تشكيل الهياكل الجزيئية البيولوجية أمرت قبل التجميع الذاتي من الببتيدات قصير
Summary
وتصف هذه الورقة تشكيل الهياكل القائمة على الببتيد أمر غاية قبل عملية عفوية من التجميع الذاتي. يستخدم الأسلوب الببتيدات المتاحة تجاريا ومعدات المختبرات المشتركة. ويمكن تطبيق هذه التقنية لمجموعة كبيرة ومتنوعة من الببتيدات وربما يؤدي إلى اكتشاف تجمعات القائم على الببتيد الجديدة.
Abstract
في الطبيعة، ويتم تشكيل هياكل وظيفية معقدة من التجميع الذاتي للجزيئات الحيوية تحت ظروف معتدلة. وفهم القوى التي تتحكم التجميع الذاتي ومحاكاة هذه العملية في المختبر تحقيق تقدم كبير في مجالات العلوم والتكنولوجيا النانوية المواد. بين اللبنات البيولوجية المتاحة، الببتيدات لديها العديد من المزايا كما يقدم تنوع كبير، والتوليف في نطاق واسع واضح ومباشر، ويمكن بسهولة أن يتم تعديل مع الكيانات البيولوجية والكيماوية 1،2. عدة أصناف من الببتيدات تصميم مثل الببتيدات الحلقية، الببتيدات مزدوج الألفة والببتيد تقارن تجميع الذاتي في هياكل أمر في الحل. dipeptides Homoaromatic، هي فئة من الببتيدات الذاتي تجميعها القصيرة التي تحتوي على جميع المعلومات الجزيئية اللازمة لتشكيل هياكل أمر مثل الأنابيب النانوية، ومجالات الألياف 3-8. مجموعة كبيرة متنوعة من هذه الببتيدات غير متاحة تجاريا.
<p الطبقة = "jove_content"> تعرض هذه الورقة إجراء من شأنه أن يؤدي إلى تشكيل هياكل أمر بها التجميع الذاتي من الببتيدات homoaromatic. البروتوكول يتطلب سوى الكواشف التجارية والمعدات المختبرية الأساسية. بالإضافة إلى ذلك، يصف الورقة بعض الطرق المتاحة لتوصيف المجالس القائم على الببتيد. وتشمل هذه الأساليب والإلكترون المجهري القوة الذرية وفورييه، تحويل الأشعة تحت الحمراء الطيفي (FT-IR). علاوة على ذلك، يوضح المخطوط المزج بين الببتيدات (coassembly) وتشكيل "الخرز على سلسلة" مثل هيكل من قبل هذه العملية. 9 البروتوكولات المعروضة هنا يمكن تكييفها لفئات أخرى من الببتيدات أو اللبنات البيولوجية ويحتمل أن تؤدي إلى اكتشاف الهياكل القائمة على الببتيد جديدة وتحسين السيطرة على جمعيتهم.Introduction
أشكال الطبيعة أمر وظيفية الهياكل من خلال عملية التجميع الذاتي الجزيئي البيولوجي. فهم القوى التي تحكم هذه العملية العفوية قد يؤدي إلى القدرة على تقليد التجميع الذاتي في المختبر، وبالتالي إلى تقدم كبير في مجال علوم المواد 10،11. الببتيدات، تحديدا، على وعود كبيرة باعتبارها اللبنة الجزيئية البيولوجية، نظرا لأنها تقدم التنوع الهيكلي كبيرة، وسهولة التركيب الكيميائي، ويمكن بسهولة بين functionalized مع الكيانات البيولوجية والكيماوية. كان رائدا في مجال الببتيد التجميع الذاتي من قبل الغادري وزملائه، الذين تظاهروا على التجميع الذاتي من الأنابيب النانومترية الببتيد بواسطة الببتيدات دوري بالتناوب مع D-L والأحماض الأمينية 12. وتشمل النهج الناجحة الأخرى في تصميم المجالس الببتيد الببتيد خطي bolaamphiphile 5، amphiphiles (ا ف ب) 6،-التكميلية النفس الببتيدات الأيونية nonconjugated 13، الببتيدات مثل بالسطح <suع> 4،14، وdiblock copolypeptides 15.
