JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

أو-تفاعل Slp1 البوليمرات واحد رقائق من<em> Lysinibacillus كروي</em> JG-B53 - QCM-D، ICP-MS وAFM كأدوات للدراسات جزيء حيوي المعادن

Published: January 19, 2016
doi:
10.3791/53572
, ,
1Helmholtz Institute Freiberg for Resource Technology,Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 2Institute for Resource Ecology,Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Summary

To obtain basic information on the sorption and recycling of gold from aqueous systems the interaction of Au(III) and Au(0) nanoparticles on S-layer proteins were investigated. The sorption of protein polymers was investigated by ICP-MS and that of proteinaceous monolayers by QCM-D. Subsequent AFM enables the imaging of the nanostructures.

Abstract

In this publication the gold sorption behavior of surface layer (S-layer) proteins (Slp1) of Lysinibacillus sphaericus JG-B53 is described. These biomolecules arrange in paracrystalline two-dimensional arrays on surfaces, bind metals, and are thus interesting for several biotechnical applications, such as biosorptive materials for the removal or recovery of different elements from the environment and industrial processes. The deposition of Au(0) nanoparticles on S-layers, either by S-layer directed synthesis 1 or adsorption of nanoparticles, opens new possibilities for diverse sensory applications. Although numerous studies have described the biosorptive properties of S-layers 2-5, a deeper understanding of protein-protein and protein-metal interaction still remains challenging. In the following study, inductively coupled mass spectrometry (ICP-MS) was used for the detection of metal sorption by suspended S-layers. This was correlated to measurements of quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), which allows the online detection of proteinaceous monolayer formation and metal deposition, and thus, a more detailed understanding on metal binding.

The ICP-MS results indicated that the binding of Au(III) to the suspended S-layer polymers is pH dependent. The maximum binding of Au(III) was obtained at pH 4.0. The QCM-D investigations enabled the detection of Au(III) sorption as well as the deposition of Au(0)-NPs in real-time during the in situ experiments. Further, this method allowed studying the influence of metal binding on the protein lattice stability of Slp1. Structural properties and protein layer stability could be visualized directly after QCM-D experiment using atomic force microscopy (AFM). In conclusion, the combination of these different methods provides a deeper understanding of metal binding by bacterial S-layer proteins in suspension or as monolayers on either bacterial cells or recrystallized surfaces.

Introduction

نظرا لتزايد استخدام الذهب لعدة تطبيقات مثل الالكترونيات والمواد الحفازة، أجهزة الاستشعار، أو الأدوات الطبية، نما الطلب على هذا المعدن النفيس أكثر من مرة خلال السنوات القليلة الماضية "6-9. يتم الافراج عن الذهب، فضلا عن العديد من المعادن الثمينة والثقيلة الأخرى في البيئة من خلال النفايات الصناعية السائلة في تركيزات المخففة، من خلال أنشطة التعدين، والتخلص من النفايات 7،8،10، على الرغم من أن معظم التلوث البيئي بالمعادن الثقيلة أو الثمينة هو عملية مستمرة الناجمة أساسا عن الأنشطة التكنولوجية. وهذا يؤدي إلى تدخل كبير من النظم الإيكولوجية الطبيعية، ويمكن أن تهدد صحة الإنسان 9. معرفة هذه النتائج السلبية يشجع على البحث عن تقنيات جديدة لإزالة المعادن من النظم الإيكولوجية والتحسينات الملوثة في إعادة تدوير المعادن من مياه الصرف الصناعي. أساليب الفيزيائية والكيميائية راسخة مثل هطول الأمطار أو التبادل الأيوني ليست فعالة جدا، وخصوصا في عاليةلاي المخفف حلول 7،8،11. Biosorption، إما مع المعيشة أو الكتلة الحيوية الميتة، هو بديلا جذابا لمعالجة مياه الصرف الصحي 10،12. استخدام مثل هذه المواد البيولوجية يمكن أن تقلل من استهلاك المواد الكيميائية السامة. وقد وصفت العديد من الكائنات الحية الدقيقة لتتراكم أو شل المعادن. على سبيل المثال، خلايا Lysinibacillus كروي (L. كروي) JG-A12 أظهرت قدرات عالية ملزمة للمعادن الثمينة، على سبيل المثال، PD (II)، وحزب العمال (II)، والاتحاد الافريقي (III)، والمعادن السامة الأخرى مثل الرصاص (II) أو U (VI) 4،13، خلايا العصوية الضارية لالكروم (VI) 14، خلايا خميرة الخباز لحزب العمال (II) والمشتريات (II) 15، وشلوريلا المبتذلة ل Au (III) وU (VI) 16 17. الربط المعادن السابقة مثل الاتحاد الافريقي (III)، PD (II)، وحزب العمال (II) كما تم الإبلاغ عن منتزعة الكبريت desulfuricans 18 وL. كروي JG-B53 19،20. ومع ذلك، لا آلالميكروبات ل ربط كميات عالية من المعادن وتطبيقها كمادة sorptive محدودة 12،21. وعلاوة على ذلك، معدنية سعة ملزم يعتمد على معايير مختلفة، مثل تكوين الخلية، وتستخدم المكون الحيوي، أو البيئية والظروف التجريبية (درجة الحموضة، والقوة الأيونية، ودرجة الحرارة وما إلى ذلك). دراسة معزولة شظايا جدار الخلية 22،23، مثل الدهون غشاء، ببتيدوغليكان، البروتينات، أو غيرها من المكونات، ويساعد على فهم المعدن عمليات الخلايا الكاملة المعقدة التي شيدت 8،21 ملزمة.

