JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Química

منهجية الاصطناعية لغير المتماثلة الفيروسين المستمدة الأنظمة الحيوية المزدوجة عبر الصلبة منهجية تستند الراتنج المرحلة

Published: March 12, 2015
doi:
10.3791/52399
, , ,
1Department of Chemistry,Texas Christian University

Summary

The synthesis of asymmetric species of ferrocene is challenging using solution techniques. This report focuses on the methods carried out to produce a ferrocene-biotin bioconjugate using facile and clean reactions accomplished via solid-phase synthesis. Incorporation of a thiolate moiety is shown to impart the ability for immobilization on gold surfaces.

Abstract

الكشف المبكر هو المفتاح لنجاح العلاج لمعظم الأمراض، وأمر لا بد منه ولا سيما لتشخيص وعلاج أنواع عديدة من السرطان. التقنيات الأكثر شيوعا المستخدمة والتصوير طرائق مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، البوزيترون الانبعاثات التضاريس (PET)، والطوبوغرافيا بالكمبيوتر (CT) وهما الأمثل لفهم الهيكل المادي للمرض ولكن يمكن إلا أن يكون أداؤها مرة واحدة كل أربع ل ستة أسابيع بسبب استخدام مواد التصوير والتكلفة الإجمالية. مع هذا في الاعتبار، وتطوير "نقطة الرعاية" التقنيات، مثل أجهزة الاستشعار التي تقييم مرحلة المرض و / أو فعالية العلاج في مكتب الطبيب، والقيام بذلك في الوقت المناسب، من شأنه إحداث ثورة في بروتوكولات العلاج. 1 كما وسيلة لاستكشاف أجهزة الاستشعار الفيروسين استنادا للكشف عن جزيئات ذات الصلة بيولوجيا 2، وقد وضعت وسائل لإنتاج الفيروسين البيوتين الحيوي تقارن الموصوفة هنا. وسوف يركز هذا التقرير على نظام البيوتين-الفيروسين-السيستين التي يمكن أن يجمد على سطح الذهب.

Introduction

أجهزة الاستشعار والأجهزة الصغيرة التي تستخدم تقنية التعرف الجزيئية البيولوجية كمنصة لتحليل انتقائي وتستخدم لخصوصيتها، والسرعة، ومنخفضة التكلفة. أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية للكشف عن الجزيئات الحيوية هي في طليعة هذا المجال نظرا لبساطتها، وفعالية التكاليف، وحساسية عالية. 1،3 تشريح العام لهذه المجسات هو القطب مجهزة جزيء الاعتراف محدد لعلامة البيولوجية للاهتمام . ملزمة من العلامات البيولوجية من قبل جزيء الاعتراف يؤدي إلى التغيير المحلي من إمكانات أو الحالية التي يمكن الكشف عنها بواسطة قياس بسيط. حتى الآن شاردة الاعتراف يمكن أن تتراوح من الانزيمات، والأجسام المضادة 4-8، 9-12 خلايا بأكملها، 13-16 مستقبلات، 17-20 21-23 الببتيدات وDNA 24 وركزت بشكل كبير على الكبيرة، الجزيئات البيولوجية. 25-28 أبحاث وتتركز الجهود في هذا المجال بشكل رئيسي على immunosensors عرجإعادة لالمناعي وثبتوا مع مجموعة أساسية نشط الأكسدة والاختزال (مثل الفيروسين) وتستخدم للكشف عن الأجسام المضادة من الفائدة. وقد استبعدت هذه الدراسات من التطبيقات السريرية بسبب ضعف الدقة واستهلاك الوقت النابعة من المضاعفات الناجمة عن استخدام مستضد / الأجسام المضادة. وقد ركزت 1،3 الاهتمام المتزايد على الكشف عن جزيئات صغيرة (أقل من 1 كجم / مول) من الطب الحيوي والمواد الغذائية والفوائد البيئية بالإضافة إلى الأمن الوطني. 29 وأفضل الأمثلة المعروفة من أجهزة الاستشعار البيولوجي هي مراقبين الجلوكوز الاختبار الذاتي، والتي لها شاشة المطبوعة أقطاب انزيم بالإضافة إلى بحجم الجيب متر amperometric. هذه الأنظمة عادة ما تستخدم طريقة الكولوم حيث يتم قياس المبلغ الإجمالي للتهمة التي تم إنشاؤها بواسطة تفاعل الأكسدة الجلوكوز على مدى فترة من الزمن. ويجب أن تكون الأجهزة المحمولة للتسويق وقوية وباليد للاستفادة سطحي للسكان ككل.

