Självmontering av Hybrid Lipidmembran dopade med hydrofoba organiska molekyler vid Water/Air Interface
Summary
Vi rapporterar ett protokoll för att producera en hybrid lipidmembran vid vatten/luft gränssnittet genom dopning lipid bilayer med koppar (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-ftalaocyanin (CuPc) molekyler. Den resulterande hybrid lipidmembran har en lipid / CuPc / lipid sandwich struktur. Detta protokoll kan också tillämpas på bildandet av andra funktionella nanomaterial.
Abstract
På grund av deras unika egenskaper, inklusive en ultratunn tjocklek (3-4 nm), ultrahigh resistivity, fluiditet och självmontering förmåga, lipid bilayers kan vara lätt funktionaliserade och har använts i olika tillämpningar såsom bio-sensorer och bio-enheter. I denna studie introducerade vi en planarisk organisk molekyl: koppar (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) till dope lipidmembran. CuPc/lipidhybridmembranet bildar vid vatten/luft-gränssnittet genom självmontering. I detta membran, de hydrofoba CuPc molekylerna är belägna mellan hydrofoba svansar av lipidmolekyler, bildar en lipid / CuPc / lipid sandwich struktur. Intressant, en luft-stabil hybrid lipid bilayer kan lätt bildas genom att överföra hybridmembranet på en Si substrat. Vi rapporterar en okomplicerad metod för att införliva nanomaterial i ett lipid bilayer system, som representerar en ny metod för tillverkning av biosensorer och bioenheter.
Introduction
Som väsentliga ramar av cellmembran, är det inre av celler separeras från det yttre av en lipid bilayer system. Detta system består av amfifila fosfolipider, som är sammansatt av hydrofila fosforester “huvuden” och hydrofoba fettsyror “svansar”. På grund av anmärkningsvärda fluiditet och självmontering förmåga lipid bilayers i vattenhaltig miljö1,2, konstgjorda lipid bilayers kan bildas med hjälp av enkla metoder3,4. Olika typer av membranproteiner, såsom jonkanaler, membranreceptorer och enzymer, har införlivats i den artificiella lipidbilayern för att efterlikna och studera funktionerna hos cellmembran5,6. På senare tid har lipidbilayers dopade med nanomaterial (t.ex. metall nanopartiklar, grafen, och kol nanorör) för att bilda funktionella hybridmembran7,8,9,10,11,12,13. En allmänt använd metod för att bilda sådana hybridmembran innebär bildandet av dopade lipidblåsor, som innehåller hydrofoba material som modifierade Au-nanopartiklar7 eller kolnanorör11, och de resulterande vesiklarna smälts sedan in i planarstödda lipidbilayers. Detta tillvägagångssätt är dock komplext och tidskrävande, vilket begränsar de potentiella användningsområdena för sådana hybridmembran.
I detta arbete var lipidmembran dopade med organiska molekyler för att producera hybridlipidmembran som bildades vid vatten / luft gränssnittet genom självmontering. Detta protokoll innebär tre steg: beredning av den blandade lösningen, bildandet av ett hybridmembran vid vatten/luft-gränssnittet, och överföring av membranet på ett Si-substrat. Jämfört med andra tidigare rapporterade metoder är den metod som beskrivs här enklare och kräver inte sofistikerad instrumentering. Med denna metod kan luftstabila hybridlipidmembran med större yta bildas på kortare tid. Det nanomaterial som används i denna studie är en halvledande organisk molekyl, koppar (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-ftalaocyanin (CuPc), som ofta används i ett antal tillämpningar, inklusive solceller, fotodetektorer, gassensorer och katalys14,15. CuPc, en liten organisk molekyl med en planar struktur, har en hög affinitet för “svansar” av fosfolipider duo till dess hydrofoba egenskaper. Andra grupper har rapporterat att CuPc molekyler kan själv montera på enkristallytor med bildandet av mycket beställt strukturer16,17. Därför är det mycket möjligt att CuPc molekylerna skulle kunna införlivas i lipid bilayers genom självmontering.
Vi ger en detaljerad beskrivning av de förfaranden som används för att bilda membran och ge några förslag på smidigt genomföra denna procedur. Dessutom presenterar vi några presentativa resultat av hybrid lipidmembranen, och diskutera potentiella tillämpningar av denna metod.
Protocol
Representative Results
Discussion
I hybridmembranens prekursorlösning används ett blandat organiskt lösningsmedel (kloroform och hexan) snarare än ren kloroform för att lösa upp lipider och CuPc. Om ren kloroform används skulle tätheten av prekursorlösningen vara högre än vatten. Därför är det mycket troligt att lösningen skulle sjunka till botten av vatten snarare än sprids på vattenytan. Lägga hexan, en låg densitet lösningsmedel, till föregångaren lösning, säkerställer att lösningen kommer att flyta på vattenytan och bilda e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av CREST-programmet från Japan Science and Technology Agency (JPMJCR14F3) och Grant in-Aids från Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 och 18K14120). Detta arbete utfördes delvis vid Laboratoriet för nanoelektronik och spintronik, Forskningsinstitutet för elektrisk kommunikation, Tohoku University.
