JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
화학

Katı Faz Reçine-tabanlı Metodoloji aracılığıyla Asimetrik Ferrosen Türetilmiş Bio-konjuge Sistemleri Sentetik Metodoloji

Published: March 12, 2015
doi:
10.3791/52399
, , ,
1Department of Chemistry,Texas Christian University

Summary

The synthesis of asymmetric species of ferrocene is challenging using solution techniques. This report focuses on the methods carried out to produce a ferrocene-biotin bioconjugate using facile and clean reactions accomplished via solid-phase synthesis. Incorporation of a thiolate moiety is shown to impart the ability for immobilization on gold surfaces.

Abstract

Erken teşhis çoğu hastalıkların başarılı tedavisi için bir anahtardır, ve birçok kanser türlerinin tanı ve tedavisi için özellikle zorunludur. kullanılan en yaygın teknikler Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG), Pozitron Emisyon Topografi (PET) ve Bilgisayarlı Topografya (BT) gibi görüntüleme yöntemleri ve hastalığın fiziksel yapısını anlamak için en uygun ama sadece bir kez yapılan her dört edilebilir olan görüntüleme ajanları ve genel maliyet kullanımı nedeniyle altı hafta. Zihin, bu tür tedavi protokolleri devrim olur, hastalık ve / veya klinisyenin ofisinde tedavinin etkinliği aşamasına değerlendirmek ve zamanında bunu biyosensörlere gibi teknikler, "bakım noktası" geliştirilmesi. 1. As ile bu biyolojik ilgili moleküllerin 2 tespiti için ferosen tabanlı biyosensörler keşfetmek için bir araç, yöntemler burada tarif edilen ferrosen-biyotin biyo-konjugatlarını üretmek için geliştirilmiştir. Bu rapor, altın yüzey üzerinde immobilize edilebilir bir biyotin-ferrosen-sisteyin sistemi üzerinde durulacaktır.

Introduction

Biyosensörler seçici analiz için platform olarak biyomoleküler tanıma teknolojisini kullanır ve kendi özgüllüğü, hız ve düşük maliyetli için kullanılan küçük cihazlardır. Biyomoleküllerin tespiti için elektrokimyasal biyosensörler nedeniyle basitlik, maliyet etkinliği ve yüksek hassasiyet bu alanın ön planda bulunmaktadır. Bu sensörlerin 1,3 genel anatomisi ilgi biyolojik marker için spesifik bir tanıma molekülü ile donatılmış bir elektrod olup . Tanıma molekülü tarafından bir biyolojik bağlanması, basit bir ölçümü ile tespit edilebilir potansiyel ya da mevcut yerel bir değişim ile sonuçlanır. Enzimler 4-8 antikorları, 9-12 tüm hücreleri, 13-16 reseptörleri, 17-20 peptidler 21-23 ve DNA 24 ve büyük ölçüde daha büyük, biyolojik moleküller odaklanmıştır değişebilir tanıma parçasını Bugüne kadar. 25-28 Araştırma Bu alanda çalışmalar İmmunosensörler whe üzerinde yoğunlaşmış olmasıbir immünoglobulin bir redoks aktif çekirdeği ile hareketsiz hale getirilmiştir (örneğin ferrosen gibi) ve ilgilenilen bir antikoru belirlemek için kullanılan yeniden. Bu çalışmalar antijen / antikor kullanımından kaynaklanan komplikasyonlar kaynaklanan nedeniyle zayıf hassasiyet ve zaman tüketimi, klinik uygulamalar dışında tutulmuştur. 1,3 Büyüyen dikkat biyomedikal küçük moleküllerin tespit (az 1 kg / mol) odaklanmıştır , gıda ve ulusal güvenliğin yanı sıra çevre faiz. 29 biyosensör cihazların en iyi bilinen örnekleri cep boyutunda amperometik metre bağlanmış ekran baskılı enzim elektrotları sahip self-test glukoz monitörleri vardır. Bu sistemler, tipik haliyle glukoz oksidasyon reaksiyonu tarafından üretilen yükün toplam miktarı, belirli bir süre boyunca ölçülür bir kulometrik bir yöntem kullanmaktadır. Menkul cihazlar, taşınabilir, sağlam ve olmalıdır büyük nüfus için uyduruk faydalanmak için el.