علامات الأكسدة مثل الفيروسين هي necessaراي لتوفير الكشف الكهروكيميائية من المؤشرات الحيوية أو جزيئات صغيرة في محلول حيث أن معظم المؤشرات الحيوية ليست نشطة في جوهرها electrochemically. 30-38 الفيروسين هو جزيء عضوي فلزي هذا هو المعيار الذهبي لالكيمياء الكهربائية، مما يجعله اختيارا ممتازا للاندماج في أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية. وقد حصل الأنواع النشطة الأكسدة القائم على الفيروسين بالفعل اهتماما كبيرا نظرا لصغر حجمها، والاستقرار جيدة، والوصول الاصطناعية مريحة وسهلة التعديل الكيميائي، بالانجذاب النسبي، وسهولة الأكسدة ضبط. 3،30-42 الجزيئات الصغيرة على أساس الأساسية الفيروسين ديك استخدمت على نطاق واسع كما كشف عن ايونات المعادن والجزيئات الصغيرة. 32-38،43 أنظمة استهداف الأنواع الكبيرة مثل الجزيئات الحيوية وقد استخدمت المرفق من الأجسام المضادة المناعية كبيرة أو لمشتقات الفيروسين التي تم جزءا لا يتجزأ من على سطح الكهروكيميائية. 1،3،39 (44 عاما) في كل حالة، وintensi الحاليين والمحتملينتم تغيير تاي من الحديد III / الحديد II زوجين الأكسدة على اقتران الجزيئي، وبالتالي إنتاج مقبض الطيفية جديدة تشير إلى وجود جزيء تحليلها. وينشأ هذا التغيير من التداخل المكثف الذي يحدث بين نظام بي من الحلقات cyclopentadienyl والحديد د-المدارات. إذا تم تعديل نظام بي، أي derivatized أو رد فعل، ثم سوف التفاعل المداري، بدوره، التغيير. وسوف يؤثر هذا جوهر الحديد، ويمكن أن يحتفل به بوصفه تحولا في إمكانات الزوجين الحديد III / الحديد II. 40،45،46 هذه الخصائص تجعل مثل هذا النظام جذابة للاستخدام كعامل تحديدها بشكل كمي في المناعية الكهروكيميائية أو جهاز الاستشعار البيولوجي.

من أجل إنتاج أنظمة الفيروسين تحتوي محددة لقدرات جهاز الاستشعار البيولوجي هو الأمثل لتعديل عصابة حزب المحافظين واحدة مع مستقبلات الحيوي محدد لجزيء المستهدفة والاستفادة من عصابة حزب المحافظين غيرها من حبل الجزيئي للقراءات الكهروكيميائية أو كهربائيtrode (الشكل 1). وتحدى التوليف لهذه المشتقات الفيروسين غير المتماثلة التي كتبها التفاعلات الجانبية وتشكيل الأنواع مثنوي والبوليمرية شكلت بناء الجزيئات عبر ربط. 47 ومع ذلك، واقتران الكيمياء انتاج السندات أميد هو الطريق الأكثر مباشرة لتوفير المشتقات بسيطة من الفيروسين التي تنطوي على مكونات بيولوجية مثل هذه كما الببتيدات ونواتج تفاعلاتها. لذلك، وتقنيات المرحلة الصلبة المتقدمة أولا في 1950s من قبل ميريفيلد لتخليق الببتيد يمكن تطبيقها على المركبات الفلزية العضوية التي تحتوي على الفيروسين. من خلال استخدام استبداله متعامد جزيء حمض 1'-Fmoc-الأمينية-الفيروسين-1-الكربوكسيلية، وهو نظام الفيروسين التي يمكن أن تحتوي على شاردة مستقبلات (البيوتين)، قراءات الكهروكيميائية (الفيروسين)، والمكون مستوقف-رابط (السيستين) لديها تم بناؤها والمفصلة هنا. ويناقش تركيب هذا-المكورات الحيوي وكذلك دليل على تجميد على سطح الذهب. هذا تمثيلا العملنهاية الخبر أول عرض للنظام يتألف من البيوتين، الفيروسين والأحماض الأمينية لتجميد على سطح الذهب.

