Физическая характеристика однометаллических наночастиц высокого разрешения
Summary
Здесь мы представляем протокол для обнаружения дискретных металлических кислородных кластеров, полиоксометалатов (POMs), на пределе одной молекулы с помощью биологической нанопорной электронной платформы. Метод обеспечивает дополнительный подход к традиционным аналитическим химии инструментов, используемых в изучении этих молекул.
Abstract
Отдельные молекулы могут быть обнаружены и охарактеризованы путем измерения степени, с помощью которой они уменьшают ионный ток, протекающий через одну нанометровую пору. Сигнал характерен для физико-химических свойств молекулы и ее взаимодействия с порами. Мы демонстрируем, что нанопор, образованный бактериальным белком экзотоксина staphylococcus aureus alpha hemolysin (ЗХЛ), может обнаруживать полиоксометалаты (POMs, анионические металлические кислородные кластеры) на пределе одной молекулы. Кроме того, одновременно измеряются множественные продукты деградации 12-фосфоунгстовой кислоты POM (PTA, H3PW12O40) в растворе. Чувствительность одной молекулы метода нанопор позволяет охарактеризовать POMs при значительно более низких концентрациях, чем требуется для ядерной магнитно-резонансной (ЯМР) спектроскопии. Этот метод может служить новым инструментом для химиков для изучения молекулярных свойств полиоксометалатов или других металлических кластеров, чтобы лучше понять POM синтетических процессов, и, возможно, улучшить их урожайность. Гипотетически, расположение данного атома, или вращение фрагмента в молекуле, и состояние окисления металла может быть исследовано с помощью этого метода. Кроме того, эта новая методика имеет то преимущество, что позволяет в режиме реального времени контролировать молекулы в растворе.
Introduction
Обнаружение биомолекулярных анализов на уровне одной молекулы может быть выполнено с помощью нанопор и измерения ионных модуляций тока. Как правило, нанопоры делятся на две категории в зависимости от их изготовления: биологические (самособранные из белка или ДНК оригами)1,2,3, или твердотельные(например,изготовленные с полупроводниковые инструменты обработки)4,5. В то время как твердотельные нанопоры были предложены как потенциально более физически надежные и могут быть использованы в широком диапазоне условий раствора, белковые нанопоры до сих пор предлагают большую чувствительность, большую устойчивость к загрязнению, большую пропускную способность, лучшую химическую избирательности и большего соотношения сигнала к шуму.
Разнообразие белковых ионных каналов, таких как те, которые образуются золотистым стафилококком,гемолизин (ЗГл), могут быть использованы для обнаружения одиночных молекул, в том числе ионов (например, Hи D)2,3, полинуклеотиды (ДНК и РНК)6,7,8, поврежденная ДНК9, полипептиды10, белки (сложенные и развернутые)11, полимеры (полиэтиленгликоль и др.)12,13 , 14, золотые наночастицы15,16,17,18,19,и другие синтетические молекулы20.
Недавно мы продемонстрировали, что нанопоры ЗХЛ могут также легко обнаруживать и характеризовать металлические кластеры, полиоксометалаты (POMs), на уровне одной молекулы. POMs являются дискретными наномасштабных кислородных кластеров, которые были обнаружены в 182621, и с тех пор, многие другие типы были синтезированы. Различные размеры, структуры и элементарные композиции полиоксометалатов, которые теперь доступны привело к широкому спектру свойств и приложений, включая химию22,23, катализ24, материаловедение25 ,26, и биомедицинских исследований27,28,29.
Синтез POM представляет собой процесс самосборки, обычно осуществляемый в воде путем смешивания стойхиометрически требуемого количества мономерных металлических солей. После образования, POMs обладают большим разнообразием размеров и форм. Например, структура полианиона Keggin, XM12O40q- состоит из одного гетероатома (X) окруженного четырьмя кислородами для формирования тетраэдра (q является зарядом). Гетероатом расположен в центральной части клетки, образованной 12 октахедральными MO6 единицами (где M й переходных металлов в их высоком состоянии окисления), которые связаны друг с другом соседними общими атомами кислорода. В то время как вольфрама polyoxometalates структура стабильна в кислых условиях, гидроксидидные ионы приводят к гидролитической расщепления металл-кислород (М-О) облигаций30. Этот сложный процесс приводит к потере одного или нескольких OCTahedral подразделений MO 6, что приводит к образованию моносвободных и трехобезбынных видов и в конечном итоге к полному разложению POMs. Наше обсуждение здесь будет ограничено продуктами частичного разложения 12-фосфоунгстовой кислоты при рН 5,5 и 7,5.
Целью этого протокола является обнаружение дискретных металлических кислородных кластеров на пределе одной молекулы с помощью биологической электронной платформы нанопор. Этот метод позволяет обнаруживать металлические кластеры в растворе. Несколько видов в растворе можно дискриминировать с большей чувствительностью, чем обычные аналитические методы33. С его помощью можно выяснить тонкие различия в структуре POM, причем при концентрациях заметно ниже, чем для спектроскопии ЯМР. Важно отметить, что такой подход даже позволяет дискриминации изомерных форм Na8HPW9O341.
Protocol
Representative Results
Discussion
Из-за их анионического заряда, POMs, вероятно, ассоциируются с органическими противокоестьми через электростатические взаимодействия. Поэтому важно определить надлежащие условия решения и правильные условия электролита (особенно катионы в растворе), чтобы избежать сложного образовани…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны за финансовую поддержку со стороны Европейской организации молекулярной биологии для постдокторской стипендии (для J.E.) и гранта от NIH NHGRI (j.J.K.). Мы признательны профессорам Цзинюэ Цзю и Сергею Калачикову (Колумбийский университет) за предоставление гептамической зХЛ, а также за вдохновляющие дискуссии с профессором Джозефом Райнером (Университет Содружества Вирджинии).
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).
