Bildning av Beställda Biomolecular Structures av självorganisering av korta peptider
Summary
Detta dokument beskriver bildandet av mycket beställde peptidbaserade strukturer genom spontan process av självorganisering. Metoden utnyttjar kommersiellt tillgängliga peptider och vanliga labbutrustning. Denna teknik kan tillämpas på ett stort antal olika peptider och kan leda till upptäckten av nya peptidbaserade sammansättningar.
Abstract
I naturen är komplexa funktionella strukturer som bildas av självorganisering av biomolekyler under milda förhållanden. Att förstå de krafter som styr självorganisering och härma denna process in vitro kommer att leda till stora framsteg inom områdena materialvetenskap och nanoteknologi. Bland de tillgängliga biologiska byggstenar, peptider har flera fördelar eftersom de har betydande mångfald, deras syntes i stor skala är okomplicerad, och de kan lätt ändras med biologiska och kemiska enheter 1,2. Flera klasser av designade peptider såsom cykliska peptider, amfifila peptider och peptid-konjugat själv montera in beställda strukturer i lösning. Homoaromatic dipeptider, är en klass av korta själv monterade peptider som innehåller all den molekylära information som behövs för att bilda beställda strukturer som nanorör, sfärer och fibriller 3-8. En stor mängd av dessa peptider är kommersiellt tillgängliga.
<pclass = "jove_content"> Detta dokument presenterar ett förfarande som leder till bildningen av ordnade strukturer av självorganisering av homoaromatic peptider. Protokollet kräver endast kommersiella reagenser och grundläggande laboratorieutrustning. Dessutom beskriver papper några av de metoder som finns tillgängliga för karakterisering av peptidbaserade sammansättningar. Dessa metoder innefattar elektron-och atomkraftsmikroskopi och Fourier-transform infraröd spektroskopi (FT-IR). Dessutom demonstrerar manuskriptet blandningen av peptider (coassembly) och bildningen av en "pärlor på ett snöre"-liknande struktur av denna process. 9 De protokoll som presenteras här kan anpassas till andra klasser av peptider eller biologiskt byggblock och kan potentiellt leda till upptäckten av nya peptidbaserade strukturer och bättre kontroll över sin församling.Introduction
Natur former beställt och funktionella strukturer genom processen enligt biomolekylär självorganisering. Att förstå de krafter som styr denna spontan process kan leda till att förmågan att härma självorganisering in vitro och därmed till stora framsteg inom området materialvetenskap 10,11. Peptider, specifikt, är mycket lovande som en biomolekylär byggsten, eftersom de medför stora strukturella mångfald, enkel kemisk syntes, och kan lätt funktionaliseras med biologiska och kemiska enheter. Området för peptidsjälvorganisering var uppfunnen av Ghadiri och hans kollegor, som visade att självorganisering av peptid nanorör av cykliska peptider med omväxlande D-och L-aminosyror 12. Andra framgångsrika metoder för utformning av peptidaggregat innefattar linjära bolaamphiphile peptider 5, amfifiler (AP) 6, icke-konjugerade själv kompletterande joniska peptider 13, ytaktiva liknande peptider <sup> 4,14, och disegment copolypeptides 15.
En nyare metod innebär självorganisering av korta aromatiska peptider, benämnd homoaromatic dipeptider. Dessa peptider innefatta endast två aminosyror med aromatisk karaktär (t ex Phe-Phe, tert-butyldikarbonat (Boc)-Phe-Phe) 7,8,16-21. De strukturer som bildas av dessa homoaromatic peptider innefattar rörformiga strukturer, sfärer, arkliknande aggregat och fibrer 6,8,15,21-32. Fibrerna i vissa fall generera en fibrill mesh som ger en hydrogel 33-37. Dessa församlingar har utnyttjats för tillämpningar av biosensing, drug delivery, molekylär elektronik, osv. 38-45
Detta dokument beskriver de experimentella steg som behövs för att starta den spontana självorganisering av homoaromatic peptider. Dessutom presenterar den processen att peptiden coassembly. Denna process involverar självsammansättning av mer än en typ av peptidmonomer.
Vår demonstration omfattar coassembly av två kommersiellt tillgängliga peptider: den difenylalanin peptiden (NH2-Phe-Phe-COOH) och dess Boc-skyddade analog (Boc-Phe-Phe-OH). Var och en av de peptider själv monterar i en supermolecular struktur: difenylalanin peptid bildar rörformiga färdigmonterad och Boc-Phe-Phe-OH-peptid själv monterar in i antingen sfärer eller fibrer beroende på lösningsmedlet 7,17,46. Vi blandade de två peptiderna i vissa förhållanden och karaktäriseras de resulte församlingar genom elektronmikroskopi, kraft mikroskopi och FT-IR-spektroskopi. Metoderna visade bildningen av en peptidbaserad struktur som består av sfäriska element med en diameter på flera mikron (1-4 | im) som kopplas samman med långsträckta aggregat med en diameter på några få hundra nanometer (~ 300-800 nm) . De församlingar likna pärlstav strängar på sin morfologi, eftersom de sfäriska strukturer verkar träs pålångsträckta aggregat. Vi kallas därför dessa sammansättningar "biomolekylära halsband". De "biomolekylära halsband" skulle fungera som ett nytt biomaterial, som ett drug delivery agent eller som en byggnadsställning för elektroniska applikationer. Vidare kan det förfarande som leder till självorganisering av peptider utnyttjas med andra klasser av peptider och biomolekyler. Det kan leda till en bättre förståelse för de krafter som är inblandade i självorganisering och bildandet av nya beställda strukturer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sammanfattningsvis visar den lätthet med vilken peptidbaserade sammansättningar kan bildas in vitro detta papper. Processen omfattar kommersiellt tillgängliga peptider och lösningsmedel, och det sker spontant under omgivningsbetingelser, vid tillsats av ett polärt lösningsmedel till provröret. Det är mycket viktigt att använda HFP som lösningsmedel av peptiderna, på grund av den låga lösligheten av peptiderna i andra organiska lösningsmedel. Dessutom är det på grund av den höga flyktigheten HFP…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Marie Curie internationella återintegreringsbidrag och genom den tysk-Israel Foundation. Vi erkänner Mr Yair Razvag för AFM analys.
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).