Protocol

1. توليف البيوتين-FC-السيستين (1) طرق المرحلة الصلبة لإنتاج الراتنجات ملزمة 1. وضع البيوتين الراتنج تحميل (250 ملغ، 0.145 ملمول) في حقنة fritted وتنتفخ الراتنج عن طريق وضع…

Representative Results

ويظهر على شكل الراتنج ملزمة من 1 في الشكل 2. المرفق التساهمية المكون الفيروسين يثير للون البرتقالي إلى الخرز الراتنج التي هي مستمرة مع الغسيل المستمر ومما يشير إلى حدوث الحديد يجمد يحتوي المجمع على العكس من امتصاص الحديد من قبل عنصر PEG من حبة الراتنج…

Discussion

توليف مشتقات الفيروسين غير المتماثلة يتحدى في الحل. على سبيل المثال، محاولات لإنتاج 1 في نتج الحل في عوائد منخفضة من المنتج المطلوب (أقل من 20٪). وبالمثل، أدت ردود فعل الاستفادة 1'-الأمينية-الفيروسين حمض الكربوكسيلية (بلا Fmoc) وراتنج البيوتين ملزمة في الم…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد كغ من قبل المنحة P-1760 مؤسسة RA ولش، TCU معهد اندروز الرياضيات وعلوم التربية (لKG)، بحوث TCU والإبداع آخر غرانت (لKG) وTCU SERC غرانت (لJHS).

