単一金属ナノ粒子の高解像度物理特性評価
Summary
ここでは、生物学的ナノポアベースの電子プラットフォームを用いて、単一分子限界で離散金属酸素クラスター、ポリオキソメタレート(POM)を検出するプロトコルを提示する。この方法は、これらの分子の研究に使用される従来の分析化学ツールに対する補完的なアプローチを提供する。
Abstract
個々の分子は、単一ナノメートルスケールの細孔を流れるイオン電流を減少させる程度を測定することによって検出され、特徴付けることができる。このシグナルは、分子の物理化学的性質と細孔との相互作用の特徴です。細菌タンパク質エキソトキシン黄色ブドウ球菌αヘモリシン(αHL)によって形成されたナノポアが、単一分子限界でポリオキソメタレート(POM、アニオン金属酸素クラスター)を検出できることを実証する。また、溶液中の12-ホスホトンスチン酸POM(PTA、H3PW12O40)の複数の分解産物を同時に測定する。ナノポア法の単一分子感度により、核磁気共鳴(NMR)分光法に必要な濃度よりも有意に低い濃度でPOMを特徴付けることができます。この技術は、ポリオキソメタレートや他の金属クラスターの分子特性を研究し、POM合成プロセスをよりよく理解し、その収率を向上させる化学者のための新しいツールとして役立つ可能性があります。仮定的には、所定の原子の位置、または分子内の断片の回転、および金属酸化状態をこの方法で調べることができる。さらに、この新しい技術は、溶液中の分子のリアルタイムモニタリングを可能にするという利点があります。
Introduction
単一分子レベルでの生体分子検体の検出は、ナノポアを用いてイオン電流変調を測定することによって行うことができる。典型的には、ナノポアは、その製造に基づいて2つのカテゴリーに分けられます:生物学的(タンパク質またはDNA折り紙から自己組み立て)1、2、3、または固体(例えば、で製造された)半導体加工ツール)4,5.固体ナノポアは、潜在的により物理的に堅牢であると示唆され、溶液条件の広い範囲にわたって使用することができますが、タンパク質ナノポアは、これまでのところ、より大きな感度、ファウリングに対するより多くの耐性、より大きな帯域幅、より良い化学薬品を提供します選択性、およびノイズ比に大きな信号。
黄色ブドウ球菌α-ヘモリシン(αHL)によって形成されたタンパク質イオンチャネルの様々な、イオン(例えば、H+およびD+)2、3、ポリヌクレオチド(DNA)を含む単一分子を検出するために使用することができるおよびRNA)6,7,8, 損傷したDNA9, ポリペプチド10, タンパク質 (折り畳みおよび展開)11, ポリマー (ポリエチレングリコール他)12,13,14、金ナノ粒子15、16、17、18、19、および他の合成分子20。
我々は最近、αHLナノポアが単一分子レベルで金属クラスター、ポリオキソメタレート(POM)を容易に検出し、特徴付けできることを実証した。POMは、182621年に発見された離散ナノスケールのアニオン金属酸素クラスターであり、それ以来、より多くのタイプが合成されています。現在利用可能なポリオキソメタレ酸塩の異なるサイズ、構造、および元素組成物は、化学22、23、触媒24、材料科学25を含む特性と用途の広い範囲につながった ,26, および生物医学研究27,28,29.
POM合成は、典型的には、単量の単量の単量のモノメリック金属塩を混合して水中で行われる自己組織化プロセスである。一度形成されると、POMはサイズと形状の大きな多様性を示します。例えば、ケギンポリアニオン構造は、XM12O40q-が四重子を形成する4つの酸素で囲まれた1つのヘテロ原子(X)から構成され(qは電荷である)。ヘテロ原子は、12オクタヘドラルMO6単位(M=高酸化状態の遷移金属)によって形成されたケージ内に中央に位置し、隣接する共有酸素原子によって互いに連結される。タングステンポリオキソメタレーション構造は酸性条件下で安定であるが、水酸化物イオンは金属酸素(M-O)結合30の加水分解切断につながる。この複雑なプロセスは、1つ以上のMO6オクタヘドラルサブユニットの損失をもたらす,単空および三空種の形成につながり、最終的にはPOMの完全な分解につながる。ここでの議論は、pH 5.5および7.5における12-ホスホトン酸の部分分解産物に限定される。
このプロトコルの目的は、生物学的ナノポアベースの電子プラットフォームを使用して、単一分子限界で離散的な金属酸素クラスターを検出することです。この方法は、溶液中の金属クラスターの検出を可能にする。溶液中の複数の種は、従来の分析方法33よりも高い感度で判別することができる。それにより、POM構造の微妙な違いを解明することができ、NMR分光法に必要な濃度よりも著しく低い濃度で。重要なことに、このアプローチは、Na8HPW9O341の対方体形態の差別を可能にする。
Protocol
Representative Results
Discussion
そのアニオン電荷のために、POMは静電相互作用を通じて有機カチオンと関連する可能性が高い。したがって、POMとの複雑な形成を避けるためには、適切な溶液条件と適切な電解質環境(特に溶液中の陽イオン)を特定することが重要です。バッファーの選択には、特に注意が必要です。例えば、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタンおよびクエン酸緩衝液を用いたPOMの捕捉率は、リン酸緩衝液…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
欧州分子生物学機構のポスドク・フェローシップ(J.E.)とNIH NHGRI(J.J.K.)からの助成金に対する財政的支援に感謝します。我々は、ヘプタメリックαHLを提供し、ジョセフ・ライナー教授(バージニア・コモンウェルス大学)との刺激的な議論のために、ジンギュエ・ジュ教授とセルゲイ・カラチコフ教授(コロンビア大学)の助けを借りて感謝します。
Materials
| Nanopatch DC System | Electronic Biosciences, Inc., EBS | ||
| Millipore LC-PAK | Millipore vacuum filter | ||
| 1,2-Diphytanoyl-sn- Glycero-3-Phosphocholine (DPhPC) | Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL | 850356P | |
| Decane, ReagentPlus, ≥99%, | Sigma-Aldrich | D901 | |
| αHL | List Biological Laboratories, Campbell, CA | ||
| Ag wire | Alfa Aesar | ||
| 2 mm Ag/AgCl disk electrode | In Vivo Metric | E202 | |
| High-impedance amplifier system | Electronic Biosciences, San Diego, CA | ||
| quartz capillaries | |||
| custom polycarbonate test cell | |||
| Data Processing and Analysis MOSAIC | https://pages.nist.gov/mosaic/ | ||
| Phosphotungstic acid hydrate | Sigma-Aldrich | 455970 | |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | |
| sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma-Aldrich | 71507 |
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