Caracterización física de alta resolución de nanopartículas metálicas únicas
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para detectar cúmulos de oxígeno metálico discretos, polioxometalados (POP), en el límite de molécula única utilizando una plataforma electrónica biológica basada en nanoporos. El método proporciona un enfoque complementario a las herramientas de química analítica tradicionales utilizadas en el estudio de estas moléculas.
Abstract
Las moléculas individuales se pueden detectar y caracterizar midiendo el grado por el cual reducen la corriente iónica que fluye a través de un solo poro a escala nanométrica. La señal es característica de las propiedades fisicoquímicas de la molécula y sus interacciones con el poro. Demostramos que los nanoporos formados por la exotoxina proteica bacteriana Staphylococcus aureus alpha hemolysin (HL) pueden detectar polioxometalatos (POP, grupos de oxígeno metálico aniónico), en el límite de molécula única. Además, se miden simultáneamente múltiples productos de degradación de ácido 12-fosfotúltico POM (PTA, H3PW12O40) en solución. La sensibilidad de una sola molécula del método de nanoporos permite que los POP se caracten a concentraciones significativamente más bajas de lo requerido para la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Esta técnica podría servir como una nueva herramienta para que los químicos estudien las propiedades moleculares de los polioxometalados u otros racimos metálicos, para comprender mejor los procesos sintéticos de POM y posiblemente mejorar su rendimiento. Hipotéticamente, la ubicación de un átomo dado, o la rotación de un fragmento en la molécula, y el estado de oxidación del metal podrían ser investigados con este método. Además, esta nueva técnica tiene la ventaja de permitir el monitoreo en tiempo real de moléculas en solución.
Introduction
La detección de analitos biomoleculares a nivel de molécula única se puede realizar mediante el uso de nanoporos y la medición de modulaciones de corriente iónica. Típicamente, los nanoporos se dividen en dos categorías basadas en su fabricación: biológica (autoensamblada a partir de proteínas o o origami de ADN)1,2,3,o estado sólido (porejemplo,fabricado con herramientas de procesamiento de semiconductores)4,5. Mientras que los nanoporos de estado sólido se sugirieron como potencialmente más robustos físicamente y se pueden utilizar en una amplia gama de condiciones de solución, los nanoporos proteicos hasta ahora ofrecen una mayor sensibilidad, más resistencia a la suciedad, mayor ancho de banda, mejor selectividad, y una mayor relación señal-ruido.
Una variedad de canales de iones proteicos, como el formado por Staphylococcus aureus-hemolysin (HL), se puede utilizar para detectar moléculas individuales, incluyendo iones (porejemplo,, H+ y D+)2,3, polinucleótidos (DNA y ARN)6,7,8, ADN dañado9, polipéptidos10, proteínas (plegados y desplegados)11, polímeros (polietilenglicol y otros)12,13 , 14, nanopartículas de oro15,16,17,18,19, y otras moléculas sintéticas20.
Recientemente demostramos que el nanoporo de HL también puede detectar y caracterizar fácilmente racimos metálicos, polioxometalados (POP), a nivel de molécula única. Los POP son racimos discretos de oxígeno metálico aniónico a nanoescala que fueron descubiertos en 182621,y desde entonces, se han sintetizado muchos más tipos. Los diferentes tamaños, estructuras y composiciones elementales de polioxometalados que ahora están disponibles dieron lugar a una amplia gama de propiedades y aplicaciones, incluyendo química22,23, catálisis24, ciencia de materiales25 ,26,e investigación biomédica27,28,29.
La síntesis POM es un proceso de autoensamblaje típicamente llevado a cabo en agua mediante la mezcla de las cantidades estequiométricamente requeridas de sales metálicas monoméricas. Una vez formados, los POP exhiben una gran diversidad de tamaños y formas. Por ejemplo, la estructura de poliolano Keggin, XM12O40q- se compone de una heteroátomo (X) rodeada de cuatro oxígenos para formar un tetraedro (q es la carga). La heteroátomo se encuentra centralmente dentro de una jaula formada por 12 unidades DE MO 6 octahedrales (donde los metales de transición M en su estado de alta oxidación), que están unidos entre sí por átomos de oxígeno compartidos vecinos. Mientras que la estructura de polioxmetalados de tungsteno es estable en condiciones ácidas, iones de hidróxido conducen a la escisión hidrolítica de enlaces metal-oxígeno (M-O)30. Este complejo proceso resulta en la pérdida de una o más subunidades octáhedrticas MO 6, lo que conduce a la formación de especies monovacantes y triocupadas y, finalmente, a la descomposición completa de los POMs. Nuestra discusión aquí se limitará a los productos de descomposición parcial de ácido 12-fosfotúrtico a pH 5.5 y 7.5.
El objetivo de este protocolo es detectar cúmulos de oxígeno metálico discretos en el límite de molécula única utilizando una plataforma electrónica biológica basada en nanoporos. Este método permite la detección de racimos metálicos en solución. Múltiples especies en solución pueden ser discriminadas con mayor sensibilidad que los métodos analíticos convencionales33. Con él, se pueden esclarecer diferencias sutiles en la estructura pom, y en concentraciones marcadamente inferiores a las requeridas para la espectroscopia de RMN. Es importante destacar que este enfoque incluso permite la discriminación de formas isoméricas de Na8HPW9O341.
Protocol
Representative Results
Discussion
Debido a su carga aniónica, los POP probablemente se asocian con los contracations orgánicos a través de interacciones electrostáticas. Por lo tanto, es importante identificar las condiciones adecuadas de la solución y los entornos de electrolitos adecuados (especialmente cationes en solución) para evitar la formación compleja con LOS POP. Se requiere un cuidado especial en la elección del búfer. Por ejemplo, la tasa de captura de POP con soluciones tris(hidroximetil)aminometano y tampón de ácido cítrico es s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos el apoyo financiero de la Organización Europea de Biología Molecular para una beca postdoctoral (a J.E.) y una subvención de la NIH NHGRI (a J.J.K.). Agradecemos la ayuda de los profesores Jingyue Ju y Serguéi Kalachikov (Universidad de Columbia) por proporcionar heptérica hl, y por inspirar discusiones con el profesor 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
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