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 |
References
- Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J., Ninham, B. W. Theory of self-assembly of lipid bilayers and vesicles. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes. 470 (2), 185-201 (1977).
- Venable, R. M., Zhang, Y., Hardy, B. J., Pastor, R. W. Molecular dynamics simulations of a lipid bilayer and of hexadecane: an investigation of membrane fluidity. Science. 262 (5131), 223-226 (1993).
- Ide, T., Ichikawa, T. A novel method for artificial lipid-bilayer formation. Biosensors and Bioelectronics. 21 (4), 672-677 (2005).
- Funakoshi, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. Lipid bilayer formation by contacting monolayers in a microfluidic device for membrane protein analysis. Analytical Chemistry. 78 (24), 8169-8174 (2006).
- Kongsuphol, P., Fang, K. B., Ding, Z. Lipid bilayer technologies in ion channel recordings and their potential in drug screening assay. Sensors and Actuators B: Chemical. 185, 530-542 (2013).
- Demarche, S., Sugihara, K., Zambelli, T., Tiefenauer, L., Voros, J. Techniques for recording reconstituted ion channels. Analyst. 136 (6), 1077-1089 (2011).
- Sakaguchi, N., Kimura, Y., Hirano-Iwata, A., Ogino, T. Fabrication of Au-nanoparticle-embedded lipid bilayer membranes supported on solid substrates. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (17), 4474-4481 (2017).
- Schulz, M., Olubummo, A., Binder, W. H. Beyond the lipid bilayer: interaction of polymers and nanoparticles with membranes. Soft Matter. 8 (18), 4849-4864 (2012).
- Wang, J., Wei, Y., Shi, X., Gao, H. Cellular entry of graphene nanosheets: the role of thickness, oxidation and surface adsorption. RSC Advances. 3 (36), 15776-15782 (2013).
- Vögele, M., Köfinger, J., Hummer, G. Molecular dynamics simulations of carbon nanotube porins in lipid bilayers. Faraday Discussions. 209, 341-358 (2018).
- Kanomata, K., Deguchi, T., Ma, T., Haseyama, T., Miura, M., Yamaura, D., Tadaki, D., Niwano, M., Hirano-Iwata, A., Hirose, F. Photomodulation of electrical conductivity of a PCBM-doped free-standing lipid bilayer in buffer solution. Journal of Electroanalytical Chemistry. 832, 55-58 (2019).
- Barnoud, J., Rossi, G., Monticelli, L. Lipid Membranes as Solvents for Carbon Nanoparticles. Physical Review Letters. 112, 068102 (2014).
- Dichello, G. A., et al. Preparation of liposomes containing small gold nanoparticles using electrostatic interactions. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 105, 55-63 (2017).
- Sullivan, P., Heutz, S., Schultes, S. M., Jones, T. S. Influence of codeposition on the performance of CuPc−C60 heterojunction photovoltaic devices. Applied Physics Letters. 84 (7), 1210-1212 (2004).
- Miyata, T., Kawaguchi, S., Ishii, M., Minami, T. High sensitivity chlorine gas sensors using Cu−phthalocyanine thin films. Thin Solid Films. 425 (1-2), 255-259 (2003).
- Barrena, E., de Oteyza, D. G., Dosch, H., Wakayama, Y. 2D supramolecular self-assembly of binary organic monolayers. ChemPhysChem. 8 (13), 1915-1918 (2007).
- Xiao, K., et al. Surface-induced orientation control of CuPc molecules for the epitaxial growth of highly ordered organic crystals on graphene. Journal of the American Chemical Society. 135 (9), 3680-3687 (2013).
- Feng, X., Ma, T., Yamaura, D., Tadaki, D., Hirano-Iwata, A. Formation and characterization of air-stable lipid bilayer membranes incorporated with phthalocyanine molecules. The Journal of Physical Chemistry B. 123 (30), 6515-6520 (2019).
- Wu, Y., He, K., Ludtke, S. J., Huang, H. W. X-ray diffraction study of lipid bilayer membranes interacting with amphiphilic helical peptides: diphytanoyl phosphatidylcholine with alamethicin at low concentrations. Biophysical Journal. 68 (6), 2361-2369 (1995).
- Zaitseva, S. V., Bettini, S., Valli, L., Kolker, A. M., Borovkov, N. Y. Atypical film-forming behavior of soluble tetra-3-nitro-substituted copper phthalocyanine. ChemPhysChem. 20 (3), 422-428 (2019).
- Ghani, F., Gojzewski, H., Riegler, H. Nucleation and growth of copper phthalocyanine aggregates deposited from solution on planar surfaces. Applied Surface Science. 351, 969-976 (2015).
