Questa procedura descrive come incapsulare citocromo c (cit. C) in silicio (SiO 2) sol-gel, processo questi gel per formare bioaerogels, e utilizzare questi bioaerogels di riconoscere rapidamente l'ossido nitrico (NO) attraverso una reazione in fase gassosa. Questo tipo di protocollo può essere di aiuto nel futuro sviluppo di biosensori o altri dispositivi bioanalitici.
Applicazioni come sensori, batterie e celle a combustibile sono state migliorate mediante l'uso di aerogel altamente porosi quando i composti funzionali sono incapsulati all'interno delle aerogel. Tuttavia, esistono alcuni rapporti sul incapsulare proteine all'interno sol-gel che vengono elaborati in modo da formare aerogel. Una procedura per incapsulare citocromo c (cit. C) di silice (SiO 2) sol-gel che vengono supercritically elaborati per formare bioaerogels con attività in fase gas per l'ossido nitrico (NO) è presentato. Cyt. C viene aggiunto a un sol di silice mista in concentrazione proteica controllata e bufferizzare condizioni resistenza. La miscela viene quindi sol gelificato e il liquido di riempimento dei pori del gel viene sostituita con una serie di scambi solvente con anidride carbonica liquida. L'anidride carbonica è portato al suo punto critico e scaricata fuori per formare aerogel secco con cit. C incapsulato all'interno. Questi bioaerogels sono caratterizzati con UV-visibile spettroscopia und spettroscopia di dicroismo circolare e può essere utilizzato per rilevare la presenza di ossido di azoto in fase gas. Il successo di questa procedura dipende regolazione della concentrazione c cit. E la concentrazione di buffer e non richiede altri componenti come nanoparticelle metalliche. Può essere possibile incapsulare altre proteine utilizzando un approccio simile rendendo questa procedura importante per il potenziale sviluppo futuro dispositivo bioanalitica.
Citocromo c (cit. C) è una proteina chiave elettrone-trasferimento coinvolti nelle reazioni di respirazione cellulare del corpo. E 'stato dimostrato di essere coinvolti nell'apoptosi, una forma controllata di morte cellulare, e può rilevare piccole molecole tali tossici come ossido di azoto e monossido di carbonio 1-3. L'ossido nitrico (NO) gioca un ruolo in una varietà di processi fisiologici che avvengono nel sistema nervoso, cardiovascolare e immunitario. Mentre cit. C tipicamente richiede un ambiente acquoso tamponato a pH neutro per rimanere strutturalmente intatti e attivo, la ricerca ha dimostrato che la cit. C può mantenere la sua struttura e la funzione in materiali solidi conosciuti come aerogel in determinate condizioni 4-9.
Gli aerogel sono materiali altamente porosi spesso formate sintetizzando ossidi metallici sol-gel (Mentre aerogel di ossido di metallo sono molto comuni, carbonio e altri tipi di aerogel sono stati sintetizzati. Un esempio è InP aerogels) 10 ed essiccamento questi sol-gel in modo tale che la matrice solida porosa rimane invariato 11-14. Tutti i pori in aerogel solido risultato in disponibile Superficie fare molto aerogel estremamente utile per tutte le applicazioni in cui le reazioni di superficie sono importanti. Quando chimica o biochimica funzionalità è assemblato all'interno nanoarchitecture aerogel, è stato dimostrato che la porosità fisica e una maggiore area superficiale delle aerogel contribuiscono a migliorare sensori, nonché elettrodi per batterie, celle a combustibile, e applicazioni supercondensatori 11,15-23 . Per asciugare aerogel in modo tale da lasciare la matrice solida porosa invariato, è tipico per rimuovere il solvente che rimane nei pori dopo la sintesi sol-gel tramite estrazione con solvente supercritico. Qualsiasi crollo pori che possono essere causati dalle forze di tensione superficiale come solvente evapora dal gel sono ridotti al minimo, perché in essiccazione supercritica, un'interfaccia liquido-vapore mai forme.