Ferroken gibi redoks etiketleri necessa vardırEn biyomarkırlar özünde elektrokimyasal olarak aktif değil gibi ry çözeltide biyomarkerların veya küçük moleküllerin elektrokimyasal algılanmasını sağlamak için. 30-38 Ferrosen elektrokimyasal biyosensörler entegrasyon için mükemmel bir seçimdir elektrokimya için altın standart, bir organometalik moleküldür. Ferrosen-tabanlı redoks aktif türler zaten nedeniyle küçük boyutu, iyi bir istikrar, uygun sentetik erişimi kolay kimyasal modifikasyonu, göreceli Lipofillik ve redoks ayar kolaylığı büyük ilgi topladı. 3,30-42 Küçük moleküller var ferrosen çekirdek dayalı metal iyonları ve küçük moleküller detektör olarak yaygın şekilde kullanılmıştır. Biyomoleküller gibi daha büyük türlerin hedef 32-38,43 sistemleri elektrokimyasal yüzeyine gömülü olan ferrosen türevleri, büyük antikorlara veya immünoglobülin eki kullanmışlardır. 1,3,39 Her durumda, 44, potansiyel ve akım intensiFe III / Fe II redoks çiftinin Ty Böylece analit molekül mevcudiyetine işaret eden, yeni bir spektroskopik sap üretmeden, molekül birleştirme üzerine değiştirilmiştir. Bu değişiklik siklopentadienil halkaları pi-sistem ve demir D-orbitalleri arasında meydana kapsamlı örtüşme kaynaklanmaktadır. Pi-sistem değiştirilirse, yani, derive ya, ardından yörünge etkileşimi olacak, sırayla, değişim tepki gösterdi. Bu, Fe çekirdek etkiler ve demir III / Fe II çift potansiyel bir kayma olarak gözlenebilir. 40,45,46 Bu özellikler, bir elektrokimyasal bağışıklık ya da biyo-sensörün niceleme madde olarak kullanım için bu tür bir sistem cazip hale getirmektedir.

Biyosensör kapasiteleri için özel ferrosen ihtiva eden sistemlerin üretilmesi amacıyla, bir hedef molekül için spesifik biyo-reseptörü ile bir Cp halkasının değiştirme ve elektrokimyasal okuma veya elektroda bir molekül halata gibi Cp halkasının kullanılması en uygunudurTrode (Şekil 1). Bu asimetrik ferrosen türevlerinin sentezi yan reaksiyonların ve moleküller arası çapraz bağlanma üzerine oluşan dimerik ve polimerik türlerinin oluşumu sebebi ile zorlanır. 47 Bununla birlikte, bir amid bağı üreten birleştirme kimyası biyolojik bileşenleri gibi ilgili ferrosen basit türevler sağlamak için en kısa yol olduğu peptidler ve bunların metabolitleri gibi. Bu nedenle, ilk olarak peptid sentezi için Merrifield tarafından 1950'li yıllarda geliştirilen bir katı faz teknikleri ferrosen içeren organometalik bileşikler için uygulanabilir. Yer alır dik ikame 1'-Fmoc-amino-ferrosen-1-karboksilik asit molekülünün, bir alıcı parçasını (biyotin), elektrokimyasal okuma (ferrosen) ve hareketsiz kılma-bağlayıcı bileşen (sistein) içeren bir ferrosen sistemi kullanılmasıyla inşa ve burada ayrıntılı olarak. Bu biyo-konjugat sentezi altın yüzeyinde immobilizasyon için kanıtların yanı sıra ele alınmaktadır. Bu çalışma Temsilci VekiliBiotin, ferrosen ve bir altın yüzeye immobilizasyon için bir amino asitten oluşan bir sistemin birinci sunum ts.