Materials

Biotin Novatag Resin NovaBiochem 8550510001
TORVIQ 10ML LUER LOCK FRITTED SYRINGE Fisher NC9299151
piperdine Acros P/3520/PB05
ninhydrin test Sigma-Aldrich 60017-1ea
1’-Fmoc-amino-ferrocene-1-carboxylic acid Omm Scientific Special Order
1-​Hydroxybenzotriazole hydrate Sigma-Aldrich 157260-25G
N,N′-Diisopropylcarbodiimide Sigma-Aldrich D125407-5G
N,N-​Diisopropylethylamine Sigma-Aldrich 496219-100ML
Fmoc-Cys(Trt)-OH Novabiochem 8520080025
trifluoroacetic acid Sigma-Aldrich T5408
1,2-ethanedithiol Sigma-Aldrich 2930
triisopropyl silane Sigma-Aldrich 233781
Eppendorf tubes (20 mL) any source
methanol any source dry with molecular sieves prior to use & store in 100 mL media bottle for easy usage.
dichloromethane any source dry with molecular sieves prior to use & store in 100 mL media bottle for easy usage.
dimethylformamide any source dry with molecular sieves prior to use & store in 100 mL media bottle for easy usage.
centrifuge any source
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Wang, J. Electrochemical biosensors: towards point-of-care cancer diagnostics. Biosens Bioelectron. 21 (10), 1887-1892 (2006).
  2. Scarborough, J. H., Brusoski, K., Brewer, S., Green, K. N. . Solid phase synthesis of ferrocene-biotin bioconjugates and reactivity with avidin. A paradigm for development of electrochemical biosensors. , (2014).
  3. Zhang, S., Zheng, F., Wu, Z., Shen, G., Yu, R. Highly sensitive electrochemical detection of immunospecies based on combination of Fc label and PPD film/gold nanoparticle amplification. Biosens Bioelectron. 24 (1), 129-135 (2008).
  4. Gobi, K. V., Mizutani, F. Layer-by-layer construction of an active multilayer enzyme electrode applicable for direct amperometric determination of cholesterol. Sensors and Actuators. 80 (3), 272-277 (2001).
  5. Gobi, K. V., Mizutani, F. Amperometric detection of superoxide dismutase at cytochrome c-immobilized electrodes: Xanthine oxidase and ascorbate oxidase incorporated biopolymer membrane for in-vivo analysis. Analytical Sciences. 17 (1), 11-15 (2001).
  6. Gobi, K. V., Sato, Y., Mizutani, F. Mediatorless superoxide dismutase sensors using cytochrome c-modified electrodes: Xanthine oxidase incorporated polyion complex membrane for enhanced activity and in vivo analysis. Electroanalysis. 13 (5), 397-403 (2001).
  7. Shankaran, D. R., Uehara, N., Kato, T. A metal dispersed sol-gel biocomposite amperometric glucose biosensor. Biosensor.., & Bioelectronics. 18 (5-6), 721-728 (2003).
  8. Yamamoto, K., Xu, F., Shi, G. Y., Kato, T. On-line biosensor for detection of glucose, choline and glutamate simultaneously integrated with microseparation system. Journal of Pharmacological Sciences. 91, 211p-211 (2003).
  9. Luppa, P. B., Kaiser, T., Cuilleron, C. Y. Ligand-binding studies of sex hormone-binding globulin with 17alpha-dihydrotestosterone derivatives as ligands using a surface plasmon resonance biosensor. Clinical Chemistry. 47 (6), A9-A9 (2001).
  10. Luppa, P. B., Sokoll, L. J., Chan, D. W. Immunosensors – principles and applications to clinical chemistry. Clinica Chimica Acta. 314 (1-2), 1-26 (2001).
  11. Mallat, E., Barcelo, D., Barzen, C., Gauglitz, G., Abuknesha, R. Immunosensors for pesticide determination in natural waters. Trac-Trends in Analytical Chemistry. 20 (3), 124-132 (2001).
  12. Pemberton, R. M., Hart, J. P., Mottram, T. T. An electrochemical immunosensor for milk progesterone using a continuous flow system. Biosensor.., & Bioelectronics. 16 (9-12), 715-723 (2001).
  13. Pancrazio, J. J., Whelan, J. P., Borkholder, D. A., Ma, W., Stenger, D. A. Development and application of cell-based biosensors. Annals of Biomedical Engineering. 27 (6), 697-711 (1999).
  14. May, K. M. L., Wang, Y., Bachas, L. G., Anderson, K. W. Development of a whole-cell-based biosensor for detecting histamine as a model toxin. Analytical Chemistry. 76 (14), 4156-4161 (2004).