مكونات الخلية التي تركز على هذه الدراسة هي بروتينات S-طبقة. البروتينات S-طبقة هي جزء من المغلف الخلية الخارجي من العديد من أنواع البكتيريا والعتيقة، والتي تشكل حوالي 15-20٪ من مجموع كتلة البروتين من هذه الكائنات. واجهة الأولى للبيئة، فإن هذه المركبات الخلية يؤثر بقوة على خصائص الامتصاص البكتيرية 3. البروتينات S-طبقة مع الأوزان الجزيئية تتراوح بين أربعينلتنتج مئات من كيلو دالتون داخل الخلية، ولكن يتم تجميعها خارج حيث أنها قادرة على تشكيل طبقات على الأغشية الدهنية أو البوليمر مكونات جدار الخلية. مرة واحدة معزولة، ما يقرب من جميع S-طبقة بروتينات لها خاصية ذاتية للعفويا التجمع الذاتي في التعليق، في واجهات، أو على الأسطح المستوية أو تشكيل أنبوب يشبه الهياكل 3. سمك أحادي الطبقة البروتين يعتمد على البكتيريا وضمن مجموعة من 5-25 نانومتر 24. بشكل عام، يمكن الهياكل بروتين S-طبقة تشكلت لديهم المائل (P1 أو P2)، مربع (P4)، أو سداسية (P3 أو P6) التماثل مع ثوابت شعرية من 2،5 حتي 35 نانومتر 3،24. يبدو أن تشكيل شعرية ليكون في كثير من الحالات تعتمد على الكاتيونات ثنائي التكافؤ وبشكل رئيسي على الكالسيوم 2+ 25،26، راف، J. آخرون. S-طبقة nanocomposites استنادا للتطبيقات الصناعية في القائمة على البروتين المهندسة النانو. (محرران Tijana Z. غروف وAitziber L. Cortajarena) (الوثاب، 2016 (المقدمة)). ومع ذلك، فإن سلسلة التفاعل الكامل للطي مونومر، التفاعل مونومر-مونومر، تشكيل شعرية، ودور المعادن المختلفة، وخاصة من الكاتيونات ثنائي التكافؤ مثل الكالسيوم والمغنيسيوم 2+ 2+، لا تزال غير مفهومة تماما.

سلالة إيجابية الجرام L. تم عزل كروي JG-B53 (التي أعيدت تسميتها من عصيات كروي بعد تصنيف النشوء والتطور الجديد) 27 من كومة من النفايات تعدين اليورانيوم "Haberland" (Johanngeorgenstadt، ساكسونيا، ألمانيا) 4،28،29. في ظيفية البروتين S-طبقة (Slp1) يمتلك شعرية مربع، الوزن الجزيئي من 116 كيلو دالتون 30، وسمك ≈ 10 نانومتر في العيش البكتيريا الخلايا 31. في دراسات سابقة، وقد تحقق تشكيل في المختبر من طبقة البروتين المغلقة ومستقرة مع سمك حوالي 10 نانومتر في أقل من 10 دقيقة 19. سلالة ذات الصلة L. كروي JG-A12، أيضا عزل من "Haberland" كومة، يمتلك قدرات معدنية عالية ملزمة وأظهرت معزول بروتين S-طبقته على معدلات الامتصاص الجيدة الكيميائية عالية والاستقرار الميكانيكية والمعادن الثمينة مثل الاتحاد الافريقي (III)، وحزب العمال (II)، وبالشلل الرعاش (II) 4،32،33. هذا الربط من المعادن الثمينة هو أكثر أو أقل محددة لبعض المعادن ويعتمد على توفر مجموعة وظيفية على سطح البروتين الخارجي والداخلي من البوليمر والمسام، والقوة الأيونية، وقيمة الرقم الهيدروجيني. المجموعات الوظيفية ذات الصلة للتفاعل المعدن من البروتينات COOH-، NH 2 – OH-، PO 4 -، SO 4 – وستتناول ما. من حيث المبدأ، والقدرات المعادن ملزم فتح مجموعة واسعة من التطبيقات، راف، J. آخرون. S-طبقة nanocomposites استنادا للتطبيقات الصناعية في القائمة على البروتين المهندسة النانو. (محرران Tijana Z. غروف وAitziber L. Cortajarena) (الوثاب، 2016 (مقدم)). على سبيل المثال، كمكونات biosorptive لإزالة أو الانتعاشمن المعادن السامة أو قيمة المنحل، قوالب لتخليق أو ترسب محددة من الجسيمات النانوية منظم بانتظام المعدنية (NPS) لالحفز، وغيرها من المواد الهندسة الحيوية مثل طبقات الحيوية الحسية 3،5،18،33. ترتيب بانتظام صفائف NP مثل الاتحاد الافريقي (0) يمكن استخدام -NPs لتطبيقات رئيسية تتراوح بين الإلكترونيات الجزيئية وأجهزة الاستشعار، أجهزة التخزين كثافة عالية جدا، والمحفزات لCO للأكسدة 34-37. تطوير مثل هذه التطبيقات والتصميم الذكي لهذه المواد تستدعي فهما أعمق لآليات ملزمة المعادن الأساسية.