نهج أكثر حداثة ينطوي على التجميع الذاتي من الببتيدات العطرية قصيرة، ووصف dipeptides homoaromatic. تشمل هذه الببتيدات اثنين فقط من الأحماض الأمينية العطرية مع الطبيعة (مثل الفنيل ألانين-الفنيل ألانين، ثالثي بوتيل بيكربونات (مجلس المفوضين) الفنيل ألانين-الفنيل ألانين) 7،8،16-21. الهياكل التي شكلتها هذه الببتيدات homoaromatic تشمل الهياكل الأنبوبية، الكرات، والجمعيات مثل ورقة والألياف 6،8،15،21-32. الألياف في بعض الحالات تولد شبكة ليفية يمكن أن ينتج هيدروجيل 33-37. وقد تم استغلال هذه التجميعات لتطبيقات biosensing، تسليم المخدرات، والإلكترونيات الجزيئية، الخ. 38-45
وتصف هذه الورقة الخطوات التجريبية اللازمة لبدء عفوية التجميع الذاتي من الببتيدات homoaromatic. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يعرض عملية الببتيد coassembly. هذه العملية تنطوي على التجميع الذاتي من أكثر من نوع واحد من الببتيدمونومر.
يتضمن مظاهرة لدينا coassembly اثنين من الببتيدات المتاحة تجاريا: الببتيد diphenylalanine (NH-2-الفنيل ألانين الفنيل ألانين-COOH) ولها بوك المحمية التماثلية (مجلس المفوضين-الفنيل ألانين-الفنيل ألانين-OH). كل من الببتيدات تجميع الذاتي في هيكل supermolecular: أشكال diphenylalanine الببتيد المجالس أنبوبي بوك و-الفنيل ألانين-الفنيل ألانين-OH الببتيد ذاتيا في المجالات أو ألياف إما اعتمادا على المذيبات 7،17،46. نحن المخلوطة الببتيدات اثنين في نسب معينة، وتميزت المجالس أسفرت بواسطة المجهر الإلكتروني، وقوة المجهر FT-IR الطيفي. أظهرت أساليب تشكيل الهيكل القائم على الببتيد التي تتألف من عناصر كروية يبلغ قطرها عدة ميكرون (1-4 ميكرون) التي ترتبط بها الجمعيات ممدود يبلغ قطرها بضع مئات من نانومتر (~ 300-800 نانومتر) . المجالس تشبه سلاسل من الخرز في التشكل، ويبدو أن هياكل كروية إلى أن الخيوط علىالمجالس ممدود. وبالتالي فإننا وصف هذه المجالس "القلائد الجزيئية البيولوجية". في "القلائد الجزيئية البيولوجية" قد تكون بمثابة مادة بيولوجية جديدة، كعامل تسليم المخدرات أو سقالة للتطبيقات الإلكترونية. وعلاوة على ذلك، فإن الإجراء الذي يؤدي إلى التجميع الذاتي من الببتيدات يمكن استخدامها مع الفئات الأخرى من الببتيدات والجزيئات الحيوية. فإنه قد يؤدي إلى فهم أفضل للقوات المشاركة في التجميع الذاتي وتشكيل هياكل جديدة أمر.
Protocol
Representative Results
Discussion
باختصار، يوضح هذه الورقة سهولة في المجالس التي القائم على الببتيد يمكن تشكيلها في المختبر. وتنطوي العملية على الببتيدات والمذيبات المتاحة تجاريا، ويحدث عفويا في ظل الظروف المحيطة، على إضافة المذيبات القطبية إلى أنبوب الاختبار. لا بد من استخدام HFP كمذيب من البب?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل ماري كوري الدولية إعادة الإدماج غرانت والمؤسسة الألمانية لإسرائيل. نحن نعترف السيد يائير Razvag لتحليل فؤاد.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| NH2-Phe-Phe-OH | Bachem | G-2925.0001 | |
| Boc-Phe-Phe-OH | Bachem | A-3205.0005 | |
| 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol | Sigma-Aldrich | 52512-100ML | |
| Ethanol absolute (Dehydrated) AR sterile | Bio-Lab Ltd. | 52555 | Blending with TDW for the preparation of 50% solution |
| Uranyl acetate | Sigma-Aldrich | 73943 | For negative staining. It is possible to work without it. |
| glass cover slip | Marienfeld Laboratory Glassware | 110590 | |
| TEM grids | Electron Microscopy Sciences | FCF200-Cu-50 | Formvar/Carbon 200 Mesh, Cu |
| Quantitive filter paper | Whatman | 1001055 | |
| Deuterium Oxide (D2O) | Sigma-Aldrich | 151882-100G | 99.9 atom % D |
| CaF2 window | PIKE Technologies | 160-1212 | 25 mm x 2 mm window. For FT-IR measurments |
| AFM tips | NanoScience Instruments | CFMR | Aspire probes, CFMR-25 series |
| Filter units | Millipore | SLGV033RS | Millex-GV, 0.22 μm, PVDF, 33 mm, gamma sterilized |
| SEM | FEI | Quanta 200 ESEM | |
| TEM | FEI | Tecnai T12 G2 Spirit | |
| AFM | JPK Instruments | A JPK NanoWizard3 | |
| FT-IR | Thermo Fisher Scientific | Nicolet 6700 advanced gold spectrometer | |
| FT-IR Purge | Parker | BALSTON FT-IR Purge Gas Generator model 75-52 | |
| OMNIC (Nicolet) software | Thermo Nicolet Corporation | For FT-IR spectra analysis | |
| Vortex mixer | Wisd Laboratory Equipment | ViseMix VM | |
| Weight | Mettler Toledo | NewClassic MS | |
| Sputter coater | Polaron | SC7640 Sputter Coater |
Referências
- Rajagopal, K., Schneider, J. P. Self-assembling peptides and proteins for nanotechnological applications. Curr. Opin. Struc. Biol. 14, 480-486 (2004).
