Inzicht in de interacties van aminozuren en peptiden met anorganische materialen met behulp van enkel-molecuul Force Spectroscopie
Summary
Hier presenteren we een protocol om de kracht van de interacties tussen een goed gedefinieerde anorganische oppervlak en ofwel peptiden of aminozuren door single-molecule force spectroscopy metingen te meten met behulp van een atomic force microscope (AFM). De resultaten van de meting informatie is belangrijk voor een beter begrip van het peptide-anorganisch materiaal interfase.
Abstract
De interacties tussen eiwitten of peptiden en anorganische materialen leiden tot verschillende interessante processen. Bijvoorbeeld het mengen van proteïnen met mineralen leidt tot de vorming van composietmaterialen met unieke eigenschappen. Bovendien wordt het ongewenste proces van biofouling geïnitieerd door de adsorptie van biomoleculen, vooral proteïnen, op oppervlakken. Deze organische laag een hechtlaag voor bacteriën en kunnen ze interageren met het oppervlak. Inzicht in de fundamentele krachten die de interacties regelen van de organische-anorganische interface is daarom belangrijk voor veel gebieden van onderzoek en kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe materialen voor optische, mechanische en biomedische toepassingen. Deze paper toont een single-molecule kracht spectroscopie techniek die een AFM gebruikt om de hechting kracht tussen beide peptiden of aminozuren en goed gedefinieerde anorganische oppervlakken te meten. Deze techniek omvat een protocol voor het bevestigen van het biomolecuul aan de AFMtip via een covalente flexibele linker en single-molecule force spectroscopy metingen door atomic force microscope. Daarnaast wordt een analyse van deze metingen inbegrepen.
Introduction
De interactie tussen eiwitten en anorganische mineralen leidt tot de constructie van composiet materialen met onderscheidende eigenschappen. Dit omvat materialen met hoge mechanische sterkte of unieke optische eigenschappen. 1, 2 Bijvoorbeeld, de combinatie van het eiwit collageen met minerale hydroxiapatiet genereert hard of zacht beenderen voor verschillende functionaliteiten. 3 Korte peptiden kunnen ook binden anorganische materialen met hoge specificiteit. 4 is 5, 6 de specificiteit van deze peptiden zijn gebruikt voor het ontwerpen van nieuwe magnetische en elektronische materialen, 7, 8, 9 fabriceren nanogestructureerde materialen, het groeien van kristallen, 10 en synthetiseren van nanodeeltjes. 11 Inzicht in de onderliggende mechanisme interacties tussen eiwitten en peptiden of anorganische materialen zullen daarom ons toelaten om nieuwe composietmaterialen te ontwerpen met een verbeterde adsorptie eigenschappen. Aangezien bovendien de interfase van implantaten met een immuunrespons bij eiwitten, beter begrip van de interacties van eiwitten met anorganische materialen ons vermogen om implantaten te ontwerpen verbeteren. Een ander belangrijk dat eiwitten omvat interactie met anorganische oppervlakken is de vervaardiging van antifouling materialen. 12, 13, 14, 15 Biofouling een ongewenste proces waarbij organismen hechten aan een oppervlak. Het heeft vele nadelige gevolgen voor ons leven. Bijvoorbeeld, biofouling bacteriën op medische hulpmiddelen leidt tot ziekenhuisinfecties. Biofouling van mariene organismen op boten en grote schepen verhoogt de brandstofverbruik. 12, 16, 17, 18
Single-molecule force spectroscopie (SMF) met behulp van een AFM, kan direct de interacties tussen een aminozuur of een peptide met een substraat te meten. 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 Andere werkwijzen zoals faagdisplay, 27, 28 kwartskristal microbalans (QCM) 29 of oppervlak plasmon resonantie (SPR) 29, 30, 31, 32,ref "> 33 meten van de interacties van peptiden en eiwitten aan anorganische oppervlakken in bulk. 34, 35, 36 Dit betekent dat de resultaten van deze methoden resultaten hebben betrekking op ensembles van moleculen of aggregaten. In SMF worden één of zeer weinig moleculen bevestigd aan de AFM tip en hun interacties met het gewenste substraat wordt gemeten. Deze benadering kan worden uitgebreid tot eiwitvouwing bestuderen door aan het eiwit van het oppervlak. Bovendien kan het worden gebruikt om interacties tussen cellen en eiwitten en de binding van antilichamen aan hun liganden te meten. 37, 38, 39, 40 Dit document beschrijft in detail hoe om ofwel peptiden of aminozuren hechten aan de AFM tip met behulp van silanol chemie. Bovendien, het papier legt uit hoe je kracht metingen uit te voeren en hoe het te analyserenresultaten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stappen 1.3, 1.4 en 1.7 in het protocol dient met uitgebreide zorg en op een zeer zachte manier worden uitgevoerd. In stap 1,3, zou de tip niet in contact zijn met het silaan mengsel en de silanisatie proces dient in een inerte atmosfeer (vochtvrije) lopen. 45 Dit wordt gedaan teneinde meerlaagse vorming te voorkomen en omdat silaanmoleculen gemakkelijk worden gehydrolyseerd in aanwezigheid van vocht. 45
In stap 1,4, moeten de temperatuur en ti…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Marie Curie International Reintegration Grant (EP7). P. D. acknowledges the support of the Israel Council for Higher Education.