ومن الشروط الأساسية لتطوير مثل هذه المواد الحيوي القائم هو تنفيذ موثوق من طبقة واجهة بين جزيء حيوي وسطح الفني 38،39. على سبيل المثال، polyelectrolytes تجميعها مع طبقة من قبل طبقة (LBL) تقنية 40،41 استخدمت بوصفها طبقة واجهة لالتبلور من البروتينات S-طبقة 39 </سوب>. هذه واجهة تقدم طريقة سهلة نسبيا لأداء طلاء البروتين بطريقة متكررة والكمية. عن طريق إجراء تجارب مختلفة مع وبدون تعديل مع المروجين لاصق، فمن الممكن لجعل البيانات المتعلقة حركية طلاء والاستقرار طبقة، وتفاعل المعادن مع الجزيئات الحيوية 19،42، راف، J. آخرون. S-طبقة nanocomposites استنادا للتطبيقات الصناعية في القائمة على البروتين المهندسة النانو. (محرران Tijana Z. غروف وAitziber L. Cortajarena) (الوثاب، 2016 (مقدم)). ومع ذلك، ليست مفهومة تماما الآلية المعقدة لامتصاص البروتين والتفاعل بروتين السطح. وبخاصة تكنولوجيا المعلومات على التشكل، والتوجه نمط، وكثافة الطلاء ما زال مفقودا.

وقد اجتذب الكوارتز الكريستال توازن دقيق مع مراقبة تبديد (QCM-D) تقنية الاهتمام في السنوات الأخيرة كأداة لدراسة امتصاص البروتين، حركية طلاء، والتفاعل المواليةسيرورات على مقياس النانومتر 19،43-45. هذا الأسلوب يسمح للكشف تفصيلي لامتصاص الكتلة في الوقت الحقيقي، ويمكن استخدامها كمؤشر لعملية الذاتي تجميع البروتين واقتران الجزيئات وظيفية على الشبكات البروتين 19،20،42،46-48. وبالإضافة إلى ذلك، والقياسات QCM-D تفتح إمكانية دراسة عمليات التفاعل معدنية مع طبقة البروتينية في ظل الظروف البيولوجية الطبيعية. في دراسة حديثة، والتفاعل من البروتين S-طبقة بالمعادن المختارة مثل الاتحاد الأوروبي (III)، والاتحاد الافريقي (III)، PD (II)، وحزب العمال (II) وقد درس مع QCM-D 19،20. طبقة البروتين كثف يمكن أن تكون بمثابة نموذج مبسط لجدار الخلية البكتيريا إيجابية الجرام. دراسة هذا المكون واحد يمكن أن تسهم في فهم أعمق للتفاعل المعدن. ومع ذلك، فقط التجارب QCM-D لا تسمح بيانات بخصوص الهياكل السطح والتأثيرات من المعادن إلى البروتين. تقنيات أخرى ضرورية للحصول على هذه المعلومات. أحد نقاط البيعsibility عن التصوير الحيوي النانو والحصول على معلومات عن الخصائص الهيكلية هي القوة المجهر الذري (AFM).

وكان الهدف من الدراسة التي قدمت للتحقيق في الامتصاص من الذهب (الاتحاد الافريقي (III) والاتحاد الافريقي (0) -NPs) للبروتينات S-طبقة، ولا سيما Slp1 من L. كروي JG-B53. وقد أجريت تجارب على البروتينات مع وقف التنفيذ على نطاق ودفعة في مجموعة ودرجة الحموضة 2،0-5،0 باستخدام ICP-MS ومع يجمد S-طبقات باستخدام QCM-D. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقيق تأثير محلول الملح المعدنية على استقرار شعرية مع دراسات AFM اللاحقة. الجمع بين هذه التقنيات يساهم في التوصل إلى فهم أفضل للفي المختبر عمليات التفاعل المعدن كأداة لتعلم المزيد حول الأحداث على الخلايا البكتيرية كاملة بشأن الصلات المعادن محددة ملزمة. هذه المعرفة أمر بالغ الأهمية لتطوير مواد التصفية المطبقة لاستخلاص المعادن من أجل حماية البيئة والحفاظ على إعادة ليس فقطمصادر 49، ولكن أيضا لتطوير صفائف تلك المصادر المعدنية أمر غاية في التطبيقات التقنية المختلفة.

Protocol

1. الكائنات الدقيقة وزراعة الأحكام ملاحظة: تم إجراء كافة التجارب تحت ظروف معقمة L. تم الحصول كروي JG-B53 من ثقافة الحفاظ البرد 29،30. نقل البرد الحفاظ على ثقافة (1.5 مل) تحت م…

Representative Results

زراعة الكائنات الدقيقة وSlp1 توصيف البيانات المسجلة للنمو البكتيري يشير إلى نهاية مرحلة النمو الأسي في حوالي 5 ساعة. وقد أظهرت التحقيقات السابقة التي Slp1 يمكن عزله عن هذه النقطة من ال…

Discussion

في هذا العمل دراسة الربط من الاتحاد الافريقي للبروتينات S-طبقة تم التحقيق باستخدام مزيج من الأساليب التحليلية المختلفة. على وجه الخصوص، الربط من الاتحاد الافريقي غير جذابة للغاية ليس فقط لاسترداد الاتحاد الافريقي من المياه التعدين أو حلول عملية، ولكن أيضا لبناء ا…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد تم تمويل هذا العمل جزئيا من قبل المشروع IGF "S-المنخل" (490 ZBG / 1) بتمويل من BMWi وBMBF المشروع "Aptasens" (BMBF / DLR 01RB0805A). شكر خاص لتوبياس J. غونتر لمساعدته القيمة خلال الدراسات AFM وإريك جونستون V. لقراءة المخطوطة كما يتحدث اللغة الإنجليزية. وعلاوة على ذلك، فإن مؤلف هذه الورقة أود أن أشكر ألين ريتر وسابرينا Gurlit (من معهد البيئة الموارد من أجل المساعدة في القياسات ICP-MS)، مانجا فوغل، نانسي أنجر، كارين E. Viacava والتكنولوجيا الحيوية مجموعة للمعهد هيلمهولتز فرايبرغ للتكنولوجيا الموارد.