- Ulijn, R. V., Smith, A. M. Designing peptide based nanomaterials. Chem. Soc. Rev. 37, 664-675 (2008).
- Bong, D. T., Clark, T. D., Granja, J. R., Ghadiri, M. R. Self-assembling organic nanotubes. Angew. Chem. Int. Ed. 40, 988-1011 (2001).
- Vauthey, S., Santoso, S., Gong, H. Y., Watson, N., Zhang, S. G. Molecular self-assembly of surfactant-like peptides to form nanotubes and nanovesicles. P. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 5355-5360 (2002).
- Matsui, H., Gologan, B. Crystalline glycylglycine bolaamphiphile tubules and their pH-sensitive structural transformation. J. Phys. Chem. B. 104, 3383-3386 (2000).
- Hartgerink, J. D., Beniash, E., Stupp, S. I. Self-assembly and mineralization of peptide-amphiphile nanofibers. Science. 294, 1684-1688 (2001).
- Reches, M., Gazit, E. Casting metal nanowires within discrete self-assembled peptide nanotubes. Science. 300, 625-627 (2003).
- Reches, M., Gazit, E. Molecular self-assembly of peptide nanostructures: mechanism of association and potential uses. Curr. Nanosci. 2, 105-111 (2006).
- Yuran, S., Razvag, Y., Reches, M. Coassembly of Aromatic Dipeptides into Biomolecular Necklaces. ACS Nano. 6, 9559-9566 (2012).
- Zhang, S. G. Emerging biological materials through molecular self-assembly. Biotechnol. Adv. 20, 321-339 (2002).
- Zhang, S. G. Fabrication of novel biomaterials through molecular self-assembly. Nat. Biotechnol. 21, 1171-1178 (2003).
- Hartgerink, J. D., Granja, J. R., Milligan, R. A., Ghadiri, M. R. Self-assembling peptide nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 118, 43-50 (1996).
- Holmes, T. C., et al. Extensive neurite outgrowth and active synapse formation on self-assembling peptide scaffolds. P. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 6728-6733 (2000).
- Santoso, S., Hwang, W., Hartman, H., Zhang, S. G. Self-assembly of surfactant-like peptides with variable glycine tails to form nanotubes and nanovesicles. Nano Lett. 2, 687-691 (2002).
- Bellomo, E. G., Wyrsta, M. D., Pakstis, L., Pochan, D. J., Deming, T. J. Stimuli-responsive polypeptide vesicles by conformation-specific assembly. Nat. Mater. 3, 244-248 (2004).
- Reches, M., Gazit, E. Formation of closed-cage nanostructures by self-assembly of aromatic dipeptides. Nano Lett. 4, 581-585 (2004).
- Reches, M., Gazit, E. Self-assembly of peptide nanotubes and amyloid-like structures by charged-termini-capped diphenylalanine peptide analogues. Isr. J. Chem. 45, 363-371 (2005).
- Park, J., Kahng, B., Kamm, R. D., Hwang, W. Atomistic simulation approach to a continuum description of self-assembled beta-sheet filaments. Biophys. J. 90, 2510-2524 (2006).
- Yan, X., et al. Reversible transitions between peptide nanotubes and vesicle-like structures including theoretical modeling studies. ChemEur. J. 14, 5974-5980 (2008).
- Yan, X., et al. Transition of cationic dipeptide nanotubes into vesicles and oligonucleotide delivery. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 2431-2434 (2007).
- Burkoth, T. S., et al. Structure of the beta-amyloid (10-35) fibril. J. Am. Chem. Soc. 122 (10-35), 7883-7889 (2000).
- Aggeli, A., et al. Hierarchical self-assembly of chiral rod-like molecules as a model for peptide beta-sheet tapes, ribbons, fibrils, and fibers. P. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 11857-11862 (2001).
- Hamley, I. W. Peptide fibrillization. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 8128-8147 (2007).
