التجميع الذاتي للأغشية الدهنية الهجينة مخدر مع جزيئات عضوية اغذية في المياه / الهواء واجهة
Summary
نحن تقرير بروتوكول لإنتاج غشاء الدهون الهجين في المياه / الهواء واجهة عن طريق المنشطات ثنائي الدهون مع النحاس (II) 2،9،16،23-tetra-tert-butyl-29H، 31H-phthalocyanine (CuPc) جزيئات. غشاء الدهون الهجين الناتجة لديها الدهون / CuPc / هيكل شطيرة الدهون. ويمكن أيضا تطبيق هذا البروتوكول على تشكيل المواد النانوية الوظيفية الأخرى.
Abstract
بسبب خصائصها الفريدة، بما في ذلك سمك فائقة (3-4 نانومتر)، مقاومة فائقة، سيولة وقدرة على التجمع الذاتي، يمكن أن تكون ثنائية الدهون وظيفية بسهولة واستخدمت في تطبيقات مختلفة مثل أجهزة الاستشعار الحيوية والأجهزة الحيوية. في هذه الدراسة، قدمنا جزيء عضوي مُنطَّع: النحاس (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) لأغشية الدهون المخدرة. وCuPc / الدهون غشاء الأشكال الهجين في المياه / الهواء واجهة عن طريق التجميع الذاتي. في هذا الغشاء، وتقع جزيئات CuPc مسعور بين ذيول مسعور من جزيئات الدهون، وتشكيل الدهون / CuPc / هيكل شطيرة الدهون. ومن المثير للاهتمام، يمكن أن تكون ثنائية الدهون الهجينة مستقرة الهواء بسهولة عن طريق نقل الغشاء الهجين على الركيزة Si. نحن الإبلاغ عن طريقة واضحة لدمج المواد النانوية في نظام ثنائي الطبقات الدهون، والذي يمثل منهجية جديدة لتصنيع أجهزة الاستشعار البيولوجية والكافات الحيوية.
Introduction
كأطر أساسية لأغشية الخلايا ، يتم فصل داخل الخلايا من الخارج من خلال نظام ثنائي الطبقات الدهنية. هذا النظام يتكون من phospholipids amphiphilic ، والتي تتكون من هيدروفيلي الفوسفورية إستر “رؤساء” والأحماض الدهنية ampphobic “ذيول”. نظرا للسيولة ملحوظا وقدرة التجميع الذاتي من ثنائيات الدهون في بيئة مائي1,2, يمكن تشكيل ثنائي الدهون الاصطناعي باستخدام أساليب بسيطة3,4. وقد أدرجت أنواع مختلفة من البروتينات الأغشية، مثل قنوات الأيونات، مستقبلات الأغشية والإنزيمات، في ثنائي الدهون الاصطناعية لتقليد ودراسة وظائف أغشية الخلايا5،6. في الآونة الأخيرة، وقد تم دس ثنائيات الدهون مع المواد النانوية (على سبيل المثال، الجسيمات النانوية المعدنية، الجرافين، والأنابيب النانوية الكربونية) لتشكيل أغشية هجينة وظيفية7،8،9،10،11،12،13. وهناك طريقة تستخدم على نطاق واسع لتشكيل مثل هذه الأغشية الهجين ينطوي على تشكيل vesicles الدهون مخدر, التي تحتوي على مواد مبيدة للماء مثل جسيمات Au-nano7 المعدلة أو الأنابيب النانوية الكربون11, ثم يتم تنصهر vesicles الناتجة في ثنائيات الدهون المدعومة من ألواح. ومع ذلك، فإن هذا النهج معقد ويستغرق وقتا طويلا، مما يحد من الاستخدامات المحتملة لمثل هذه الأغشية الهجينة.
في هذا العمل، تم غمس أغشية الدهون مع جزيئات عضوية لإنتاج أغشية الدهون الهجينة التي تشكلت في المياه / الهواء واجهة عن طريق التجميع الذاتي. يتضمن هذا البروتوكول ثلاث خطوات: إعداد الحل المختلط، وتشكيل غشاء هجين في واجهة الماء/الهواء، ونقل الغشاء إلى الركيزة SI. وبالمقارنة مع الأساليب الأخرى التي تم الإبلاغ عنها سابقاً، فإن الطريقة الموصوفة هنا أبسط ولا تتطلب أجهزة متطورة. باستخدام هذه الطريقة، يمكن تشكيل أغشية الدهون الهجينة المستقرة الهواء مع مساحة أكبر في وقت أقصر. المواد النانوية المستخدمة في هذه الدراسة هي جزيء عضوي شبه الموصلة، النحاس (II) 2،9،16،23-tetra-tert-butyl-29H،31H-phthalocyanine (CuPc)، والذي يستخدم على نطاق واسع في عدد من التطبيقات، بما في ذلك الخلايا الشمسية، الضوئيات وأجهزة الاستشعار الغاز وحفز14،15. CuPc، جزيء عضوي صغير مع بنية قارئة، لديه تقارب عالية ل “ذيول” الثنائي فوسفوليبيدس لخصائصه المهضّمة. وأفادت مجموعات أخرى أن الجزيئات CuPc يمكن تجميع الذاتي على الأسطح أحادية الكريستال مع تشكيل هياكل أمر عال16،17. ولذلك، فمن الممكن جدا أن جزيئات CuPc يمكن دمجها في ثنائيات الدهون من خلال التجميع الذاتي.
نقدم وصفا مفصلا للإجراءات المستخدمة لتشكيل الأغشية وتقديم بعض الاقتراحات لتنفيذ هذا الإجراء بسلاسة. بالإضافة إلى ذلك، نقدم بعض النتائج الحالية للأغشية الدهنية الهجينة، ومناقشة التطبيقات المحتملة لهذه الطريقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
في حل السلائف للغشاء الهجين، يتم استخدام مذيب عضوي مختلط (الكلوروفورم والهيكسان) بدلاً من الكلوروفورم النقي لإذابة الدهون وCub. وإذا استخدم الكلوروفورم النقي، فإن كثافة محلول السلائف ستكون أعلى من الماء. ولذلك، فمن المرجح جدا أن المحل بالوعة إلى قاع المياه بدلا من أن تنتشر على سطح الماء. إض…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل برنامج CREST من الوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا (JPMJCR14F3) و غرانت في الإيدز من الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (19H00846 و 18K14120). وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في مختبر الإلكترونيات النانوية وS spintronics، معهد بحوث الاتصالات الكهربائية، جامعة توهوكو.
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 |
Referencias
- 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).