Protocol

Biyotin-Fc-sistein 1. N- (1) Katı faz yöntemleri 1 reçineye bağlı üretmek. Bir fritli şırınga içine biyotin yüklenmiş reçine (250 mg, 0.145 mmol), koyun ve dimetilformamid (5 mi) içine çekilmesi ve 20 dakika süre ile bir laboratuar karıştırıcısı üzerinde şırınga çalkalayarak, reçineyi kabartmak. Çözüm sınırdışı ve bir kez daha şişme dimetilformamid tekrarlayın. Çalkalama 10-15 dakika süre ile bir şırınga dimetilformamid içinde% 2…

Representative Results

1 reçineye bağlı bir şekilde, Şekil 2 'de gösterilmiştir. ferrosen bileşeni kovalent bağlanması ile demir emilimini karşı sürekli yıkama ile kalıcı ve kompleks ihtiva eden bir hareketsiz demir göstergesidir reçine boncukları turuncu bir renk tonu meydana getirir bir reçine tanesi PEG bileşeni. 1 reçineden serbest form reçine boncukları renk aynıdır. Reçineden boncuklardan bileşiği çıkarılmasının ardından, yöntem elde edilen saflı…

Discussion

asimetrik ferosen türevlerinin sentezi çözeltisi içinde zordur. Örneğin, çözelti, arzu edilen ürün (% 20 den az) olarak düşük miktarlarda ürün olarak sonuçlanmıştır 1 üretmek için çalışır. Benzer şekilde, 1'-amino-ferrosen karboksilik asit (sans Fmoc) ve reçine bağlı biotini kullanan reaksiyonlar Baristic ark polimerize ürünle tutarlı çözünmeyen bir ürün ile sonuçlanmıştır. ve en az bir ürün. 47 Bu da Ferrocenenin ile komplike v…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

KG RA Welch Vakfı hibe P-1760 tarafından desteklenen, Matematik & (KG) Fen Eğitimi TCU Andrews Enstitüsü, TCU Araştırma ve Yaratıcılık Faaliyet Hibe (KG) ve (EHS için) TCU SERC Grant.

