Tek metalik nanopartiküller yüksek çözünürlüklü fiziksel karakterizasyonu
Summary
Burada, ayrı metal oksijen kümeleri, polyoxometalates (POMs), biyolojik nanopore tabanlı elektronik platform kullanarak tek molekül limitinde tespit etmek için bir protokol sunuyoruz. Bu yöntem, bu moleküllerin çalışmada kullanılan geleneksel analitik kimya araçlarına tamamlayıcı bir yaklaşım sağlar.
Abstract
Bireysel moleküller tespit edilebilir ve tek bir nanometre ölçekli gözenek akan iyonik akım azaltmak hangi derecesi ölçme tarafından karakterize. Sinyal, molekülün fizikokimyasal özelliklerinin ve gözenek ile etkileşiminin karakteristik özelliğidir. Biz bakteriyel protein exotoksin Staphylococcus aureus Alfa hemolysin (αhl) tarafından oluşturulan nanopore tek molekül limitinde, polyoxometalates (poms, anyonik metal oksijen kümeleri) tespit edebilirsiniz göstermektedir. Ayrıca, çözelti içinde 12-foshotungstic asit POM (PTA, H3PW12O40) çoklu bozulma ürünleri aynı anda ölçülür. Nanopore yönteminin tek molekül duyarlılığı, POMs ‘un nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi için gerekli olandan önemli ölçüde daha düşük konsantrasyonlarda karakterize edilmesini sağlar. Bu teknik, daha iyi POM sentetik süreçleri anlamak için, polyoxometalates veya diğer metalik kümeleri moleküler özelliklerini incelemek için kimyacılar için yeni bir araç olarak hizmet verebilir ve muhtemelen onların verim geliştirmek. Varsayımsal olarak, belirli bir atomun konumu veya molekül içindeki bir parçanın dönüşü ve metal oksidasyon durumu bu yöntemle incelenebilir. Buna ek olarak, bu yeni teknik solüsyonda moleküllerin gerçek zamanlı izlenmesi izin avantajı vardır.
Introduction
Tek molekül seviyesinde Biomoleküler analitlerin tespiti Nanopores kullanılarak ve iyonik akım modülasyonlarının ölçülmesi ile gerçekleştirilebilir. Tipik olarak, Nanopores kendi imalat dayalı iki kategoriye ayrılmıştır: biyolojik (kendi kendine protein veya DNA origami monte)1,2,3, veya Solid-State (örn.ile imal Yarıiletken işleme aletleri)4,5. Solid-State Nanopores potansiyel olarak daha fiziksel olarak sağlam olarak önerilen ve çözüm koşulları geniş bir yelpazede üzerinde kullanılabilir iken, protein Nanopores şimdiye kadar daha fazla hassasiyet sunmak, daha fazla direnç kirlenme, daha fazla bant genişliği, daha iyi kimyasal ve gürültü oranı daha büyük bir sinyal.
Staphylococcus aureus α-hemolysin (αhl) tarafından oluşturulan bir çeşit protein iyon kanalları, iyonların (örn.H+ ve D+)2,3, polinükleotidler (DNA) dahil olmak üzere tek molekülleri algılamak için kullanılabilir. ve RNA)6,7,8, hasarlı DNA9, polipeptit10, proteinler (katlanmış ve kıvrımlı)11, polimerler (Polietilen glikol ve diğerleri)12,13 , 14, altın nanopartiküller15,16,17,18,19, ve diğer sentetik moleküller20.
Son zamanlarda, αHL nanopore ‘nin metalik kümeleri, polyoxometalates (POMs) ve tek molekül seviyesinde kolayca algılayıp karakterize ettiğini göstermiştir. POMs 1826 yılında keşfedilen ayrık Nanoölçek anyonik metal oksijen kümeleri vardır21, ve o zamandan beri, çok daha fazla türde sentezlenmiş. Artık mevcut olan polyoxometalates farklı boyutları, yapıları ve Elemental kompozisyonlar Kimya dahil özellikleri ve uygulamaları geniş bir yelpazede yol açtı22,23, kataliz24, malzeme bilimi25 ,26, ve Biyomedikal araştırma27,28,29.