<p class="jove_content"> Ci sono molte segnalazioni di emoproteine quali cit. c viene incapsulato in sol-gel che sono state tenute bagnato o che sono stati essiccati ambiently 24-30. Rapporti di biomolecole incapsulamento a sol-gel che vengono poi essiccati supercritically per formare aerogel sono più rari a causa dell'elaborazione necessaria che può essere dannosa per la struttura di molte proteine. Nel caso di cit. C, determinate condizioni permettono di mantenere la capacità di cit. C per rilevare e rispondere a ossido nitrico fase gas all'interno aerogel. Una volta stabilizzato nel aerogel, la struttura dei pori di alta qualità del aerogel facilita la reazione tra cit. C e 4,8,9 ossido nitrico. Cit. C può essere incapsulato all'interno aerogel dal primo associandolo a più livelli intorno a nanoparticelle d'oro o d'argento in soluzione 4-8. Queste sovrastrutture multistrato servono a proteggere la proteina nella matrice aerogel. Nella più recente approach che abbiamo sviluppato, in cui la concentrazione di proteine e buffer di forza sono controllati insieme ad altre condizioni di sintesi, cit. c mantiene l'integrità nei aerogel anche senza metallo nanoparticelle associazione iniziale 9.La sintesi inizia come molte sintesi aerogel iniziano miscelando precursori di silice sol-gel per un determinato periodo di tempo. È dopo un tempo impostato che cit. C viene aggiunto come soluzione tampone nella miscela miscelazione. Gelificazione si verifica quindi a formare una struttura solida porosa di silice in cui i pori sono riempiti con acqua, metanolo, rimanenti reagenti e sottoprodotti. Questo liquido che riempie i pori può essere risciacquato con vari solventi attraverso una serie di scambi di solventi, gli ultimi scambi con anidride carbonica liquida che si svolge all'interno di un apparecchio per il punto critico di essiccamento mantenuti a bassa temperatura. Portando il gel di sopra della temperatura critica (31,1 ° C) di anidride carbonica facilita la formazione comefluido upercritical all'interno dell'apparecchiatura in pressione che può essere sfiatata forma secca, aerogel altamente porosi. La temperatura relativamente bassa necessaria per il biossido di carbonio per formare un fluido supercritico è vantaggioso rispetto ad altri solventi perché mantiene la proteina di sotto di una temperatura alla quale potrebbe denaturare.
Il nostro approccio senza metallo nanoparticelle di incapsulare cit. C in aerogel è vantaggiosa perché è una procedura semplice che può portare allo sviluppo di un protocollo più generalmente applicabile per incapsulare altre proteine pure. Molte proteine non possono interagire con nanoparticelle metalliche nello stesso modo in cui cit. C fa e sintesi metallo nanoparticelle o acquisto aggiunge tempo e spese aggiuntive alla procedura. I pochi rapporti sul incapsulare proteine in aerogel rendono lo sviluppo di questa procedura un significativo passo in avanti per trovare una procedura più generale per incapsulare altre proteine in aerogel che possono aiutare in potenziale futuri dispositivi bioanalitici.
La sezione di protocollo di questo manoscritto descrive come sintetizzare silice sol-gel, incapsulare cit. C in queste sol-gel, asciugare questi sol-gel composito per formare aerogel, caratterizzano questi bioaerogels utilizzando la spettroscopia UV-visibile e circolari dicroismo e rilevare la presenza di ossido nitrico in fase gas con questi bioaerogels. Cit. C è stato incapsulato con successo in aerogel quando disciolto prima in 4.4 a 70 mm soluzioni acquose di tampone fosfato. Tuttavia, la struttura delle proteine ottimizzata in aerogel è stato trovato per causare quando incapsulare 40 mm di fosfato di soluzioni tampone cit. C producendo caricato cit aerogel. Concentrazioni di C nel range di 5-15 micron 9. Pertanto, il protocollo indicato di seguito è quello di sintetizzare aerogel utilizzando soluzioni 40 mM tampone fosfato di cit. C con conseguente cit caricato. Concentrazione C in aerogel di 15 micron. </ P>
Come descritto, questa procedura ha costantemente prodotto cit praticabile. C incapsulato all'interno di aerogel. La concentrazione di cit. C entro i aerogel può variare da 5 a 15 mM e la concentrazione tampone della soluzione c iniziale cit. Incapsulato entro i aerogel possono essere variazione da 4,4 a 70 mm fosfato senza gravi effetti negativi sulla vitalità proteine. Tuttavia, il centro di picco e la larghezza di picco della cit caratteristico. C Soret picco nel aerogel sono più vicini a quello che sono per cit. C in soluzione quando cit. C è incapsulato in aerogel da soluzioni di 40 mm di buffer 9.
La sintesi del cit. C -SiO 2 aerogel è influenzata dall'età di alcuni dei reagenti di partenza. Metanolo, tetramethoxysilane, e la soluzione di idrossido di ammonio sono tutti igroscopici e devono essere sostituiti ogni uno-a-due mesi. L'aumento di acqua che si accumula inquesti reagenti nel tempo colpisce le caratteristiche strutturali di gel e il tempo di transizione sol-to-gel.
