Caractérisation physique à haute résolution des nanoparticules métalliques uniques
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour détecter les grappes d’oxygène métalliques discrets, les polyoxométalates (POM), à la limite de molécule unique utilisant une plate-forme électronique nanopore biologique. La méthode fournit une approche complémentaire aux outils traditionnels de chimie analytique utilisés dans l’étude de ces molécules.
Abstract
Les molécules individuelles peuvent être détectées et caractérisées en mesurant le degré par lequel elles réduisent le courant ionique qui circule à travers un seul porre à l’échelle nanométrique. Le signal est caractéristique des propriétés physicochimiques de la molécule et de ses interactions avec le pore. Nous démontrons que le nanopore formé par la protéine bactérienne exotoxine Staphylococcus aureus alpha hémolysine (HL) peut détecter des polyoxométalates (POM, amas d’oxygène métallique anionique), à la limite de la molécule unique. En outre, les produits multiples de dégradation de l’acide 12-phosphotungstic POM (PTA, H3PW12O40) dans la solution sont simultanément mesurés. La sensibilité à une seule molécule de la méthode des nanopores permet de caractériser les POM à des concentrations significativement inférieures à celles requises pour la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Cette technique pourrait servir de nouvel outil pour les chimistes pour étudier les propriétés moléculaires des polyoxométals ou d’autres amas métalliques, pour mieux comprendre les processus synthétiques POM, et peut-être améliorer leur rendement. Hypothétiquement, l’emplacement d’un atome donné, ou la rotation d’un fragment dans la molécule, et l’état d’oxydation du métal pourraient être étudiés avec cette méthode. En outre, cette nouvelle technique a l’avantage de permettre la surveillance en temps réel des molécules en solution.
Introduction
La détection des analytes biomoléculaires au niveau d’une seule molécule peut être effectuée en utilisant des nanopores et en mesurant les modulations de courant ionique. Typiquement, les nanopores sont divisées en deux catégories en fonction de leur fabrication : biologique (auto-assemblé à partir de protéines ou d’origami d’ADN)1,2,3, ou à l’état solide (parexemple,fabriqué avec outils de traitement des semi-conducteurs)4,5. Alors que les nanopores à l’état solide ont été suggérées comme potentiellement plus robustes physiquement et peuvent être utilisées sur un large éventail de conditions de solution, les nanopores protéiques offrent jusqu’à présent une plus grande sensibilité, une plus grande résistance à l’encrassement, une plus grande bande passante, une meilleure sélectivité, et un rapport signal/bruit plus élevé.
Une variété de canaux ioniques protéiques, tels que celui formé par Staphylococcus aureus –hémolysine , peut être utilisé pour détecter des molécules uniques, y compris les ions (parexemple, Het D)2,3, polynucléotides (ADN et ARN)6,7,8, ADN endommagé9, polypeptides10, protéines (pliées et dépliées)11, polymères (polyéthylène glycol et autres)12,13 , 14, nanoparticules d’or15,16,17,18,19, et d’autres molécules synthétiques20.
Nous avons récemment démontré que le nanopore de la LH peut également facilement détecter et caractériser les amas métalliques, les polyoxométalates (POM), au niveau d’une seule molécule. Les POM sont des grappes d’oxygène métalliques anioniques discrètes qui ont été découvertes en 182621,et depuis lors, beaucoup plus de types ont été synthétisés. Les différentes tailles, structures et compositions élémentaires des polyoxométals qui sont maintenant disponibles ont conduit à un large éventail de propriétés et d’applications, y compris la chimie22,23, catalyse24, science des matériaux25 ,26, et la recherche biomédicale27,28,29.
La synthèse de POM est un processus d’auto-assemblage typiquement effectué dans l’eau en mélangeant les quantités stoichiométriques exigées des sels de métal monomeric. Une fois formés, les POM présentent une grande diversité de tailles et de formes. Par exemple, la structure de polyanion de Keggin, XM12O40q- est composée d’un hétéroatom (X) entouré de quatre oxygènes pour former un tétraèdre (q est la charge). L’hétéroatome est situé au centre d’une cage formée par 12 unités octaèdres MO6 (où les métaux de transition M dans leur état d’oxydation élevé), qui sont liés les uns aux autres par les atomes d’oxygène partagés voisins. Tandis que la structure de polyoxometalates de tungstène est stable dans des conditions acides, les ions hydroxydes mènent au clivage hydrolytique des liaisons métal-oxygène (M-O)30. Ce processus complexe entraîne la perte d’une ou de plusieurs sous-unités octaèdres MO 6, entraînant la formation d’espèces monovacants et trivacantes et, éventuellement, la décomposition complète des MA. Notre discussion ici se limitera aux produits de décomposition partielle de l’acide 12-phosphotungstic au pH 5.5 et 7.5.
L’objectif de ce protocole est de détecter des grappes d’oxygène métalliques discrètes à la limite d’une seule molécule à l’aide d’une plate-forme électronique biologique à base de nanopore. Cette méthode permet la détection des amas métalliques en solution. Plusieurs espèces en solution peuvent être discriminées avec une plus grande sensibilité que les méthodes analytiques conventionnelles33. Avec elle, les différences subtiles dans la structure de POM peuvent être élucidées, et à des concentrations nettement inférieures à celles exigées pour la spectroscopie de RMN. Fait important, cette approche permet même la discrimination des formes iomériques de Na8HPW9O341.
Protocol
Representative Results
Discussion
En raison de leur charge anionique, les POM s’associent probablement aux contre-cations organiques par des interactions électrostatiques. Par conséquent, il est important d’identifier les conditions de solution appropriées et les bons environnements électrolytes (en particulier les cations en solution) pour éviter la formation complexe avec les POM. Une attention particulière est requise dans le choix de la mémoire tampon. Par exemple, le taux de capture des POM avec tris (hydroxyméthyl)aminométhane et les solut…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous sommes reconnaissants pour le soutien financier de l’Organisation européenne de biologie moléculaire pour une bourse postdoctorale (à J.E.) et une subvention du NHGRI des NIH (à J.J.K.). Nous apprécions l’aide des professeurs Jingyue Ju et Sergey Kalachikov (Université Columbia) pour avoir fourni l’heptameric HL, et pour des discussions inspirantes avec le professeur Joseph Reiner (Virginia Commonwealth University).
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 |
Riferimenti
- 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).