  15. Taylor, C. J., Bain, L. A., Richardson, D. J., Spiro, S., Russell, D. A. Construction of a whole-cell gene reporter for the fluorescent bioassay of nitrate. Analytical Biochemistry. 328 (1), 60-66 (2004).
  16. Philp, J. C., et al. Whole cell immobilised biosensors for toxicity assessment of a wastewater treatment plant treating phenolics-containing waste. Analytica Chimica Acta. 487 (1), 61-74 (2003).
  17. Subrahmanyam, S., Piletsky, S. A., Turner, A. P. F. Application of natural receptors in sensors and assays. Analytical Chemistry. 74 (16), 3942-3951 (2002).
  18. Ryberg, E., et al. Identification and characterisation of a novel splice variant of the human CB1 receptor. Febs Letters. 579 (1), 259-264 (2005).
  19. Cooper, M. A. Advances in membrane receptor screening and analysis. Journal of Molecular Recognition. 17 (4), 286-315 (2004).
  20. Kumbhat, S., et al. A novel receptor-based surface-plasmon-resonance affinity biosensor for highly sensitive and selective detection of dopamine. Chemistry Letters. 35 (6), 678-679 (1246).
  21. Yemini, M., Reches, M., Gazit, E., Rishpon, J. Peptide nanotube-modified electrodes for enzyme-biosensor applications. Analytical Chemistry. 77 (16), 5155-5159 (2005).
  22. Endo, T., Kerman, K., Nagatani, N., Takamura, Y., Tamiya, E. Label-free detection of peptide nucleic acid-DNA hybridization using localized surface plasmon resonance based optical biosensor. Analytical Chemistry. 77 (21), 6976-6984 (2005).
  23. Drummond, T. G., Hill, M. G., Barton, J. K. Electrochemical DNA sensors. Nature Biotechnology. 21 (10), 1192-1199 (2003).
  24. Piunno, P. A. E., Krull, U. J. Trends in the development of nucleic acid biosensors for medical diagnostics. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 381 (5), 1004-1011 (2005).
  25. Dechtrirat, D., et al. Electrochemical displacement sensor based on ferrocene boronic acid tracer and immobilized glycan for saccharide binding proteins and E. coli. Biosensor.., & Bioelectronics. 58, 1-8 (2014).
  26. Lacina, K., et al. Combining ferrocene, thiophene and a boronic acid: a hybrid ligand for reagentless electrochemical sensing of cis-diols. Tetrahedron Letters. 55 (21), 3235-3238 (2014).
  27. Takahashi, S., Anzai, J. Recent Progress in Ferrocene-Modified Thin Films and Nanoparticles for Biosensors. Materials. 6 (12), 5742-5762 (2013).
  28. Liu, L., et al. Amplified voltammetric detection of dopamine using ferrocene-capped gold nanoparticle/streptavidin conjugates. Biosensor.., & Bioelectronics. 41, 730-735 (2013).
  29. Shankaran, D. R., Gobi, K. V. A., Miura, N. Recent advancements in surface plasmon resonance immunosensors for detection of small molecules of biomedical, food and environmental interest. Sensors and Actuators B-Chemical. 121 (1), 158-177 (2007).
  30. Szarka, Z., Kuik, &. #. 1. 9. 3. ;., Skoda-Földes, R., Kollár, L. Aminocarbonylation of 1,1′-diiodoferrocene, two-step synthesis of heterodisubstituted ferrocene derivatives via homogeneous catalytic carbonylation/coupling reactions. Journal of Organometallic Chemistry. 689 (17), 2770-2775 (2004).
  31. Niu, H. T., et al. Imidazolium-based macrocycles as multisignaling chemosensors for anions. Dalton Trans. (28), 3694-3700 (2008).
  32. Qing, G. -. Y., Sun, T. -. L., Wang, F., He, Y. -. B., Yang, X. Chromogenic Chemosensors forN-Acetylaspartate Based on Chiral Ferrocene-Bearing Thiourea Derivatives. European Journal of Organic Chemistry. (6), 841-849 (2009).
  33. Romero, T., Caballero, A., Espinosa, A., Tarraga, A., Molina, P. A multiresponsive two-arm ferrocene-based chemosensor molecule for selective detection of mercury. Dalton Trans. (12), 2121-2129 (2009).
  34. Zapata, F., Caballero, A., Espinosa, A., Tarraga, A., Molina, P. A selective redox and chromogenic probe for Hg(II) in aqueous environment based on a ferrocene-azaquinoxaline dyad. Inorg Chem. 48 (24), 11566-11575 (2009).
  35. Alfonso, M., Tarraga, A., Molina, P. Ferrocene-based multichannel molecular chemosensors with high selectivity and sensitivity for Pb(II) and Hg(II) metal cations. Dalton Trans. 39 (37), 8637-8645 (2010).