Materials

Biotin Novatag Resin NovaBiochem 8550510001
TORVIQ 10ML LUER LOCK FRITTED SYRINGE Fisher NC9299151
piperdine Acros P/3520/PB05
ninhydrin test Sigma-Aldrich 60017-1ea
1’-Fmoc-amino-ferrocene-1-carboxylic acid Omm Scientific Special Order
1-​Hydroxybenzotriazole hydrate Sigma-Aldrich 157260-25G
N,N′-Diisopropylcarbodiimide Sigma-Aldrich D125407-5G
N,N-​Diisopropylethylamine Sigma-Aldrich 496219-100ML
Fmoc-Cys(Trt)-OH Novabiochem 8520080025
trifluoroacetic acid Sigma-Aldrich T5408
1,2-ethanedithiol Sigma-Aldrich 2930
triisopropyl silane Sigma-Aldrich 233781
Eppendorf tubes (20 mL) any source
methanol any source dry with molecular sieves prior to use & store in 100 mL media bottle for easy usage.
dichloromethane any source dry with molecular sieves prior to use & store in 100 mL media bottle for easy usage.
dimethylformamide any source dry with molecular sieves prior to use & store in 100 mL media bottle for easy usage.
centrifuge any source
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wang, J. Electrochemical biosensors: towards point-of-care cancer diagnostics. Biosens Bioelectron. 21 (10), 1887-1892 (2006).
  2. Scarborough, J. H., Brusoski, K., Brewer, S., Green, K. N. . Solid phase synthesis of ferrocene-biotin bioconjugates and reactivity with avidin. A paradigm for development of electrochemical biosensors. , (2014).
  3. Zhang, S., Zheng, F., Wu, Z., Shen, G., Yu, R. Highly sensitive electrochemical detection of immunospecies based on combination of Fc label and PPD film/gold nanoparticle amplification. Biosens Bioelectron. 24 (1), 129-135 (2008).
  4. Gobi, K. V., Mizutani, F. Layer-by-layer construction of an active multilayer enzyme electrode applicable for direct amperometric determination of cholesterol. Sensors and Actuators. 80 (3), 272-277 (2001).
  5. Gobi, K. V., Mizutani, F. Amperometric detection of superoxide dismutase at cytochrome c-immobilized electrodes: Xanthine oxidase and ascorbate oxidase incorporated biopolymer membrane for in-vivo analysis. Analytical Sciences. 17 (1), 11-15 (2001).
  6. Gobi, K. V., Sato, Y., Mizutani, F. Mediatorless superoxide dismutase sensors using cytochrome c-modified electrodes: Xanthine oxidase incorporated polyion complex membrane for enhanced activity and in vivo analysis. Electroanalysis. 13 (5), 397-403 (2001).
  7. Shankaran, D. R., Uehara, N., Kato, T. A metal dispersed sol-gel biocomposite amperometric glucose biosensor. Biosensor.., & Bioelectronics. 18 (5-6), 721-728 (2003).
  8. Yamamoto, K., Xu, F., Shi, G. Y., Kato, T. On-line biosensor for detection of glucose, choline and glutamate simultaneously integrated with microseparation system. Journal of Pharmacological Sciences. 91, 211p-211 (2003).
  9. Luppa, P. B., Kaiser, T., Cuilleron, C. Y. Ligand-binding studies of sex hormone-binding globulin with 17alpha-dihydrotestosterone derivatives as ligands using a surface plasmon resonance biosensor. Clinical Chemistry. 47 (6), A9-A9 (2001).
  10. Luppa, P. B., Sokoll, L. J., Chan, D. W. Immunosensors – principles and applications to clinical chemistry. Clinica Chimica Acta. 314 (1-2), 1-26 (2001).
  11. Mallat, E., Barcelo, D., Barzen, C., Gauglitz, G., Abuknesha, R. Immunosensors for pesticide determination in natural waters. Trac-Trends in Analytical Chemistry. 20 (3), 124-132 (2001).
  12. Pemberton, R. M., Hart, J. P., Mottram, T. T. An electrochemical immunosensor for milk progesterone using a continuous flow system. Biosensor.., & Bioelectronics. 16 (9-12), 715-723 (2001).
  13. Pancrazio, J. J., Whelan, J. P., Borkholder, D. A., Ma, W., Stenger, D. A. Development and application of cell-based biosensors. Annals of Biomedical Engineering. 27 (6), 697-711 (1999).
  14. May, K. M. L., Wang, Y., Bachas, L. G., Anderson, K. W. Development of a whole-cell-based biosensor for detecting histamine as a model toxin. Analytical Chemistry. 76 (14), 4156-4161 (2004).