Materials

equiment and software
Bioreactor, Steam In Place 70L Pilot System Applikon Biotechnology, Netherlands Z6X Including dO2, pH sensors of Applikon Biotechnology and BioXpert software V2
Noninvasive Biomass Monitor BugEye 2100 BugLab, Concord (CA), USA Z9X —
Spectrometer Ultrospec 1000 Amersham Pharmacia Biotech, Great Britain 80-2109-10 Company now GE Healthcare Life Sciences
MiniStar micro centrifuge VWR, Germany 521-2844 For centrifugation of cultivation samples
Research system microscope BX-61 Olympus Germany LLC, Germany 037006 Microscope in combination with imaging software
Cell^P (version 3.1) Olympus Soft Imaging Solutions LLC, Münster, Germany — together with microscope
Powerfuge Pilot Separation System Serie 9010-S Carr Centritech, Florida, USA 9010PLT For biomasse harvesting
T18 basic Ultra Turrax IKA Labortechnik, Germany 431-2601 For flagella removal and sample homogenization
Sorvall Evolution RC Superspeed Centrifuge Thermo Fisher Scientific, USA 728411 Used within protein isolation
Mobile high shear fluid processor, M-110EH-30 Pilot Microfluidics, Massachusetts, USA M110EH30K Used for cell rupture
Alpha 1-4 LSC Freeze dryer Martin Christ Freeze dryers LLC, Osterode, Germany 102041 —
UV-VIS spectrophotometry (NanoDrop 2000c) Thermo Fisher Scientific, USA 91-ND-2000C-L For determination of protein concentration
Mini-PROTEAN vertical electrophoresis chamber Bio-Rad Laboratories GmbH, Munich, Germany 165-3322 For SDS-PAGE
VersaDoc Imaging System 3000 Bio-Rad Laboratories GmbH, Munich, Germany 1708030 Used for imaging of SDS-PAGE gels
ICP-MS Elan 9000 PerkinElmer, Waltham (MA), USA N8120536 For determination of metal concentration
Zetasizer Nano ZS Malvern Instruments, Worcestershire United Kingdom ZEN3600 For determination of nanoparticle size
Q-Sense E4 device  Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden QS-E4 ordered via LOT quantum design (software included with E4 platform)
Q-Soft 401 (data recording) Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden
Q-Tools 3 (data evaluation and modelling) Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden
QCM-D flow modules QFM 401  Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden QS-QFM401 ordered via LOT quantum design
QSX 303 SiO2 piezoelectric AT-cut quartz sensors Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden QS-QSX303 ordered via LOT quantum design
Ozone cleaning chamber Bioforce Nanoscience, Ames (IA), USA QS-ESA006 ordered via LOT quantum design
Atomic Force Microscope MFP-3D Bio AFM Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA MFP-3DBio AFM measurements and imaging software
Asylum Research AFM Software AR Version 120804+1223 Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA — imaging software included in Cat. No. MFP-3DBio
Igor Version Pro 6.3.2.3 Software WaveMetrics, Inc., USA — imaging software included in Cat. No. MFP-3DBio
BioHeater Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA Bioheater Sample heater for AFM measurements
Biolever mini cantilever,  BL-AC40TS-C2 Olympus Germany LLC, Germany  BL-AC40TS-C2 Prefered cantilever for AFM measurements
WSxM 5.0 Develop 6.5 (2013) Nanotec Electronica S.L. , Spain freeware Software for AFM analysis
Name Company Catalog Number Comments
Detergents and other equiment
Calcium chloride Dihydrate (CaCl2 ∙ 2H2O) Merck KGaA 1.02382 —
acidic acid, 100 %, p.A. CARL ROTH GmbH+CO.KG 3738.5 Danger, flammable and corrosive liquid and vapour. Causes severe skin burns and eye damage.
Antifoam 204 Sigma-Aldrich Co. LLC. A6426 For foam suppression
bromophenol blue, sodium salt Sigma-Aldrich Co. LLC. B5525 —
Coomassie Brilliant Blue R (C45H44N3NaO7S2) CARL ROTH GmbH+CO.KG 3862.1 —
Deoxyribonuclease II from porcine spleen Sigma-Aldrich Co. LLC. D4138 Typ IV , 2,000-6,000 Kunitz units/mg protein
Ethanol, 95% VWR, Germany 20827.467 Danger, flammable
glycerine, p.A. CARL ROTH GmbH+CO.KG 3783.1 —
Gold(III) chloride trihydrate (HAuCl4 ∙ 3H2O) Sigma-Aldrich Co. LLC. 520918 Danger
Guanidine hydrochloride (GuHCl) CARL ROTH GmbH+CO.KG 0037.1 —
Hellmanex III Hellma GmbH & Co. KG 9-307-011-4-507 —
Hydrochloric acid (HCl) (37%) CARL ROTH GmbH+CO.KG 4625.2 Danger; Corrosive, used for pH adjustment
Lysozyme from chicken egg white Sigma-Aldrich Co. LLC. L6876  Lyophilized powder, protein =90 %, =40,000 units/mg protein (Sigma) 