Materials
| Silicon nitride (Si3N4) AFM cantilevers with silicon tips | Bruker (Camarilo, CA, USA) | MSNL10, nominal cantilevers radius ~2 nm | |
| Methyltriethoxysilane | Acros Organics (New Jersey, USA) | For Silaylation of the AFM tip | |
| 3-(Aminopropyl) triethoxysilane | Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel) | Used for tip modification | |
| Triisopropylsilane | Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel) | Used for tip modification | |
| N-Ethyldiisopropylamine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Triethylamine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Piperidine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Fluorenylmethyloxycarbonyl-PEG-N-hydroxysuccinimide (Fmoc-PEG-NHS) | Iris Biotech GmbH (Deutschland, Germany) | Used as the covalent flexible linker (MW = 5000 Da) | |
| 2-(1H-benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3,-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HBTU) | Alfa Aser (Heysham, England) | Used as a coupling reagent. | |
| N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) | Acros Organics (New Jersey, USA) | Used as Solvent in Tip modification procedure | |
| DMF (dimethylformamide) | Merck (Darmstadt, Germany) | Used as Solvent in Tip modification procedure | |
| Trifluoro acetic acid (TFA) | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Acetic anhydride | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Peptides | GL Biochem (Shanghai, China). | ||
| Phenylalanine and Tyrosine | Biochem (Darmstadt, Germany) | ||
| 30% TiO2 dispersion in the mixture of solvent 2-(2-Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP) | Applied Vision Laboratories (Jerusalem, Israel) | (30%) in the mixture of solvent 2-(2 Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP) | |
| Mica substrates | TED PELLA, INC. (Redding, California, USA) | 9.9 mm diameter |
References
- Addadi, L., Weiner, S. Control and design principles in biological mineralization. Angew. Chem., Int. Ed. 31 (2), 153-169 (1992).
- Meyers, M. A., Chen, P. Y., Lin, A. Y. M., Seki, Y. Biological materials: Structure and mechanical properties. Prog. Mater. Sci. 53 (1), 1-206 (2008).
- Villee, C. A. J. Book Review. Engl. J. Med. 309 (4), 247-248 (1983).
- Vallee, A., Humblot, V., Pradier, C. -. M. Peptide interactions with metal and oxide surfaces. Acc. Chem. Res. 43 (10), 1297-1306 (2010).
- Peelle, B. R., Krauland, E. M., Wittrup, K. D., Belcher, A. M. Design criteria for engineering inorganic material-specific peptides. Langmuir. 21 (15), 6929-6933 (2005).
- Gabryelczyk, B., Szilvay, G. R., Linder, M. B. The structural basis for function in diamond-like carbon binding peptides. Langmuir. 30 (29), 8798-8802 (2014).
- Sarikaya, M., Tamerler, C., Jen, A. K. Y., Schulten, K., Baneyx, F. Molecular biomimetics: Nanotechnology through biology. Nat. Mater. 2 (9), 577-585 (2003).
- Tamerler, C., Sarikaya, M. Molecular biomimetics: Utilizing nature’s molecular ways in practical engineering. Acta Biomater. 3 (3), 289-299 (2007).