- Maji, S. K., Haldar, D., Drew, M. G. B., Banerjee, A., Das, A. K. Self-assembly of beta-turn forming synthetic tripeptides into supramolecular beta-sheets and amyloid-like fibrils in the solid state. Tetrahedron. 60, 3251-3259 (2004).
- Jahn, T. R., Parker, M. J., Homans, S. W., Radford, S. E. Amyloid formation under physiological conditions proceeds via a native-like folding intermediate. Nat. Struct. Mol. Biol. 13, 195-201 (2006).
- Shimada, T., Sakamoto, N., Motokawa, R., Koizumi, S., Tirrell, M. Self-assembly process of peptide amphiphile worm-like micelles. J. Phys. Chem. B. 116, 240-243 (2012).
- Sedman, V. L., et al. Surface-templated fibril growth of peptide fragments from the shaft domain of the adenovirus fibre protein. Protein Pept. Lett. 18, 268-274 (2011).
- Choi, S. -. j., et al. Differential self-assembly behaviors of cyclic and linear peptides. Biomacromolecules. 13, 1991-1995 (2012).
- Ghosh, S., Reches, M., Gazit, E., Verma, S. Bioinspired design of nanocages by self-assembling triskelion peptide elements. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 2002-2004 (2007).
- Li, L. C., et al. Self-assembling nanotubes consisting of rigid cyclic gamma-peptides. Adv. Funct. Mater. 22, 3051-3056 (2012).
- Krysmann, M. J., et al. Self-assembly of peptide nanotubes in an organic solvent. Langmuir. 24, 8158-8162 (2008).
- Segman-Magidovich, S., et al. Sheet-like assemblies of charged amphiphilic alpha/beta-peptides at the air-water interface. ChemEur. J. 17, 14857-14866 (2011).
- Jayawarna, V., et al. Nanostructured hydrogels for three-dimensional cell culture through self-assembly of fluorenylmethoxycarbonyl-dipeptides. Adv. Mater. 18, 611-614 (2006).
- Mahler, A., Reches, M., Rechter, M., Cohen, S., Gazit, E. Rigid, self-assembled hydrogel composed of a modified aromatic dipeptide. Adv. Mater. 18, 1365-1368 (2006).
- Ryan, D. M., Doran, T. M., Anderson, S. B., Nilsson, B. L. Effect of C-terminal modification on the self-assembly and hydrogelation of fluorinated Fmoc-Phe derivatives. Langmuir. 27, 4029-4039 (2011).
- Jung, J. P., Gasiorowski, J. Z., Collier, J. H. Fibrillar peptide gels in biotechnology and biomedicine. Biopolymers. 94, 49-59 (2010).
- Xing, B. G., et al. Hydrophobic interaction and hydrogen bonding cooperatively confer a vancomycin hydrogel: A potential candidate for biomaterials. J. Am. Chem. Soc. 124, 14846-14847 (2002).
- Gore, T., Dori, Y., Talmon, Y., Tirrell, M., Bianco-Peled, H. Self-assembly of model collagen peptide amphiphiles. Langmuir. 17, 5352-5360 (2001).
- Ashkenasy, N., Horne, W. S., Ghadiri, M. R. Design of self-assembling peptide nanotubes with delocalized electronic states. Small. 2, 99-102 (2006).
- Mizrahi, M., Zakrassov, A., Lerner-Yardeni, J., Ashkenasy, N. Charge transport in vertically aligned, self-assembled peptide nanotube junctions. Nanoscale. 4, 518-524 (2012).
- Ryu, J., Lim, S. Y., Park, C. B. Photoluminescent peptide nanotubles. Adv. Mater. 21, 1577-1581 (2009).
- Ryu, J., Kim, S. -. W., Kang, K., Park, C. B. Synthesis of diphenylalanine/cobalt oxide hybrid nanowires and their application to energy storage. ACS Nano. 4, 159-164 (2010).
- Yan, X., Zhu, P., Li, J. Self-assembly and application of diphenylalanine-based nanostructures. Chem. Soc. Rev. 39, 1877-1890 (2010).
- Amdursky, N., et al. Blue luminescence based on quantum confinement at peptide nanotubes. Nano Lett. 9, 3111-3115 (2009).
- Maity, S., Jana, P., Maity, S. K., Haldar, D. Mesoporous vesicles from supramolecular helical peptide as drug carrier. Soft Matter. 7, 10174-10181 (2011).
- Adler-Abramovich, L., et al. Self-assembled organic nanostructures with metallic-like stiffness. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 9939-9942 (2010).
- Pelton, J. T., McLean, L. R. Spectroscopic methods for analysis of protein secondary structure. Anal. Biochem. 277, 167-176 (2000).
- Haris, P. I., Chapman, D. The conformational analysis of peptides using fourier-transform IR spectroscopy. Biopolymers. 37, 251-263 (1995).