Magnesium chloride Hexahydrate (MgCl2 ∙ 6H2O) Merck KGaA 1.05833 —
Magnetic stirrer with heating,  MR 3000K Heidolph Instruments GmbH & Co.KG, Germany 504.10100.00 Standard stirrer within experiment
NB-Media DM180 Mast Diagnostica GmbH 121800 —
Nitric acid (HNO3) CARL ROTH GmbH+CO.KG HN50.1 Danger; Oxidizing, Corrosing
PageRuler Unstained Protein Ladder ThermoScientific-Pierce 26614 —
Poly(sodium 4-styrenesulfonat) (PSS) Sigma-Aldrich Co. LLC. 243051 Average Mw ~70,000
Polyethylenimine (PEI), branched Sigma-Aldrich Co. LLC. 408727 Warning; Harmful, Irritant, Dangerous for the environment; average Mw ~25,000
Potassium carbonate anhydrous (K2CO3) Sigma-Aldrich Co. LLC. 60108 Warning; Harmful
Ribonuclease A from bovine pancreas  Sigma-Aldrich Co. LLC. R5503 Type I-AS, 50-100 Kunitz units/mg protein 
Sodium azide (NaN3) Merck KGaA 106688 Danger; very toxic and Dangerous for the environment
Sodium chloride (NaCl) CARL ROTH GmbH+CO.KG 3957.2 —
Sodium dodecyl sulfate (SDS) Sigma-Aldrich Co. LLC. L-5750 Danger; toxic
Sodium hydroxide (NaOH) CARL ROTH GmbH+CO.KG 6771.1 Danger; Corrosive, used for pH regulation within cultivation and pH adjustment
Spectra/Por 6, Dialysis membrane, MWCO 50,000  CARL ROTH GmbH+CO.KG 1893.1 —
Sulfuric acid (H2SO4) CARL ROTH GmbH+CO.KG HN52.2 Danger; Corrosive, used for pH regulation within cultivation
Tannic acid (C76H52O46) Sigma-Aldrich Co. LLC. 16201 —
TRIS HCl (C4H11NO3HCl) CARL ROTH GmbH+CO.KG 9090.2 —
Tri-sodium citrate dihydrate (C6H5Na3O7 ∙ 2H2O) CARL ROTH GmbH+CO.KG 3580.2 —
Triton X-100 CARL ROTH GmbH+CO.KG 3051.3 Warning; Harmful, Dangerous for the environment
VIVASPIN 500, 50.000 MWCO Ultrafiltration tubes Sartorius AG VS0132 —
β-mercaptoethanol Sigma-Aldrich Co. LLC. M6250 Danger, toxic
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Merroun, M. L., Rossberg, A., Hennig, C., Scheinost, A. C., Selenska-Pobell, S. Spectroscopic characterization of gold nanoparticles formed by cells and S-layer protein of Bacillus sphaericus JG-A12. Mater. Sci. Eng. C. 27 (1), 188-192 (2007).
  2. Raff, J., Soltmann, U., Matys, S., Selenska-Pobell, S., Bottcher, H., Pompe, W. Biosorption of uranium and copper by biocers. Chem. Mat. 15 (1), 240-244 (2003).
  3. Sleytr, U. B., Schuster, B., Egelseer, E. M., Pum, D. S-Layers: Principles and Applications. FEMS Microbiol. Rev. , (2014).
  4. Pollmann, K., Raff, J., Merroun, M., Fahmy, K., Selenska-Pobell, S. Metal binding by bacteria from uranium mining waste piles and its technological applications. Biotechnol. Adv. 24 (1), 58-68 (2006).
  5. Raff, J., Selenska-Pobell, S. Toxic avengers. Nucl. Eng. Int. 51, 34-36 (2006).
  6. Tsuruta, T. Biosorption and recycling of gold using various microorganisms. J. Gen. Appl. Microbiol. 50 (4), 221-228 (2004).
  7. Sathishkumar, M., Mahadevan, A., Vijayaraghavan, K., Pavagadhi, S., Balasubramanian, R. Green Recovery of Gold through Biosorption, Biocrystallization, and Crystallization. Ind. Eng. Chem. Res. 49 (16), 7129-7135 (2010).
  8. Das, N. Recovery of precious metals through biosorption – A review. Hydrometallurgy. 103 (1-4), 180-189 (2010).
  9. Volesky, B. Biosorption and me. Water Res. 41 (18), 4017-4029 (2007).
  10. Vilar, V. J. P., Botelho, C. M. S., Boaventura, R. A. R., Atimtay, T. A., Sikdar, S. K. Environmental Friendly Technologies for Wastewater Treatment: Biosorption of Heavy Metals Using Low Cost Materials and Solar Photocatalysis. Security of Industrial Water Supply and Management.NATO Science for Peace and Security Series C-Environmental Security. , 159-173 (2010).
  11. Lovley, D. R., Lloyd, J. R. Microbes with a mettle for bioremediation. Nat. Biotechnol. 18 (6), 600-601 (2000).
  12. Schiewer, S., Volesky, B., Lovely, D. R. . Environmental Microbe-Metal Interactions. , 329-362 (2000).
  13. Raff, J., Berger, S., Selenska-Pobell, S. Uranium binding by S-layer carrying isolates of the genus Bacillus. Annual Report 2006 Institute of Radiochemistry. , (2006).
  14. Srinath, T., Verma, T., Ramteke, P. W., Garg, S. K. Chromium (VI) biosorption and bioaccumulation by chromate resistant bacteria. Chemosphere. 48 (4), 427-435 (2002).