Quando si esegue l'essiccazione supercritico, barca trasferimento l'apparato critico di essiccamento punto di può contenere fino a diciotto 0,5 centimetri di spessore, 1 gel cm di diametro. Come indicato nella sezione del protocollo, un ripieno specifico e procedura di scarico devono essere seguite per trasferire l'anidride carbonica in sol-gel. È importante notare che, all'inizio del protocollo drenante, la miscela scarico di biossido di carbonio e acetone scorre a un alto tasso che il tubo di scarico si blocca rigido con l'umidità condensa al ghiaccio all'esterno. La miscela drenare contiene acqua poiché l'acetone non è anidro e questa acqua può occasionalmente congelare in una misura che il tubo di scarico zoccoli realtà. È necessario guardare per tali zoccoli ed ascoltare per un arresto del flusso. La valvola di scarico deve essere chiusa per pochi minuti in modo che il intasamento si scioglie se viene rilevato un intasamento. Inla peggiore delle ipotesi, se la valvola di scarico non è chiusa, uno zoccolo può causare tanta pressione per costruire che il tubo di scarico si apre con forza fuori l'apparato. Dopo i primi periodi di scarico, la maggior parte dell'acetone sarà stato risciacquato dell'apparato, e la presenza di pezzi di ghiaccio bagnato diminuisce drasticamente. Lo scarico progressivamente assomigliare ghiaccio secco come protocollo di scarico continua con alcuna prova residua presenza acetone (ad esempio profumo) diventando rilevabile alla fine del processo di drenaggio.
Dopo l'anidride carbonica nell'apparato è passata da liquido a fluido supercritico e il processo di sfiato è iniziato, è necessario rilasciare il fluido a bassa velocità per almeno 45 min come indicato nella procedura 9. Un più alto tasso di rilascio può ridurre la vitalità di cit. C (come mostrato in figura 9) nei aerogel e gli aerogel stessi può realmente spezzare come the il fluido si precipita per sfuggire ai gel. In generale, anche quando gli aerogel rimangono intatti dopo l'apertura della porta dell'apparecchio, è importante maneggiare con cura e delicatamente come sono fragili e possono rompersi facilmente.
I gel di silice di controllo che si riversano lungo il citocromo c. -SiO 2 gel vengono utilizzati dopo essiccamento supercritico per determinare se il trasferimento di anidride carbonica nei gel ha avuto successo. A volte il cit. C -SiO 2 gel possono apparire torbida ed è importante per determinare se questo è dovuto al trasferimento incompleto solvente o se può avere a che fare con la concentrazione del cit. C o buffer incapsulato all'interno dei gel. Se i gel di silice senza cit. C sembrano avere un omogeneo, aspetto traslucido in tutto, questo può essere preso come la prova che il trasferimento del solvente si è verificato completamente anche se il cit. C -SiO 2 gel hanno una certa nuvolosità a loro. Nuvolosità entro i gel di silicesenza cit. c dopo essiccamento indica che alcune acetone rimasta all'interno dei gel durante lo sfiato.
Come indicato nella sezione del protocollo, importanti misure di sicurezza devono essere prese quando si lavora con l'ossido nitrico (NO). Per rilevare NO usando i aerogel, è necessario sigillare la cuvetta molto bene e per esaurire il gas che scorre sopra le aerogel in una cappa aspirante. In alternativa, l'intero spettrofotometro può essere spostato in una cappa insieme al cilindro di gas NO come precauzione per limitare l'esposizione al gas NO. A contatto con NO aria immediatamente produrre altamente velenoso biossido di azoto, tetrossido di azoto o entrambi. NO anche in grado di reagire con l'acqua per la produzione di calore e corrosivi fumi. Pertanto, l'esposizione sostenuta NO può causare tossicità per i tessuti diretta.
Quando si utilizza l'cit. C -SiO 2 aerogel per rilevare la presenza di ossido di azoto, la banda Soret sarà inizialmente a ~ 408 nm e si sposteràa ~ 414 nm in presenza di ossido nitrico. Dopo il passaggio indietro per l'azoto, la banda Soret dovrebbe invertire torna ad essere centrata a ~ 408 nm. Può anche essere possibile utilizzare la cit. C -SiO 2 aerogel per rilevare la presenza di altri ligandi come il monossido di carbonio 27.