  15. Taylor, C. J., Bain, L. A., Richardson, D. J., Spiro, S., Russell, D. A. Construction of a whole-cell gene reporter for the fluorescent bioassay of nitrate. Analytical Biochemistry. 328 (1), 60-66 (2004).
  16. Philp, J. C., et al. Whole cell immobilised biosensors for toxicity assessment of a wastewater treatment plant treating phenolics-containing waste. Analytica Chimica Acta. 487 (1), 61-74 (2003).
  17. Subrahmanyam, S., Piletsky, S. A., Turner, A. P. F. Application of natural receptors in sensors and assays. Analytical Chemistry. 74 (16), 3942-3951 (2002).
  18. Ryberg, E., et al. Identification and characterisation of a novel splice variant of the human CB1 receptor. Febs Letters. 579 (1), 259-264 (2005).
  19. Cooper, M. A. Advances in membrane receptor screening and analysis. Journal of Molecular Recognition. 17 (4), 286-315 (2004).
  20. Kumbhat, S., et al. A novel receptor-based surface-plasmon-resonance affinity biosensor for highly sensitive and selective detection of dopamine. Chemistry Letters. 35 (6), 678-679 (1246).
  21. Yemini, M., Reches, M., Gazit, E., Rishpon, J. Peptide nanotube-modified electrodes for enzyme-biosensor applications. Analytical Chemistry. 77 (16), 5155-5159 (2005).
  22. Endo, T., Kerman, K., Nagatani, N., Takamura, Y., Tamiya, E. Label-free detection of peptide nucleic acid-DNA hybridization using localized surface plasmon resonance based optical biosensor. Analytical Chemistry. 77 (21), 6976-6984 (2005).
  23. Drummond, T. G., Hill, M. G., Barton, J. K. Electrochemical DNA sensors. Nature Biotechnology. 21 (10), 1192-1199 (2003).
  24. Piunno, P. A. E., Krull, U. J. Trends in the development of nucleic acid biosensors for medical diagnostics. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 381 (5), 1004-1011 (2005).
  25. Dechtrirat, D., et al. Electrochemical displacement sensor based on ferrocene boronic acid tracer and immobilized glycan for saccharide binding proteins and E. coli. Biosensor.., & Bioelectronics. 58, 1-8 (2014).
  26. Lacina, K., et al. Combining ferrocene, thiophene and a boronic acid: a hybrid ligand for reagentless electrochemical sensing of cis-diols. Tetrahedron Letters. 55 (21), 3235-3238 (2014).
  27. Takahashi, S., Anzai, J. Recent Progress in Ferrocene-Modified Thin Films and Nanoparticles for Biosensors. Materials. 6 (12), 5742-5762 (2013).
  28. Liu, L., et al. Amplified voltammetric detection of dopamine using ferrocene-capped gold nanoparticle/streptavidin conjugates. Biosensor.., & Bioelectronics. 41, 730-735 (2013).
  29. Shankaran, D. R., Gobi, K. V. A., Miura, N. Recent advancements in surface plasmon resonance immunosensors for detection of small molecules of biomedical, food and environmental interest. Sensors and Actuators B-Chemical. 121 (1), 158-177 (2007).
  30. Szarka, Z., Kuik, &. #. 1. 9. 3. ;., Skoda-Földes, R., Kollár, L. Aminocarbonylation of 1,1′-diiodoferrocene, two-step synthesis of heterodisubstituted ferrocene derivatives via homogeneous catalytic carbonylation/coupling reactions. Journal of Organometallic Chemistry. 689 (17), 2770-2775 (2004).
  31. Niu, H. T., et al. Imidazolium-based macrocycles as multisignaling chemosensors for anions. Dalton Trans. (28), 3694-3700 (2008).
  32. Qing, G. -. Y., Sun, T. -. L., Wang, F., He, Y. -. B., Yang, X. Chromogenic Chemosensors forN-Acetylaspartate Based on Chiral Ferrocene-Bearing Thiourea Derivatives. European Journal of Organic Chemistry. (6), 841-849 (2009).
  33. Romero, T., Caballero, A., Espinosa, A., Tarraga, A., Molina, P. A multiresponsive two-arm ferrocene-based chemosensor molecule for selective detection of mercury. Dalton Trans. (12), 2121-2129 (2009).
  34. Zapata, F., Caballero, A., Espinosa, A., Tarraga, A., Molina, P. A selective redox and chromogenic probe for Hg(II) in aqueous environment based on a ferrocene-azaquinoxaline dyad. Inorg Chem. 48 (24), 11566-11575 (2009).
  35. Alfonso, M., Tarraga, A., Molina, P. Ferrocene-based multichannel molecular chemosensors with high selectivity and sensitivity for Pb(II) and Hg(II) metal cations. Dalton Trans. 39 (37), 8637-8645 (2010).