  15. Godlewska-Zylkiewicz, B. Biosorption of platinum and palladium for their separation/preconcentration prior to graphite furnace atomic absorption spectrometric determination. Spectroc. Acta Pt. B-Atom. Spectr. 58 (8), 1531-1540 (2003).
  16. Hosea, M., et al. Accumulation of elemental gold on the alga Chlorella-vulgaris. Inorg. Chim. A-Bioinor. 123 (3), 161-165 (1986).
  17. Vogel, M., et al. Biosorption of U(VI) by the green algae Chlorella vulgaris. in dependence of pH value and cell activity. Sci. Total Environ. 409 (2), 384-395 (2010).
  18. Creamer, N., Baxter-Plant, V., Henderson, J., Potter, M., Macaskie, L. Palladium and gold removal and recovery from precious metal solutions and electronic scrap leachates by Desulfovibrio desulfuricans. Biotechnol Lett. 28 (18), 1475-1484 (2006).
  19. Suhr, M., et al. Investigation of metal sorption behavior of Slp1 from Lysinibacillus sphaericus. JG-B53 – A combined study using QCM-D, ICP-MS and AFM. Biometals. 27 (6), 1337-1349 (2014).
  20. Suhr, M. . Isolierung und Charakterisierung von Zellwandkomponenten der gram-positiven Bakterienstämme Lysinibacillus sphaericus JG-A12 und JG-B53 und deren Wechselwirkungen mit ausgewählten relevanten Metallen und Metalloiden. , (2015).
  21. Spain, A., Alm, E. Implications of Microbial Heavy Metal Tolerance in the Environment. Reviews in Undergraduate Research. 2, 1-6 (2003).
  22. Ledin, M. Accumulation of metals by microorganisms – processes and importance for soil systems. Earth-Sci. Rev. 51 (1-4), 1-31 (2000).
  23. Maruyama, T., et al. Proteins and Protein-Rich Biomass as Environmentally Friendly Adsorbents Selective for Precious Metal Ions. Environ. Sci. Technol. 41 (4), 1359-1364 (2007).
  24. Sara, M., Sleytr, U. B. S-layer proteins. J. Bacteriol. 182 (4), 859-868 (2000).
  25. Baranova, E., et al. SbsB structure and lattice reconstruction unveil Ca2+ triggered S-layer assembly. Nature. 487 (7405), 119-122 (2012).
  26. Teixeira, L. M., et al. Entropically Driven Self-Assembly of Lysinibacillus sphaericus S-Layer Proteins Analyzed Under Various Environmental Conditions. Macromol. Biosci. 10 (2), 147-155 (2010).
  27. Ahmed, I., Yokota, A., Yamazoe, A., Fujiwara, T. Proposal of Lysinibacillus boronitolerans gen. nov. sp. nov., and transfer of Bacillus fusiformis to Lysinibacillus fusiformis comb. nov. and Bacillus sphaericus to Lysinibacillus sphaericus comb. nov. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 57 (5), 1117-1125 (2007).
  28. Panak, P., et al. Bacteria from uranium mining waste pile: interactions with U(VI). J. Alloy. Compd. 271, 262-266 (1998).
  29. Selenska-Pobell, S., Kampf, G., Flemming, K., Radeva, G., Satchanska, G. Bacterial diversity in soil samples from two uranium waste piles as determined by rep-APD, RISA and 16S rDNA retrieval. Antonie Van Leeuwenhoek. 79 (2), 149-161 (2001).
  30. Lederer, F. L., et al. Identification of multiple putative S-layer genes partly expressed by Lysinibacillus sphaericus JG-B53. Microbiology. 159 ( Pt 6), 1097-1108 (2013).
  31. Günther, T. J., Suhr, M., Raff, J., Pollmann, K. Immobilization of microorganisms for AFM studies in liquids. RSC Advances. 4, 51156-51164 (2014).
  32. Fahmy, K., et al. Secondary Structure and Pd(II) Coordination in S-Layer Proteins from Bacillus sphaericus. Studied by Infrared and X-Ray Absorption Spectroscopy. Biophys. J. 91 (3), 996-1007 (2006).
  33. Pollmann, K., Merroun, M., Raff, J., Hennig, C., Selenska-Pobell, S. Manufacturing and characterization of Pd nanoparticles formed on immobilized bacterial cells. Lett. Appl. Microbiol. 43 (1), 39-45 (2006).
  34. Corti, C., Holliday, R. . Gold : science and applications. , (2010).
  35. Daniel, M. C., Astruc, D. Gold nanoparticles: assembly, supramolecular chemistry, quantum-size-related properties, and applications toward biology, catalysis, and nanotechnology. Chem. Rev. 104 (1), 293-346 (2004).
  36. Tang, J., et al. Fabrication of Highly Ordered Gold Nanoparticle Arrays Templated by Crystalline Lattices of Bacterial S-Layer Protein. Chem. Phys. Chem. 9 (16), 2317-2320 (2008).
  37. Haruta, M. Size- and support-dependency in the catalysis of gold. Catal. Today. 36 (1), 153-166 (1997).
  38. Habibi, N., et al. Nanoengineered polymeric S-layers based capsules with targeting activity. Colloids and surfaces. B, Biointerfaces. 88 (1), 366-372 (2011).