- Seker, U. O. S., Demir, H. V. Material binding peptides for nanotechnology. Molecules. 16 (2), 1426-1451 (2011).
- Green, J. J., et al. Electrostatic ligand coatings of nanoparticles enable ligand-specific gene delivery to human primary cells. Nano Lett. 7 (4), 874-879 (2007).
- Grohe, B., et al. Control of calcium oxalate crystal growth by face-specific adsorption of an osteopontin phosphopeptide. J. Am. Chem. Soc. 129 (48), 14946-14951 (2007).
- Maity, S., Nir, S., Zada, T., Reches, M. Self-assembly of a tripeptide into a functional coating that resists fouling. Chem. Commun. 50 (76), 11154-11157 (2014).
- Das, P., Yuran, S., Yan, J., Lee, P. S., Reches, M. Sticky tubes and magnetic hydrogels co-assembled by a short peptide and melanin-like nanoparticles. Chem. Commun. 51 (25), 5432-5435 (2015).
- Burg, K. J. L., Porter, S., Kellam, J. F. Biomaterial developments for bone tissue engineering. Biomaterials. 21 (23), 2347-2359 (2000).
- Weiger, M. C., et al. Quantification of the binding affinity of a specific hydroxyapatite binding peptide. Biomaterials. 31 (11), 2955-2963 (2010).
- Pettitt, M. E., Henry, S. L., Callow, M. E., Callow, J. A., Clare, A. S. Activity of commercial enzymes on settlement and adhesion of cypris larvae of the barnacle Balanus amphitrite, spores of the green alga Ulva linza, and the diatom Navicula perminuta. Biofouling. 20 (6), 299-311 (2004).
- Schultz, M. P., Finlay, J. A., Callow, M. E., Callow, J. A. Three models to relate detachment of low form fouling at laboratory and ship scale. Biofouling. 19, 17-26 (2003).
- Cao, S., Wang, J., Chen, H., Chen, D. Progress of marine biofouling and antifouling technologies. Chinese Science Bulletin. 56 (7), 598-612 (2010).
- Wei, Y., Latour, R. A. Correlation between desorption force measured by Atomic Force Microscopy and adsorption free energy measured by surface plasmon resonance spectroscopy for peptide-surface interactions. Langmuir. 26 (24), 18852-18861 (2010).
- Li, Q., et al. AFM-based force spectroscopy for bioimaging and biosensing. RSC Advances. 6, 12893-12912 (2016).
- Meibner, R. H., Wei, G., Ciacchi, L. C. Estimation of the free energy of adsorption of a polypeptide on amorphous SiO2 from molecular dynamics simulations and force spectroscopy experiments. Soft Matter. 11 (31), 6254-6265 (2015).
- Xue, Y., Li, X., Li, H., Zhang, W. Quantifying thiol-gold interactions towards the efficient strength control. Nat. Commun. 5, 4348 (2014).
- Razvag, Y., Gutkin, V., Reches, M. Probing the interaction of individual amino acids with inorganic surfaces using atomic force spectroscopy. Langmuir. 29, 10102-10109 (2013).
- Das, P., Reches, M. Revealing the role of catechol moieties in the interactions between peptides and inorganic surfaces. Nanoscale. 8, 15309-15316 (2016).
- Das, P., Reches, M. Review insights into the interactions of amino acids and peptides with inorganic materials using single molecule force spectroscopy. Bioploymers-Pept. Sci. 104, 480-494 (2015).
- Maity, S., et al. Elucidating the mechanism of interaction between peptides and inorganic surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (23), 15305-15315 (2015).
- Whaley, S. R., English, D. S., Hu, E. L., Barbara, P. F., Belcher, A. M. Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly. Nature. 405 (6787), 665-668 (2000).
- Tamerler, C., Oren, E. E., Duman, M., Venkatasubramanian, E., Sarikaya, M. Adsorption Kinetics of an engineered gold binding peptide by surface plasmon resonance spectroscopy and a quartz crystal microbalance. Langmuir. 22 (18), 7712-7718 (2006).
- Santos, O., Kosoric, J., Hector, M. P., Anderson, P., Lindh, L. Adsorption behavior of statherin and a statherin peptide onto hydroxyapatite and silica surfaces by in situ ellipsometry. J. Colloid Interface Sci. 318 (2), 175-182 (2008).
