Самосвечение гибридных липидных мембран с гидрофобными органическими молекулами на водно-воздушном интерфейсе
Summary
Мы сообщаем о протоколе для производства гибридной липидной мембраны на водно-воздушном интерфейсе путем применения допинга липидным билейером с медью (II) 2,9,16,23-тетра-терт-бутил-29Н,31H-фталокянин (CuPc) молекул. Полученная гибридная липидная мембрана имеет липидную/cuPc/липидную структуру сэндвича. Этот протокол также может быть применен к формированию других функциональных наноматериалов.
Abstract
Из-за своих уникальных свойств, в том числе ультратонкой толщины (3-4 нм), сверхвысокой резистентности, текучести и способности к самосвалу, липидные билейеры могут быть легко функционализированы и использовались в различных областях применения, таких как биосенсоры и био-устройства. В этом исследовании мы ввели планаре органическую молекулу: медь (II) 2,9,16,23-тетра-терт-бутил-29H,31H-фталокянин (CuPc) для допинг липидных мембран. Гибридная мембрана CuPc/lipid образуется на водном/воздушном интерфейсе путем самосвербли. В этой мембране, гидрофобные молекулы CuPc расположены между гидрофобными хвостами липидных молекул, образуя липидную/CuPc/липидную структуру сэндвича. Интересно, что воздушно-стабильный гибридный липидный билейлер может быть легко сформирован путем переноса гибридной мембраны на субстрат Si. Мы сообщаем о простом методе включения наноматериалов в липидную двухслойную систему, которая представляет собой новую методологию изготовления биосенсоров и биоустройств.
Introduction
Как основные рамки клеточных мембран, внутренняя часть клеток отделена от внешней липидной системой. Эта система состоит из амфифильных фосфолипидов, которые состоят из гидрофильных фосфорных эстеровых «голов» и гидрофобных жирных кислот «хвостов». Благодаря замечательной текучести и способности самосвалов липидных билейеровв акальной среде 1,2, искусственные липидныебилейеры могут образовывалисьпростыми методами 3,4. Различные типы мембранных белков, таких как ионные каналы, мембранные рецепторы и ферменты, были включены в искусственный липидный бислой для имитации и изучения функцийклеточных мембран 5,6. Совсем недавно, липидные билейеры были допинг с наноматериалами (например, металлические наночастицы, графен, и углеродные нанотрубки) для формирования функциональных гибридных мембран7,8,9,10,11,12,13. Широко используемый метод для формирования таких гибридных мембран включает в себя образование допинг липидных пузырьков, которые содержат гидрофобные материалы, такие как модифицированные Au-nanoparticles7 или углеродных нанотрубок 11, и в результате пузырьки затем сливаются в планар поддерживается липидных билейдеров. Однако такой подход является сложным и трудоемким, что ограничивает потенциальное использование таких гибридных мембран.
В этой работе, липидные мембраны были допинг с органическими молекулами для производства гибридных липидных мембран, которые образуются на воде / воздуха интерфейс самостоятельной сборки. Этот протокол включает в себя три этапа: подготовка смешанного раствора, формирование гибридной мембраны на водно-воздушном интерфейсе и перенос мембраны на субстрат Si. По сравнению с другими ранее зарегистрированными методами описанный здесь метод проще и не требует сложных приборов. Используя этот метод, воздушно-стабильные гибридные липидные мембраны с большей площадью могут образовыться в более короткие сроки. Наноматериал, используемый в этом исследовании является полупроводящих органических молекул, медь (II) 2,9,16,23-тетра-терт-бутил-29H,31H-фталокянин (CuPc), который широко используется в ряде приложений, в том числе солнечных батарей, фотодетекторов, газовых датчиков и катализ14,15. CuPc, небольшая органическая молекула с планарной структурой, имеет высокое сродство к “хвосты” фосфолипидов дуэт его гидрофобных характеристик. Другие группы сообщили, что молекулы CuPc могут самостоятельно собираться на однокристаллированных поверхностях собразованием высоко заказанных структур 16,17. Таким образом, вполне возможно, что молекулы CuPc могут быть включены в липидные двуслойные через самосвал.
Мы предоставляем подробное описание процедур, используемых для формирования мембран и представить некоторые предложения для плавного осуществления этой процедуры. Кроме того, мы представляем некоторые представления результатов гибридных липидных мембран, и обсуждаем потенциальное применение этого метода.
Protocol
Representative Results
Discussion
В растворе прекурсора гибридной мембраны, смешанный органический растворитель (хлороформ и гексан), а не чистый хлороформ используется для растворения липидов и CuPc. При использовании чистого хлороформа плотность раствора прекурсора будет выше, чем у воды. Поэтому весьма вероятно, что ?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана программой CREST Японского агентства по науке и технике (JPMJCR14F3) и Грантом помощи от Японского общества содействия науке (19H00846 и 18K14120). Эта работа была частично проведена в Лаборатории наноэлектроники и спинтроники, Научно-исследовательском институте электросвязи Университета Тохоку.
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).
