Dannelse af Bestilte Biomolekylær Strukturer af Self-samling af korte peptider
Summary
Dette papir beskriver dannelsen af stærkt bestilt peptidbaserede strukturer fra spontan proces af selv-forsamling. Fremgangsmåden benytter kommercielt tilgængelige peptider og fælles laboratorieudstyr. Denne teknik kan anvendes til en lang række af peptider og kan føre til opdagelsen af nye peptid-baserede enheder.
Abstract
I naturen er komplekse funktionelle strukturer dannet ved selv-samling af biomolekyler under milde betingelser. Forståelse af de kræfter, der styrer selv-samling og efterligne denne proces in vitro vil medføre store fremskridt inden for materialevidenskab og nanoteknologi. Blandt de foreliggende biologiske byggesten peptider har flere fordele, da de har en betydelig mangfoldighed, deres syntese i stor skala er ligetil, og de kan let modificeres med biologiske og kemiske enheder 1,2. Adskillige klasser af konstruerede peptider, såsom cykliske peptider, amfifile peptider og peptid-konjugater selv samle ind ordnede strukturer i opløsning. Homoaromatic dipeptider er en klasse af korte selvsamlede peptider, som indeholder alle de molekylær information er nødvendig for at danne ordnede strukturer såsom nanorør, kugler og fibriller 3-8. Et stort udvalg af disse peptider er kommercielt tilgængelige.
<pclass = "jove_content"> Denne artikel præsenterer en procedure, der fører til dannelsen af ordnede strukturer ved selv-samling af homoaromatic peptider. Protokollen kræver kun kommercielle reagenser og grundlæggende laboratorieudstyr. Derudover papir beskriver nogle af de metoder til rådighed for karakterisering af peptid-baserede enheder. Disse metoder omfatter elektron og atomic force mikroskopi og Fourier-transformation infrarød spektroskopi (FT-IR). Desuden manuskriptet viser blanding af peptider (coassembly) og dannelsen af en "perler på en snor"-lignende struktur ved denne fremgangsmåde. 9. Protokollerne præsenteres her kan tilpasses til andre klasser af peptider eller biologisk byggesten og kan potentielt føre til opdagelsen af nye peptidbaserede strukturer og bedre kontrol af deres samling.Introduction
Natur former bestilt og funktionelle strukturer ved fremgangsmåden biomolekylær selvsamling. Forståelse af de kræfter, der styrer denne spontane proces kan føre til evnen til at efterligne selvsamling in vitro og dermed store fremskridt inden for materialevidenskab 10,11. Peptider specifikt hold meget lovende som et biomolekylært byggesten, da de præsenterer stor strukturel diversitet, let kemisk syntese, og kan nemt funktionaliserede med biologiske og kemiske enheder. Feltet af peptid selv-samling var banebrydende ved Ghadiri og hans kolleger, der demonstrerede selvsamling af peptid nanorør ved cykliske peptider med vekslende D-og L-aminosyrer 12. Andre succesfulde tilgange til design af peptidsamlinger omfatter lineære bolaamphiphile peptider 5, amphiphiler (AP) 6, konjugerede selvstændige komplementære ioniske peptider 13, overfladeaktive-lignende peptider <sup> 4,14, og diblok copolypeptides 15.
En nyere tilgang indebærer selv-samling af korte aromatiske peptider, kaldet homoaromatic dipeptider. Disse peptider omfatter kun to aminosyrer med aromatisk karakter (f.eks Phe-Phe, tert-butyldicarbonat (Boc)-Phe-Phe) 7,8,16-21. De strukturer, der dannes af disse homoaromatic peptider omfatter rørformede strukturer, kugler, ark-lignende forsamlinger og fibre 6,8,15,21-32. Fibrene i nogle tilfælde generere en fibril maske, som giver en hydrogel 33-37. Disse samlinger er blevet udnyttet til anvendelser af biosensorer, drug delivery, molekylær elektronik osv. 38-45
Dette papir beskriver de eksperimentelle nødvendige skridt med henblik på at starte den spontane selvsamling af homoaromatic peptider. Desuden viser processen peptid coassembly. Denne proces indebærer selvsamling af mere end én type af peptidmonomer.
Vores demonstration omfatter coassembly af to kommercielt tilgængelige peptider: den diphenylalanin peptid (NH2-Phe-Phe-COOH) og Boc-beskyttede analog (Boc-Phe-Phe-OH). Hver af peptiderne selv samler i en supermolecular struktur: diphenylalanin peptid danner rørformede samlinger og Boc-Phe-Phe-OH peptid selv samler til enten sfærer eller fibre, afhængigt af opløsningsmidlet 7,17,46. Vi blandet de to peptider i visse nøgletal og karakteriserede resulterede forsamlinger ved elektronmikroskopi, force mikroskopi og FT-IR spektroskopi. Fremgangsmåderne demonstreret dannelse af et peptid-baserede struktur, der består af sfæriske elementer med en diameter på flere mikrometer (1-4 um), der er forbundet med langstrakte samlinger med en diameter på et par hundrede nanometer (~ 300-800 nm) . Konstruktionerne ligne beaded strenge i deres morfologi, som de sfæriske strukturer synes at være skruet på denaflange forsamlinger. Betegnes Vi har derfor disse samlinger "biomolekylære halskæder". De "biomolekylære halskæder" kunne tjene som en ny biomateriale, som en drug delivery agent eller som et stillads for elektroniske applikationer. Endvidere kan den procedure, der fører til selvsamling af peptider anvendes med andre klasser af peptider og biomolekyler. Det kan føre til en bedre forståelse af de involverede i selv-samling og dannelsen af nye ordnede strukturer kræfter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sammenfattende dette papir viser den lethed, hvor peptid-baserede samlinger kan dannes in vitro. Processen involverer kommercielt tilgængelige peptider og opløsningsmidler, og det sker spontant under omgivelsesbetingelser, ved tilsætning af et polært opløsningsmiddel til reagensglasset. Det er afgørende at anvende HFP som et opløsningsmiddel af peptiderne på grund af den lave opløselighed af peptiderne i andre organiske opløsningsmidler. Desuden, på grund af den høje flygtighed HFP det er nødvendig…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Marie Curie International reintegrationsstipendium og ved den tysk-Israel Foundation. Vi anerkender Mr. Yair Razvag for AFM-analyse.
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).