POM sentezini genellikle monomerik metal tuzları stoichiometrik gerekli miktarlarda karıştırarak suda yürütülen bir Self-montaj süreçtir. Bir kez oluşmuş, POMs boyutları ve şekiller büyük bir çeşitlilik sergiler. Örneğin, keggin polianyon yapısı, XM12O40q- bir tetrahedron (q şarj) oluşturmak için dört oksijenler ile çevrili bir heteroatom (X) oluşur. Heteroatom, komşu paylaşımlı oksijen atomları ile birbirleriyle bağlantılı olan 12 sekiztahedral MO6 ünite (yüksek oksidasyon durumlarında M = geçiş metalleri) tarafından oluşturulan bir kafes içinde merkezi bir konuma sahiptir. Tungsten polyoxometalates yapısı asidik koşullarda kararlı iken, hidroksit iyonlarının metal oksijen (M-O) tahvil30hidrolitik bölünmesine yol açar. Bu karmaşık süreç bir veya daha fazla Mo6 sekizyüzlü subunits kaybına neden, monovacant ve trivacant türlerin oluşumuna yol ve sonunda poms tam ayrışma. Burada tartışmamız, pH 5,5 ve 7,5 ‘de 12-foshotungstic asit kısmi dekompozisyon ürünleri ile sınırlı olacaktır.
Bu protokolün amacı, biyolojik nanopore bazlı elektronik platform kullanılarak tek molekül limitinde ayrık metal oksijen kümelerini tespit etmektir. Bu yöntem, solüsyonda metalik kümelerin algılanmasını sağlar. Çözelti içinde birden fazla tür konvansiyonel analitik yöntemleri33daha fazla hassasiyet ile ayrımcılık olabilir. Bununla birlikte, POM yapısında ince farklılıklar, NMR spektroskopisi için gerekli olandan daha düşük konsantrasyonlarda ve yoğunlukta olabilir. Daha da önemlisi, bu yaklaşım na8HPW9O341isomerik formları ayrımcılık sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Onların Anionik şarj nedeniyle, poms muhtemelen elektrostatik etkileşimler aracılığıyla organik karşı özellikler ile ilişkilendirmek. Bu nedenle, POMs ile karmaşık oluşumu önlemek için uygun çözüm koşullarını ve doğru elektrolit ortamları (özellikle çözelti içinde) belirlemek önemlidir. Tampon seçiminde özel bakım gereklidir. Örneğin, Tris ile POMs yakalama oranı (hidrokmetil) aminomethane ve sitrik asit-tamponlu çözümler önemli ölçüde daha düşük fosfat tamponlu çözüm, muht…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz bir doktora sonrası bursu için Avrupa Moleküler Biyoloji Örgütü (JE) ve NIH NHGRI (J.J.K. için) bir hibe için mali destek için minnettarız. Biz profesörlerin Jingyue Ju ve Sergey Kalachikov (Columbia Üniversitesi) heptameric αHL sağlamak için yardım ve Profesör Joseph Reiner (Virginia Commonwealth University) ile ilham verici tartışmalar için teşekkür ederiz.
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 |
References
- Ettedgui, J., Kasianowicz, J. J., Balijepalli, A. Single molecule discrimination of heteropolytungstates and their Isomers in solution with a nanometer-scale pore. Journal of the American Chemical Society. 138 (23), 7228-7231 (2016).
- Bezrukov, S., Kasianowicz, J. Current noise reveals protonation kinetics and number of ionizable sites in an open protein ion channel. Physical Review Letters. 70 (15), 2352-2355 (1993).
- Kasianowicz, J. J., Bezrukov, S. M. Protonation dynamics of the alpha-toxin ion channel from spectral analysis of pH-dependent current fluctuations. Biophysj. 69 (1), 94-105 (1995).
- Please, T. R., Ayub, M. Solid-State Nanopore. Engineered Nanopores for Bioanalytical Applications. , 121-140 (2013).
- Dekker, C. Solid-state nanopores. Nature Nanotechnology. 2 (4), 209-215 (2007).
- Kasianowicz, J. J., Brandin, E., Branton, D., Deamer, D. W. Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (24), 13770-13773 (1996).
- Akeson, M., et al. Microsecond time-scale discrimination among polycytidylic acid, polyadenylic acid, and polyuridylic acid as homopolymers or as segments within single RNA molecules. Biophysical Journal. 77 (6), 3227-3233 (1999).
- Singer, A., Meller, A. Nanopore-based Sensing of Individual Nucleic Acid Complexes. Israel Journal of Chemistry. 49 (3-4), 323-331 (2010).
- Jin, Q., Fleming, A. M., Burrows, C. J., White, H. S. Unzipping kinetics of duplex DNA containing oxidized lesions in an α-hemolysin nanopore. Journal of the American Chemical Society. 134 (26), 11006-11011 (2012).
- Halverson, K. M., et al. Anthrax biosensor, protective antigen ion channel asymmetric blockade. Journal of Biological Chemistry. 280 (40), 34056-34062 (2005).
- Oukhaled, G., et al. Unfolding of proteins and long transient conformations detected by single nanopore recording. Physical Review Letters. 98 (15), 158101 (2007).