Diverse procedure pubblicate includono un passo aggiunto di combinare nanoparticelle di oro o argento con cit. C in soluzione prima della miscelazione con il sol e supercritically essiccazione per formare aerogel 4-8. Confrontando la spettroscopia UV-visibile cit. C incapsulato in aerogel con nanoparticelle metalliche a quella della cit. C incapsulato in aerogel senza nanoparticelle metalliche mostra che questi due tipi di tecniche di incapsulamento producono cit. C della redditività simile nei aerogel (Figura 5) . Tuttavia, il cit. C incapsulato con nanoparticelle metalliche è leggermente più stabile di cit. C incapsulared senza nanoparticelle metalliche all'interno dei aerogel 9. Gli spettri CD di entrambi i tipi di citocromo c. Aerogel sono simili, anche se entrambi differiscono dallo spettro cit. C in tampone indicando alcune dispiegarsi cit. C nei aerogel (Figura 7). Precedenti relazioni sulla cit. C incapsulati in aerogel suggeriscono che la spettroscopia di dicroismo circolare è più probabile valutando lo strato più esterno di proteine, dispiegato a contatto con il gel di silice, nell'ambito di qualsiasi metallo nanoparticelle nucleate cit multistrato. Strutture C o strutture liberamente organizzate che formano quando non nanoparticelle metalliche sono presenti in aerogel 4,9. La maggior parte del cit. C nell'ambito di qualsiasi tipo di struttura auto-organizzata all'interno delle aerogel rimane piegato come misurato dalla spettroscopia UV-visibile però. Il vantaggio del protocollo descritto qui nanoparticelle sans è tale acquisto costoso o tempo sintesi di metallonanoparticelle non è necessaria. Le proteine non sono stati spesso incapsulati con successo all'interno aerogel, e pertanto questa operazione è importante in quanto può portare allo sviluppo di un metodo più generale per incapsulare altre proteine in aerogel con potenziale significato per i futuri dispositivi bioanalitici.
The authors have nothing to disclose.
Il supporto per questo lavoro e / o la pubblicazione è stato fornito dal Science Institute di College of Arts di Fairfield University e Scienze, Facoltà Research Grant di Fairfield University, un premio Scienza Cottrell Collegio dal Research Corporation for Science Advancement, College of Arts & Sciences di Fairfield University e Dipartimento di Chimica e Biochimica della Fairfield University. Si ringrazia Jean Marie Wallace per visione molto utili e consigli per quanto riguarda questa zona di ricerca. Inoltre, rivolgiamo un ringraziamento speciale a tutti passati, presenti e futuri ricercatori universitari della Harper-Leatherman Research Lab.
Potassium phosphate, monobasic | Fisher Scientific | P285-500 | Certified ACS (also possible to use sodium phosphate monobasic) |
Potassium phosphate dibasic anhydrous | Fisher Scientific | P288-500 | Certified ACS (also possible to use sodium phosphate dibasic) |
Water | Millipore Direct-Q | 18 MΩ cm | |
pH meter and electrode | Denver Instrument | UB-10 | |
Cytochrome c from equine heart | Sigma Aldrich | C7752-100MG | ≥95% based on Mol. Wt. 12,384, used as received and stored at -20°C |
Glass scintillation vials | Wheaton | 03-341-25J | 20 mL, O.D. x height (with cap): 28 mm x 61 mm |
Disposable cuvette | Fisher Scientific | 14-955-126 | methacrylate, 10 mm x 10 mm x 45 mm |
Ultraviolet Visible Spectrophotometer | Shimadzu | UV-1800 | Uses UVProbe v 2.33 software |
Circular dichroism spectrometer (or spectropolarimeter) | JASCO | J-810 | |
Isotemp Laboratory Refrigerator | Fisher Scientific | ||
Polypropylene disposable beakers | Fisher Scientific | 01-291-10 | 50 mL |
Tetramethylorthosilicate (also known as tetramethoxysilane, TMOS) | Sigma Aldrich | 218472-500G | 98% purity |
Methanol | Fisher Scientific | A457-4 | GC Resolv grade |
Ammonium hydroxide solution | Sigma Aldrich | 221228-25ML-A | ACS reagent, 28.0-30.0% |
General purpose polypropylene scintillation vials | Sigma Aldrich | Z376825-1PAK | 16 mm x 57 mm, volume size 6.5 mL, slice off bottom with sharp knife or razor |
generic plastic wrap | various | ||
Parafilm M laboratory wrapping film | Fisher Scientific | S37440 | |
Plastic syringe plunger | various | use syringe plunger from 3 mL syringe | |
Ethyl alcohol | Acros | 61509-0040 | Absolute, 200 proof, 99.5% A.C.S. reagent |
Acetone | Fisher Scientific | A949-4 | HPLC grade |
Critical point drying apparatus | Quorum Technologies | E3000 Series | |
Circulator | Fisher Scientific | Isotemp 3016 | |
Carbon dioxide cylinder | Tech Air | siphon tube | |
Micrometer | Central Tool Company | ||
GRAMS/AI 8.0 software | Thermo Electron Corporation | ||
Nitrogen cylinder | Tech Air | Another inert gas could be substituted | |
10% nitric oxide/90% nitrogen cylinder | Airgas | ||
Tygon tubing | various | ||
T-switch valve | various | ||
syringe needles | various |