Lipid/CuPc/Lipid-Sandwichstruktur. Dieses Protokoll kann auch auf die Bildung anderer funktioneller Nanomaterialien angewendet werden.
Abstract
Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, einschließlich einer ultradünnen Dicke (3-4 nm), ultrahohem Widerstand, Fließfähigkeit und Selbstmontagefähigkeit, können Lipid-Doppelschichten leicht funktionalisiert werden und wurden in verschiedenen Anwendungen wie Biosensoren und Bio-Geräten verwendet. In dieser Studie haben wir ein planares organisches Molekül eingeführt: Kupfer (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-Phthalocyanin (CuPc) um Lipidmembranen zu dope. Die CuPc/lipid Hybridmembran bildet sich per Selbstmontage an der Wasser-Luft-Schnittstelle. In dieser Membran befinden sich die hydrophoben CuPc-Moleküle zwischen den hydrophoben Schwänzen von Lipidmolekülen und bilden eine Lipid/CuPc/Lipid-Sandwichstruktur. Interessanterweise kann eine luftstabile Hybrid-Lipid-Bilayer leicht gebildet werden, indem die Hybridmembran auf ein Si-Substrat übertragen wird. Wir berichten über eine einfache Methode zur Integration von Nanomaterialien in ein Lipid-Bilayer-System, das eine neue Methode für die Herstellung von Biosensoren und Biogeräten darstellt.
Introduction
Als wesentliche Sanurnrahmen werden das Innere der Zellen durch ein Lipid-Doppelschichtsystem vom Äußeren getrennt. Dieses System besteht aus amphiphilen Phospholipiden, die aus hydrophilen Phosphorester-“Köpfen” und hydrophoben Fettsäuren “Schwänzen” bestehen. Aufgrund der bemerkenswerten Fließfähigkeit und Selbstmontagefähigkeit von Lipid-Doppelschichten in wässriger Umgebung1,2können künstliche Lipid-Doppelschichten mit einfachen Methoden gebildet werden3,4. Verschiedene Arten von Membranproteinen, wie Ionenkanäle, Membranrezeptoren und Enzyme, wurden in die künstliche Lipid-Bilayer integriert, um die Funktionen der Zellmembranen5,6nachzuahmen und zu untersuchen. In jüngerer Zeit wurden Lipid-Doppelschichten mit Nanomaterialien (z.B. Metall-Nanopartikel, Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren) dotiert, um funktionelle Hybridmembranen7,8,9,10,11,12,13zu bilden. Ein weit verbreitetes Verfahren zur Bildung solcher Hybridmembranen beinhaltet die Bildung von dotierten Lipidbläschen, die hydrophobe Materialien wie modifizierte Au-Nanopartikel7 oder Kohlenstoff-Nanoröhren11enthalten, und die resultierenden Vesikel werden dann zu planaren Lipid-Doppelschichten verschmolzen. Dieser Ansatz ist jedoch komplex und zeitaufwändig, was die Einsatzmöglichkeiten solcher Hybridmembranen einschränkt.
In dieser Arbeit wurden Lipidmembranen mit organischen Molekülen dotiert, um Hybrid-Lipidmembranen zu produzieren, die sich an der Wasser-Luft-Schnittstelle durch Selbstmontage bildeten. Dieses Protokoll umfasst drei Schritte: Die Vorbereitung der Mischlösung, die Bildung einer Hybridmembran an der Wasser-Luft-Schnittstelle und die Übertragung der Membran auf ein Si-Substrat. Im Vergleich zu anderen zuvor gemeldeten Methoden ist die hier beschriebene Methode einfacher und erfordert keine ausgeklügelte Instrumentierung. Mit dieser Methode können luftstabile Hybrid-Lipidmembranen mit einer größeren Fläche in kürzerer Zeit gebildet werden. Das in dieser Studie verwendete Nanomaterial ist ein halbleitendes organisches Molekül, Kupfer (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-Phthalocyanin (CuPc), das in einer Reihe von Anwendungen weit verbreitet ist, einschließlich Solarzellen, Photodetektoren, Gassensoren und Katalyse14,15. CuPc, ein kleines organisches Molekül mit einer planaren Struktur, hat eine hohe Affinität zu den “Schwänzen” des Phospholipid-Duos zu seinen hydrophoben Eigenschaften. Andere Gruppen haben berichtet, dass CuPc-Moleküle sich auf Einkristalloberflächen mit der Bildung von hochgeordneten Strukturen selbst zusammensetzen können16,17. Daher ist es sehr gut möglich, dass die CuPc-Moleküle durch Selbstmontage in die Lipid-Doppelschichten eingearbeitet werden.
Wir bieten eine detaillierte Beschreibung der Verfahren zur Bildung von Membranen und einige Vorschläge für eine reibungslose Umsetzung dieses Verfahrens. Darüber hinaus stellen wir einige präsentationswerte Ergebnisse der Hybridlipidmembranen vor und diskutieren mögliche Anwendungen dieser Methode.
Protocol
Representative Results
Discussion
In der Vorläuferlösung der Hybridmembran wird ein gemischtes organisches Lösungsmittel (Chloroform und Hexan) anstelle von reinem Chloroform verwendet, um Lipide und CuPc aufzulösen. Bei Verwendung von reinem Chloroform wäre die Dichte der Vorläuferlösung höher als bei Wasser. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass die Lösung auf den Grund des Wassers sinken würde, anstatt sich auf der Wasseroberfläche auszubreiten. Die Zugabe von Hexan, einem Lösungsmittel mit geringer Dichte, zur Vorläuferlösung stellt si…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch das CREST-Programm der Japan Science and Technology Agency (JPMJCR14F3) und Grant in-Aids von der Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 und 18K14120) unterstützt. Diese Arbeiten wurden teilweise am Labor für Nanoelektronik und Spintronik, Forschungsinstitut für elektrische Kommunikation, Tohoku Universität durchgeführt.
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 |
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