- Reiner, J. E., Kasianowicz, J. J., Nablo, B. J., Robertson, J. W. F. Theory for polymer analysis using nanopore-based single-molecule mass spectrometry. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (27), 12080-12085 (2010).
- Robertson, J. W. F., et al. Single-molecule mass spectrometry in solution using a solitary nanopore. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (20), 8207-8211 (2007).
- Baaken, G., Ankri, N., Schuler, A. -. K., Rühe, J., Behrends, J. C. Nanopore-based single-molecule mass spectrometry on a lipid membrane microarray. ACS Nano. 5 (10), 8080-8088 (2011).
- Angevine, C. E., Chavis, A. E., Kothalawala, N., Dass, A., Reiner, J. E. Enhanced single molecule mass spectrometry via charged metallic clusters. Analytical Chemistry. 86 (22), 11077-11085 (2014).
- Astier, Y., Uzun, O., Stellacci, F. Electrophysiological study of single gold nanoparticle/alpha-Hemolysin complex formation: a nanotool to slow down ssDNA through the alpha-Hemolysin nanopore. Small. 5 (11), 1273-1278 (2009).
- Chavis, A. E., Brady, K. T., Kothalawala, N., Reiner, J. E. Voltage and blockade state optimization of cluster-enhanced nanopore spectrometry. Analyst. 140 (22), 7718-7725 (2015).
- Campos, E., et al. Sensing single mixed-monolayer protected gold nanoparticles by the α-hemolysin nanopore. Analytical Chemistry. 85 (21), 10149-10158 (2013).
- Campos, E., et al. The role of Lys147 in the interaction between MPSA-gold nanoparticles and the α-hemolysin nanopore. Langmuir. 28 (44), 15643-15650 (2012).
- Baaken, G., et al. High-Resolution Size-Discrimination of Single Nonionic Synthetic Polymers with a Highly Charged Biological Nanopore. ACS Nano. 9 (6), 6443-6449 (2015).
- Berzelius, J. J. Beitrag zur näheren Kenntniss des Molybdäns. Annalen Der Physik. 82 (1), 369-392 (1826).
- Long, D. -. L., Burkholder, E., Cronin, L. Polyoxometalate clusters, nanostructures and materials: from self assembly to designer materials and devices. Chemical Society Reviews. 36 (1), 105-121 (2007).
- Muller, A., et al. Polyoxovanadates: High-nuclearity spin clusters with interesting host-guest systems and different electron populations. Synthesis, spin organization, magnetochemistry, and spectroscopic studies. Inorganic Chemistry. 36 (23), 5239-5250 (1997).
- Rausch, B., Symes, M. D., Chisholm, G., Cronin, L. Decoupled catalytic hydrogen evolution from a molecular metal oxide redox mediator in water splitting. Science. 345 (6202), 1326-1330 (2014).
- Dolbecq, A., Dumas, E., Mayer, C. R., Mialane, P. Hybrid organic-inorganic polyoxometalate compounds: from structural diversity to applications. Chemical Reviews. 110 (10), 6009-6048 (2010).
- Busche, C., et al. Design and fabrication of memory devices based on nanoscale polyoxometalate clusters. Nature. 515 (7528), 545-549 (2014).
- Pope, M., Müller, A. . Polyoxometalates: From Platonic Solids to Anti-Retroviral Activity. 10, (2012).
- Rhule, J. T., Hill, C. L., Judd, D. A., Schinazi, R. F. Polyoxometalates in medicine. Chemical Reviews. 98 (1), 327-358 (1998).
- Gao, N., et al. Transition-metal-substituted polyoxometalate derivatives as functional anti-amyloid agents for Alzheimer’s disease. Nature Communications. 5, 3422 (2014).
- Pope, M. T. . Heteropoly and Isopoly Oxometalates. 8, (1983).
- Braha, O., et al. Designed protein pores as components for biosensors. Chemistry & Biology. 4 (7), 497-505 (1997).
- Forstater, J. H., et al. MOSAIC: A modular single-molecule analysis interface for decoding multistate nanopore data. Analytical Chemistry. 88 (23), 11900-11907 (2016).
- Balijepalli, A., et al. Quantifying Short-Lived Events in Multistate Ionic Current Measurements. ACS Nano. 8, 1547-1553 (2014).
- Misakian, M. M., Kasianowicz, J. J. J. Electrostatic influence on ion transport through the alphaHL channel. Journal of Membrane Biology. 195 (3), 137-146 (2003).
- Piguet, F., et al. Identification of single amino acid differences in uniformly charged homopolymeric peptides with aerolysin nanopore. Nature Communication. 9 (966), (2018).