  36. Zapata, F., Caballero, A., Molina, P., Tarraga, A. A ferrocene-quinoxaline derivative as a highly selective probe for colorimetric and redox sensing of toxic mercury(II) cations. Sensors (Basel). 10 (12), 11311-11321 (2010).
  37. Thakur, A., Sardar, S., Ghosh, S. A highly selective redox, chromogenic, and fluorescent chemosensor for Hg2+ in aqueous solution based on ferrocene-glycine bioconjugates). Inorg Chem. 50 (15), 7066-7073 (2011).
  38. Sathyaraj, G., Muthamilselvan, D., Kiruthika, M., Weyhermüller, T., Nair, B. U. Ferrocene conjugated imidazolephenols as multichannel ditopic chemosensor for biologically active cations and anions. Journal of Organometallic Chemistry. 716, 150-158 (2012).
  39. Kwon, S. J., Kim, E., Yang, H., Kwak, J. An electrochemical immunosensor using ferrocenyl-tethered dendrimer. Analyst. 131 (3), 402-406 (2006).
  40. Pinto, A., Hoffmanns, U., Ott, M., Fricker, G., Metzler-Nolte, N. Modification with Organometallic Compounds Improves Crossing of the Blood-Brain Barrier of [Leu(5)]-Enkephalin Derivatives in an In Vitro Model System. Chembiochem. 10 (11), 1852-1860 (2009).
  41. Barisic, L., et al. The first ferrocene analogues of muramyldipeptide. Carbohydr Res. 346 (5), 678-684 (2011).
  42. Brusoski, K., Green, K. N. Novel click derivatives of ferrocene and their applications toward construction of electrochemical biosensors. Abstracts of Papers, 243rd ACS National Meetin.., & Exposition. , (2012).
  43. Bucher, C., Devillers, C. H., Moutet, J. -. C., Royal, G., Saint-Aman, E. Anion recognition and redox sensing by a metalloporphyrin–ferrocene–alkylammonium conjugate. New Journal of Chemistry. 28, 1584-1589 (2004).
  44. Tanaka, S., Yoshida, K., Kuramitz, H., Sugawara, K., Nakamura, H. Electrochemical detection of biotin using an interaction between avidin and biotin labeled with ferrocene at a perfluorosulfonated ionomer modified electrode. Analytical Sciences. 15 (9), 863-866 (1999).
  45. Real-Fernandez, F., et al. Ferrocenyl glycopeptides as electrochemical probes to detect autoantibodies in multiple sclerosis patients’ sera. Biopolymers. 90 (4), 488-495 (2008).
  46. Husken, N., Gasser, G., Koster, S. D., Metzler-Nolte, N. Four-potential’ ferrocene labeling of PNA oligomers via click chemistry. Bioconjug Chem. 20 (8), 1578-1586 (2009).
  47. Barisic, L. . Croatica Chemica Acta. 75, 199-210 (2002).
  48. Kirin, S. I., Noor, F., Metzler-Nolte, N. Manual Solid-Phase Peptide Synthesis of Metallocene–Peptide Bioconjugates. Journal of Chemical Education. 84 (1), 108-111 (2007).
  49. Barisic, L., et al. Helically chiral ferrocene peptides containing 1 ‘-aminoferrocene-1-carboxylic acid subunits as turn inducers. Chemistry-a European Journal. 12 (19), 4965-4980 (2006).
  50. Mahmoud, K., Long, Y. -. T., Schatte, G., Kraatz, H. -. B. Electronic communication through the ureylene bridge: spectroscopy, structure and electrochemistry of dimethyl 1′,1′-ureylenedi(1-ferrocenecarboxylate). Journal of Organometallic Chemistry. 689 (13), 2250-2255 (2004).
  51. Mahmoud, K. A., Kraatz, H. B. Synthesis and electrochemical investigation of oligomeric ferrocene amides: Towards ferrocene polyamides. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 16 (3), 201-210 (2006).
  52. Mahmoud, K. A., Kraatz, H. B. A bioorganometallic approach for the electrochemical detection of proteins: A study on the interaction of ferrocene-peptide conjugates with papain in solution and on au surfaces. Chemistry-a European Journal. 13 (20), 5885-5895 (2007).

Tags

FerroceneBiotinBioconjugateBiosensorSolid-phase SynthesisEarly Disease Detection

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Scarborough, J. H., Gonzalez, P., Rodich, S., Green, K. N. Synthetic Methodology for Asymmetric Ferrocene Derived Bio-conjugate Systems via Solid Phase Resin-based Methodology. J. Vis. Exp. (97), e52399, doi:10.3791/52399 (2015).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image