  39. Toca-Herrera, J. L., et al. Recrystallization of Bacterial S-Layers on Flat Polyelectrolyte Surfaces and Hollow Polyelectrolyte Capsules. Small. 1 (3), 339-348 (2005).
  40. Decher, G., Lehr, B., Lowack, K., Lvov, Y., Schmitt, J. New nanocomposite films for biosensors – Layer-by-Layer adsorbed films of polyelectrolytes, proteins or DNA. Biosens. Bioelectron. 9 (9-10), 677-684 (1994).
  41. Decher, G., Schmitt, J. Fine-tuning of the film thickness of ultrathin multilayer films composed of consecutively alternating layers of anionic and cationic polyelectrolytes. Progress in Colloid & Polymer Science. 89 Trends in Colloid and Interface Science VI, (1992).
  42. Günther, T. J. . S-Layer als Technologieplattform – Selbstorganisierende Proteine zur Herstellung funktionaler Beschichtungen. , (2015).
  43. Delcea, M., et al. Thermal stability, mechanical properties and water content of bacterial protein layers recrystallized on polyelectrolyte multilayers. Soft Matter. 4 (7), 1414-1421 (2008).
  44. Roach, P., Farrar, D., Perry, C. C. Interpretation of Protein Adsorption: Surface-Induced Conformational Changes. J. Am. Chem. Soc. 127 (22), 8168-8173 (2005).
  45. Zeng, R., Zhang, Y., Tu, M., Zhou, C. R., et al. Protein Adsorption Behaviors on PLLA Surface Studied by Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring (QCM-D). Materials Science Forum. 610-613, 1219-1223 (2009).
  46. Bonroy, K., et al. Realization and Characterization of Porous Gold for Increased Protein Coverage on Acoustic Sensors. Anal. Chem. 76 (15), 4299-4306 (2004).
  47. Pum, D., Toca-Herrera, J. L., Sleytr, U. B. S-layer protein self-assembly. Int. J. Mol. Sci. 14 (2), 2484-2501 (2013).
  48. Weinert, U., et al. S-layer proteins as an immobilization matrix for aptamers on different sensor surfaces. Eng. Life Sci. , (2015).
  49. Umeda, H., et al. Recovery and Concentration of Precious Metals from Strong Acidic Wastewater. Mater. Trans. 52 (7), 1462-1470 (2011).
  50. Engelhardt, H., Saxton, W. O., Baumeister, W. 3-Dimensional structure of the tetragonal surface-layer of Sporosarcina-urea. J. Bacteriol. 168 (1), 309-317 (1986).
  51. Sprott, G. D., Koval, S. F., Schnaitman, C. A. . Methods for general and molecular bacteriology. , 72-103 (1994).
  52. Laemmli, U. K. Cleavage of Structural Proteins during Assembly of Head Bacteriophage T4. Nature. 227 (5259), 680-685 (1970).
  53. Stoscheck, C., Deutscher, M. P. [6] Quantitation of protein. Methods in Enzymology. 182, 50-68 (1990).
  54. Sleytr, U. B., Messner, P., Pum, D. Analysis of Crystalline Bacterial Surface-Layers by Freeze-Etching Metal Shadowing, Negative Staining and Ultra-Thin Sectioning. Method Microbiol. 20, 29-60 (1988).
  55. PerkinElmer. . ICP Mass Spectrometry – The 30-Min to ICP-MS. , (2001).
  56. Mühlpfordt, H. The preparation of colloidal Gold Nanoparticles using tannic-acid as an additional reducing agent. Experientia. 38 (9), 1127-1128 (1982).
  57. Hayat, M. A. . Colloidal Gold – Principles, Methods and Applications. , (1989).
  58. Amendola, V., Meneghetti, M. Size Evaluation of Gold Nanoparticles by UV−vis Spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 113 (11), 4277-4285 (2009).
  59. Schurtenberger, P., Newman, M. E., Buffle, J., van Leeuwen, H. P. . Characterization of biological and environmental particles using static and dynamic light scattering in Environmental Particles. 2, 37-115 (1993).
  60. Jain, R., et al. Extracellular Polymeric Substances Govern the Surface Charge of Biogenic Elemental Selenium Nanoparticles. Environmental Science & Technology. 49 (3), 1713-1720 (2015).
  61. Harewood, K., Wolff, J. S. Rapid electrophoretic procedure for detection of SDS-released oncorna-viral RNA using polyacrylamide-agarose gels. Anal. Biochem. 55 (2), 573-581 (1973).
  62. Penfold, J., Staples, E., Tucker, I., Thomas, R. K. Adsorption of mixed anionic and nonionic surfactants at the hydrophilic silicon surface. Langmuir. 18 (15), 5755-5760 (2002).
  63. Krozer, A., Rodahl, M. X-ray photoemission spectroscopy study of UV/ozone oxidation of Au under ultrahigh vacuum conditions. J. Vac. Sci. Technol. A-Vac. Surf. Films. 15 (3), 1704-1709 (1997).
  64. Vig, J. R. UV ozone cleaning of surfaces. J. Vac. Sci. Technol. 3 (3), 1027-1034 (1985).
  65. Sauerbrey, G. Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung. Zeitschrift Fur Physik. 155 (2), 206-222 (1959).
