Формирование упорядоченных биомолекулярных структур по самосборки коротких пептидов
Summary
Эта статья описывает формирование высокоупорядоченных на основе пептидов структур по стихийного процесса самосборки. Метод использует имеющиеся в продаже пептиды и общего лабораторного оборудования. Этот метод может быть применен к большому разнообразию пептидов и может привести к обнаружению новых основе пептидов сборок.
Abstract
В природе, сложные функциональные структуры образованы самосборки биомолекул в мягких условиях. Понимание силы, которые управляют самосборки и имитировать этот процесс в пробирке будет привести к значительным достижениям в области материаловедения и нанотехнологий. Среди доступных биологический строительных блоков, пептиды имеют ряд преимуществ, как они представляют значительную разнообразие, их синтез в больших масштабах проста, и они могут быть легко изменены с биологических и химических образований 1,2. Несколько классов, предназначенных пептидов, таких как циклические пептиды, амфифильные пептиды и конъюгаты пептида самосборке в упорядоченные структуры в растворе. Homoaromatic дипептиды, представляют собой класс коротких самособирающихся пептидов, которые содержат всю молекулярную информацию, необходимую для формирования упорядоченные структуры, такие как нанотрубки, сфер и фибрилл 3-8. Большое разнообразие этих пептидов является коммерчески доступным.
<pкласс = "jove_content"> Эта статья представляет собой процедуру, которая приводит к образованию упорядоченных структур со стороны самосборки homoaromatic пептидов. Протокол требует только коммерческие реагенты и основной лабораторное оборудование. Кроме того, в документе описываются некоторые из методов, доступных для характеристики на основе пептидов сборок. Эти методы включают электронной и атомно-силовой микроскопии и ИК-Фурье спектроскопии (FT-IR). Кроме того, рукопись демонстрирует смешение пептидов (coassembly) и формирование «бусины на нитке", как структуры по этому процессу. 9 Протоколы представленные здесь могут быть адаптированы к другим классам пептидов или биологическая строительных блоков и потенциально может привести к открытию новых пептидных структур на основе и лучше контролировать их сборки.Introduction
Природа формы заказаны и функциональных структур в процессе биомолекулярной самостоятельной сборки. Понимание силы, которые управляют этой стихийный процесс может привести к способности имитировать самосборки в пробирке и, следовательно, к значительному прогрессу в области материаловедения 10,11. Пептиды, в частности, весьма перспективны в качестве биомолекул строительного блока, так как они представляют большой структурное разнообразие, простоту химического синтеза, и может быть легко функционализированных биологических и химических образований. Поле пептидной самосборки был впервые Гадири и его коллег, которые продемонстрировали самосборки пептидных нанотрубок циклических пептидов с чередующимися D-и L-аминокислоты 12. Другие успешные подходы к проектированию пептидных сборок включают линейные bolaamphiphile пептиды 5, амфифилы (AP) 6, несопряженные самодополнительных ионные пептиды 13, поверхностно-как пептиды <suр> 4,14, и диблочный copolypeptides 15.
В последнее время подход включает самосборки коротких ароматических пептидов, называется homoaromatic дипептиды. Эти пептиды содержат только две аминокислоты с ароматический характер (например Phe-Phe, трет-бутилдикарбоната (Boc)-Phe-Phe) 7,8,16-21. Структуры, образованные этими homoaromatic пептидов включают трубчатые структуры, сферы, листообразных узлов и волокон 6,8,15,21-32. Волокна в некоторых случаях генерировать фибрилл сетку, который дает гидрогель 33-37. Эти сборки были использованы для применений биодатчиков, доставки лекарств, молекулярной электроники и т.д.. 38-45
Эта статья описывает экспериментальные шаги, необходимые для того, чтобы начать спонтанное самосборки homoaromatic пептидов. Кроме того, он представляет процесс пептида coassembly. Этот процесс включает в самосборки более чем одного типа пептидамономер.
Наша демонстрация включает coassembly двух коммерчески доступных пептидов: дифенилаланин пептид (NH 2-Phe-Phe-COOH) и его Вос-защищенный аналог (Boc-Phe-Phe-OH). Каждый из пептидов объединяющаяся в надмолекулярной структурой: дифенилаланин пептидные форм трубчатые сборками и Вос-Phe-Phe-OH пептидные объединяющаяся в либо сфер или волокон в зависимости от растворителя 7,17,46. Мы смешал два пептида в определенных соотношениях и характеризуется приведенных сборок с помощью электронной микроскопии, силовой микроскопии и ИК-спектроскопии. Методы продемонстрировали формирование структуры на основе пептидов, которая состоит из сферических элементов с диаметром в несколько микрон (1-4 мкм), которые соединены удлиненных сборок с диаметром несколько сотен нанометров (~ 300-800 нм) . Сборки напоминают бисером строк в их морфологии, а сферические структуры, кажется, с резьбой наудлиненные сборки. Поэтому мы назвали эти сборки "биомолекулярные ожерелья". В "биомолекулярные ожерелья" может служить в качестве нового биоматериала, как доставки лекарств агента или в качестве каркаса для электронных приложений. Кроме того, процесс, который приводит к самосборке пептидов могут быть использованы с другими классами пептидов и биомолекул. Это может привести к лучшему пониманию сил, участвующих в самостоятельной сборки и формирования новых упорядоченных структур.
Protocol
Representative Results
Discussion
Таким образом, эта статья демонстрирует легкость, в котором на основе пептидов сборки могут быть сформированы в пробирке. Процесс включает в себя коммерчески доступные пептиды и растворители, и это происходит спонтанно в условиях окружающей среды, при добавлении полярном раствор…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Марии Кюри Международного реинтеграции Грант и Фондом немецко-Израиль. Мы признаем, г-Яир Razvag для анализа АСМ.
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).