  36. Zapata, F., Caballero, A., Molina, P., Tarraga, A. A ferrocene-quinoxaline derivative as a highly selective probe for colorimetric and redox sensing of toxic mercury(II) cations. Sensors (Basel). 10 (12), 11311-11321 (2010).
  37. Thakur, A., Sardar, S., Ghosh, S. A highly selective redox, chromogenic, and fluorescent chemosensor for Hg2+ in aqueous solution based on ferrocene-glycine bioconjugates). Inorg Chem. 50 (15), 7066-7073 (2011).
  38. Sathyaraj, G., Muthamilselvan, D., Kiruthika, M., Weyhermüller, T., Nair, B. U. Ferrocene conjugated imidazolephenols as multichannel ditopic chemosensor for biologically active cations and anions. Journal of Organometallic Chemistry. 716, 150-158 (2012).
  39. Kwon, S. J., Kim, E., Yang, H., Kwak, J. An electrochemical immunosensor using ferrocenyl-tethered dendrimer. Analyst. 131 (3), 402-406 (2006).
  40. Pinto, A., Hoffmanns, U., Ott, M., Fricker, G., Metzler-Nolte, N. Modification with Organometallic Compounds Improves Crossing of the Blood-Brain Barrier of [Leu(5)]-Enkephalin Derivatives in an In Vitro Model System. Chembiochem. 10 (11), 1852-1860 (2009).
  41. Barisic, L., et al. The first ferrocene analogues of muramyldipeptide. Carbohydr Res. 346 (5), 678-684 (2011).
  42. Brusoski, K., Green, K. N. Novel click derivatives of ferrocene and their applications toward construction of electrochemical biosensors. Abstracts of Papers, 243rd ACS National Meetin.., & Exposition. , (2012).
  43. Bucher, C., Devillers, C. H., Moutet, J. -. C., Royal, G., Saint-Aman, E. Anion recognition and redox sensing by a metalloporphyrin–ferrocene–alkylammonium conjugate. New Journal of Chemistry. 28, 1584-1589 (2004).
  44. Tanaka, S., Yoshida, K., Kuramitz, H., Sugawara, K., Nakamura, H. Electrochemical detection of biotin using an interaction between avidin and biotin labeled with ferrocene at a perfluorosulfonated ionomer modified electrode. Analytical Sciences. 15 (9), 863-866 (1999).
  45. Real-Fernandez, F., et al. Ferrocenyl glycopeptides as electrochemical probes to detect autoantibodies in multiple sclerosis patients’ sera. Biopolymers. 90 (4), 488-495 (2008).
  46. Husken, N., Gasser, G., Koster, S. D., Metzler-Nolte, N. Four-potential’ ferrocene labeling of PNA oligomers via click chemistry. Bioconjug Chem. 20 (8), 1578-1586 (2009).
  47. Barisic, L. . Croatica Chemica Acta. 75, 199-210 (2002).
  48. Kirin, S. I., Noor, F., Metzler-Nolte, N. Manual Solid-Phase Peptide Synthesis of Metallocene–Peptide Bioconjugates. Journal of Chemical Education. 84 (1), 108-111 (2007).
  49. Barisic, L., et al. Helically chiral ferrocene peptides containing 1 ‘-aminoferrocene-1-carboxylic acid subunits as turn inducers. Chemistry-a European Journal. 12 (19), 4965-4980 (2006).
  50. Mahmoud, K., Long, Y. -. T., Schatte, G., Kraatz, H. -. B. Electronic communication through the ureylene bridge: spectroscopy, structure and electrochemistry of dimethyl 1′,1′-ureylenedi(1-ferrocenecarboxylate). Journal of Organometallic Chemistry. 689 (13), 2250-2255 (2004).
  51. Mahmoud, K. A., Kraatz, H. B. Synthesis and electrochemical investigation of oligomeric ferrocene amides: Towards ferrocene polyamides. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 16 (3), 201-210 (2006).
  52. Mahmoud, K. A., Kraatz, H. B. A bioorganometallic approach for the electrochemical detection of proteins: A study on the interaction of ferrocene-peptide conjugates with papain in solution and on au surfaces. Chemistry-a European Journal. 13 (20), 5885-5895 (2007).

Tags

Keywords: FerroceneBiotinBioconjugateBiosensorSolid-phase SynthesisEarly Disease Detection
check_url/pt/52399?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Scarborough, J. H., Gonzalez, P., Rodich, S., Green, K. N. Synthetic Methodology for Asymmetric Ferrocene Derived Bio-conjugate Systems via Solid Phase Resin-based Methodology. J. Vis. Exp. (97), e52399, doi:10.3791/52399 (2015).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image