  66. Q-Sense – Biolin Scientific. . Introduction and QCM-D Theory – Q-Sense Basic Training. , (2006).
  67. Edvardsson, M., Rodahl, M., Kasemo, B., Höök, F. A dual-frequency QCM-D setup operating at elevated oscillation amplitudes. Anal. Chem. 77 (15), 4918-4926 (2005).
  68. Hovgaard, M. B., Dong, M. D., Otzen, D. E., Besenbacher, F. Quartz crystal microbalance studies of multilayer glucagon fibrillation at the solid-liquid interface. Biophys. J. 93 (6), 2162-2169 (2007).
  69. Liu, S. X., Kim, J. T. Application of Kelvin-Voigt Model in Quantifying Whey Protein Adsorption on Polyethersulfone Using QCM-D. Jala. 14 (4), 213-220 (2009).
  70. Reviakine, I., Rossetti, F. F., Morozov, A. N., Textor, M. Investigating the properties of supported vesicular layers on titanium dioxide by quartz crystal microbalance with dissipation measurements. J. Chem. Phys. 122 (20), (2005).
  71. Voinova, M. V., Rodahl, M., Jonson, M., Kasemo, B. Viscoelastic acoustic response of layered polymer films at fluid-solid interfaces: Continuum mechanics approach. Phys. Scr. 59 (5), 391-396 (1999).
  72. Fischer, H., Polikarpov, I., Craievich, A. F. Average protein density is a molecular-weight-dependent function. Protein Sci. 13 (10), 2825-2828 (2004).
  73. Schuster, B., Pum, D., Sleytr, U. B. S-layer stabilized lipid membranes (Review). Biointerphases. 3 (2), FA3-FA11 (2008).
  74. Malmström, J., Agheli, H., Kingshott, P., Sutherland, D. S. Viscoelastic Modeling of Highly Hydrated Laminin Layers at Homogeneous and Nanostructured Surfaces: Quantification of Protein Layer Properties Using QCM-D and SPR. Langmuir. 23 (19), 9760-9768 (2007).
  75. Vörös, J. The Density and Refractive Index of Adsorbing Protein Layers. Biophys. J. 87 (1), 553-561 (2004).
  76. Hillier, A. C., Bard, A. J. ac-mode atomic force microscope imaging in air and solutions with a thermally driven bimetallic cantilever probe. Rev. Sci. Instrum. 68 (5), 2082-2090 (1997).
  77. Horcas, I., et al. WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. Rev. Sci. Instrum. 78 (1), 013705 (2007).
  78. Merroun, M. L., Rossberg, A., Scheinost, A. C., Selenska-Pobell, S. XAS characterization of gold nanoclusters formed by cells and S-layer sheets of B. sphaericus JG-A12. Annual Report Forschungszentrum Rossendorf – Institute for Radiochemistry. , (2005).
  79. Jankowski, U., Merroun, M. L., Selenska-Pobell, S., Fahmy, K. S-Layer protein from Lysinibacillus sphaericus. JG-A12 as matrix for Au III sorption and Au-nanoparticle formation. Spectroscopy. 24 (1), 177-181 (2010).
  80. Selenska-Pobell, S., et al. Magnetic Au nanoparticles on archaeal S-Layer ghosts as templates. Nanomater. nanotechnol. 1 (2), 8-16 (2011).
  81. Caruso, F., Furlong, D. N., Kingshott, P. Characterization of ferritin adsorption onto gold. J. Colloid Interface Sci. 186 (1), 129-140 (1997).
  82. Ward, M. D., Buttry, D. A. In situ interfacial mass detection with piezoelectric transducers. Science. 249 (4972), 1000-1007 (1990).
  83. Höök, F., et al. Variations in coupled water, viscoelastic properties, and film thickness of a Mefp-1 protein film during adsorption and cross-linking: A quartz crystal microbalance with dissipation monitoring, ellipsometry, and surface plasmon resonance study. Anal. Chem. 73 (24), 5796-5804 (2001).
  84. Wahl, R. . Reguläre bakterielle Zellhüllenproteine als biomolekulares Templat. , (2003).
  85. Jennings, T., Strouse, G. . Past, present, and future of gold nanoparticles in Bio-Applications of Nanoparticles. , 34-47 (2007).
  86. Beveridge, T., Fyfe, W. Metal fixation by bacterial cell walls. Can. J. Earth Sci. 22 (12), 1893-1898 (1985).

Tags

Keywords: QCM-DICP-MSAFMSlp1 PolymersLysinibacillus Sphaericus JG-B53Gold SorptionBiomolecule-metal InteractionsSorption ProcessesMetal Removal And RecoveryReal-time MeasurementPolyelectrolyte Layer-by-layerProtein Monomerization
check_url/53572?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Suhr, M., Raff, J., Pollmann, K. Au-Interaction of Slp1 Polymers and Monolayer from Lysinibacillus sphaericus JG-B53 – QCM-D, ICP-MS and AFM as Tools for Biomolecule-metal Studies. J. Vis. Exp. (107), e53572, doi:10.3791/53572 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image