היווצרות של מבני Biomolecular הוזמנו על ידי ההרכבה העצמית של פפטידים קצרים
Summary
מאמר זה מתאר את היווצרותם של מבנים מבוססי פפטיד הורה מאוד על ידי התהליך הספונטני של הרכבה עצמית. השיטה מנצלת פפטידים זמינים מסחרי וציוד מעבדה משותפת. טכניקה זו יכולה להיות מיושמת על מגוון רחב של פפטידים ועשויה להוביל לגילוי של מכלולים המבוסס על פפטיד חדשים.
Abstract
בטבע, מבנים פונקציונליים מורכבים נוצרים על ידי ההרכבה העצמית של ביומולקולות בתנאים קלים. הבנת הכוחות השולטים בהרכבה עצמית ומחק את התהליך הזה במבחנה תביא להתקדמות גדולה בתחומי מדע וננוטכנולוגיה חומרים. בין אבני הבניין ביולוגי זמין, יש לי פפטידים מספר יתרונות כפי שהם מציגים גיוון משמעותי, הסינתזה שלהם בקנה מידה גדולה היא פשוטה, והם יכולים בקלות להיות שונה עם גורמים ביולוגיים וכימיים 1,2. כמה כיתות של פפטידים נועדו כגון פפטידים מחזוריים, פפטידים amphiphile ופפטיד conjugates עצמי להרכיב לתוך מבנים מסודרים בתמיסה. dipeptides Homoaromatic, הוא קבוצה של פפטידים עצמי התאספו קצרים המכילים את כל המידע המולקולרי הנחוץ ליצירת מבנים מסודרים כגון צינורות, כדורים וסיבים 3-8. מגוון גדול של פפטידים אלה הוא זמין באופן מסחרי.
<p class = "jove_content"> מאמר זה מציג הליך שמוביל להיווצרות של מבנים מסודרים על ידי ההרכבה העצמית של פפטידים homoaromatic. הפרוטוקול דורש רק חומרים כימיים מסחריים וציוד מעבדה בסיסי. בנוסף, העיתון מתאר חלק מהשיטות הזמינות לאפיון של מכלולים המבוסס על פפטיד. שיטות אלה כוללות אלקטרונים ומיקרוסקופ כוח אטומי ופורות-Transform אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (FT-IR). יתר על כן, את כתב היד מדגימה את המיזוג של פפטידים (coassembly) והיווצרות של "חרוזים על חוט" מבנה דמוי על ידי תהליך זה. 9 הפרוטוקולים שהוצגו כאן ניתן להתאים לסוגים אחרים של פפטידים או אבני בניין ביולוגי ויכולים באופן פוטנציאלי להוביל לגילוי של מבנים מבוססי הפפטיד חדשים ולשליטה טובה יותר של ההרכבה שלהם.Introduction
צורות טבע מסודרות ופונקציונליות מבנים על ידי התהליך של הרכבה עצמית biomolecular. הבנת הכוחות ששולטים בתהליך ספונטני זה עלולה להוביל ליכולת לחקות הרכבה עצמית במבחנה וכתוצאה מכך להתקדמות גדולה בתחום מדעי חומר 10,11. פפטידים, במיוחד, לקיים הבטחה גדולה כאבן בניין biomolecular, מאחר שהם מציגים מגוון מבני גדול, קלות של סינתזה כימית, והוא יכול בקלות להיות פונקציונליות עם ישויות ביולוגיות וכימיות. תחום ההרכבה עצמית פפטיד היה חלוץ ידי Ghadiri ועמיתיו, שהוכיחו את ההרכבה העצמית של צינורות פפטיד על ידי פפטידים מחזוריים לסירוגין עם D ו-חומצות אמינו L-12. גישות אחרות מוצלחות לעיצוב של מכלולי פפטיד כוללות פפטידים יניארי bolaamphiphile 5, amphiphiles (AP) 6, פפטידים עצמי משלים nonconjugated יוניים 13, פפטידים כמו פעילי שטח- <sup> 4,14, וdiblock copolypeptides 15.
גישה מאוחרת יותר כרוכה בהרכבה העצמית של פפטידים ארומטיים קצרים, כינה dipeptides homoaromatic. פפטידים אלה מהווים חומצות אמינו רק שתי עם טבע ארומטי (למשל Phe-Phe, dicarbonate טרט בוטיל (BOC)-Phe-Phe) 7,8,16-21. המבנים שהוקמו על ידי פפטידים homoaromatic אלה כוללים מבנים צינוריים, כדורים, מכלולים כמו גיליונות וסיבי 6,8,15,21-32. הסיבים ובמקרים מסוימים ליצור רשת סיבית כי תשואות הידרוג'ל 33-37. מכלולים אלה נוצלו עבור יישומים של biosensing, אספקת סמים, אלקטרוניקה מולקולרית, וכו '. 38-45
מאמר זה מתאר את שלבי הניסוי דרושים על מנת להתחיל את ההרכבה העצמית הספונטנית של פפטידים homoaromatic. בנוסף, הוא מציג התהליך של פפטיד coassembly. תהליך זה כרוך בהרכבה העצמית של יותר מסוג אחד של פפטידמונומר.
ההפגנה שלנו כוללת coassembly של שני פפטידים זמינים מסחרי: פפטיד diphenylalanine (NH 2-Phe-Phe-COOH) ו בוק המוגן אנלוגי (BOC-Phe-Phe-OH). כל אחד מהפפטידים העצמיים מרכיב לתוך מבנה supermolecular: צורות פפטיד diphenylalanine מכלולי צינורי ועצמי מרכיב פפטיד BOC-Phe-Phe-OH לשני תחומים או סיבים בהתאם ל7,17,46 הממס. אנחנו מעורבב שני פפטידים ביחסים מסוימים ומאופיינות המכלולים הביאו על ידי מיקרוסקופית אלקטרונים, כוח מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיית FT-IR. השיטות הוכיחו את היווצרות של מבנה המבוסס על פפטיד שמורכב מאלמנטים כדוריים בקוטר של כמה מיקרונים (1-4 מיקרומטר) שמחוברים על ידי אסיפות מוארכות בקוטר של כמה מאה ננומטרים (ננומטר ~ 300-800) . המכלולים דומים למחרוזות חרוזים במורפולוגיה שלהם, כמו המבנים כדוריים נראים שהושחלו עלמכלולים מוארכים. לפיכך, אנו מכונים המכלולים האלה "שרשרות biomolecular". "שרשרות biomolecular" עשויות לשמש כחומר ביולוגי חדש, כסוכן משלוח סמים או כפיגום ליישומים אלקטרוניים. יתר על כן, ההליך שמוביל להרכבה העצמית של פפטידים עשוי להיות מנוצל עם כיתות אחרות של פפטידים וביומולקולות. זה עלול להוביל להבנה טובה יותר של הכוחות מעורבים בהרכבה עצמית והיווצרות מבנים מסודרים חדשים.
Protocol
Representative Results
Discussion
לסיכום, מאמר זה מדגים את הקלות שבה יכולים להיווצר מכלולים מבוססי פפטיד במבחנה. התהליך כרוך פפטידים וממסים זמינים מסחרי, והיא מתרחשת באופן ספונטני בתנאי סביבה, על התוספת של ממס קוטבי למבחנה. זה חיוני כדי להשתמש HFP כממס של פפטידים, בשל המסיסות הנמוכה של פפטידים בממ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מארי קירי הבינלאומי שילוב מחדש גרנט ועל ידי הקרן הגרמנית לישראל. אנו מכירים במר יאיר Razvag לניתוח AFM.
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).