- Evans, E., Ritchie, K. Dynamic strength of molecular adhesion bonds. Biophys. J. 72 (4), 1541-1555 (1997).
- Micksch, T., Liebelt, N., Scharnweber, D., Schwenzer, B. Investigation of the peptide adsorption on ZrO2, TiZr, and TiO2 surfaces as a method for surface modification. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (10), 7408-7416 (2014).
- Patwardhan, S. V., et al. Chemistry of aqueous silica nanoparticle surfaces and the mechanism of selective peptide adsorption. J. Am. Chem. Soc. 134 (14), 6244-6256 (2012).
- Thyparambil, A. A., Wei, Y., Latour, R. A. Determination of peptide-surface adsorption free energy for material surfaces not conducive to SPR or QCM using AFM. Langmuir. 28 (13), 5687-5694 (2012).
- Hnilova, M., et al. Effect of molecular conformations on the adsorption behavior of gold-binding peptides. Langmuir. 24 (21), 12440-12445 (2008).
- Sano, K., Sasaki, H., Shiba, K. Utilization of the pleiotropy of a peptidic aptamer to fabricate heterogeneous nanodot-containing multilayer nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 128 (5), 1717-1722 (2006).
- Chen, H., Su, X., Neoh, K. -. G., Choe, W. -. S. Context-dependent adsorption behavior of cyclic and linear peptides on metal oxide surfaces. Langmuir. 25 (3), 1588-1593 (2008).
- Zlatanova, J., Lindsay, S. M., Leuba, S. H. Single molecule force spectroscopy in biology using the atomic force microscope. Prog. Biophys. Mol. Biol. 74 (1-2), 37-61 (2000).
- Wang, C. Z., Yadavalli, V. K. Investigating biomolecular recognition at the cell surface using atomic force microscopy. Micron. 60, 5-17 (2014).
- Galler, K., Brautigam, K., Grobe, C., Popp, J., Neugebauer, U. Making a big thing of a small cell – recent advances in single cell analysis. Analyst. 139 (6), 1237-1273 (2014).
- Carvalho, F. A., Martins, I. C., Santos, N. C. Atomic force microscopy and force spectroscopy on the assessment of protein folding and functionality. Arch. Biochem. Biophys. 531 (1-2), 116-127 (2013).
- Azoubel, S., Magdassi, S. Controlling adhesion properties of SWCNT-PET films prepared by wet deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (12), 9265-9271 (2014).
- Jaschke, M., Butt, H. J. Height calibration of optical-lever atomic-force microscopes by simple laser interferometry. Rev. Sci. Instrum. 66 (2), 1258-1259 (1995).
- Evans, E., Kinoshita, K., Simon, S., Leung, A. Long-lived, high-strength states of ICAM-1 bonds to beta(2) integrin, I: Lifetimes of bonds to recombinant alpha(L) beta(2) under force. Biophys. J. 98 (8), 1458-1466 (2010).
- Bouchiat, C., et al. Estimating the persistence length of a Worm-Like Chain molecule from force-extension measurements. Biophys. J. 76 (1), 409-413 (1999).
- Pick, C., Argento, C., Drazer, G., Frechette, J. Micropatterned Charge Heterogeneities via Vapor Deposition of Aminosilanes. Langmuir. 31 (39), 10725-10733 (2015).
- Berquand, A., et al. Antigen binding forces of single antilysozyme Fv fragments explored by atomic force microscopy. Langmuir. 21, 5517-5523 (2005).
- Kienberger, F., et al. Recognition Force Spectroscopy Studies of the NTA-His6 Bond. Single Molecules. 1, 59-65 (2000).
- Tong, Z., Mikheikin, A., Krasnoslobodtsev, A., Lv, Z., Lyubchenko, Y. L. Novel polymer linkers for single molecule AFM force spectroscopy. Methods. 60, 161-168 (2013).
- Ulman, A. Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers. Chem. Rev. 96, 1533-1554 (1996).
- Andolfi, L., Bizzarri, A. R., Cannistraro, S. Electron tunneling in a metal-protein-metal junction investigated by scanning tunneling and conductive atomic force spectroscopies. Appl. Phys. Lett. 89, 183125 (2006).
