Au-Interaction des SLP1 Polymères et monocouche de<em> Lysinibacillus sphaericus</em> JG-B53 - QCM-D, ICP-MS et l'AFM comme outils pour les études de biomolécules-métalliques

En raison de l'utilisation croissante de l'or pour plusieurs applications comme l'électronique, les catalyseurs, les biocapteurs, ou des instruments médicaux, à la demande de ce métal précieux a augmenté au cours du temps de ces dernières années ^6-9. Or, ainsi que beaucoup d'autres métaux précieux et lourds sont libérés dans l'environnement par les effluents industriels à des concentrations diluées, à travers des activités minières, et l'élimination des déchets ^7,8,10, bien que la plupart contamination de l'environnement par des métaux lourds ou précieux est un processus continu principalement causés par des activités technologiques. Cela conduit à une interférence significative des écosystèmes naturels et pourrait menacer la santé humaine ^9. La connaissance de ces résultats négatifs favorise la recherche de nouvelles techniques pour éliminer les métaux provenant des écosystèmes et des améliorations dans le recyclage des métaux contaminés des eaux usées industrielles. Bien établies méthodes physico-chimiques comme la précipitation ou échange d'ions ne sont pas si efficaces, surtout en hauteLy dilué solutions ^7,8,11. Biosorption, soit avec la vie ou la biomasse morte, est une alternative intéressante pour le traitement des eaux usées ^10,12. L'utilisation de ces matériaux biologiques peut réduire la consommation de produits chimiques toxiques. De nombreux micro-organismes ont été décrits à accumuler ou d'immobiliser les métaux. Par exemple, les cellules de Lysinibacillus sphaericus (L. sphaericus) JG-A12 ont montré des capacités de liaison élevée pour les métaux précieux, par exemple, Pd (II), Pt (II), Au (III), et d'autres métaux toxiques comme le plomb (II) ou U (VI) ^4,13, les cellules de Bacillus megaterium pour Cr (VI) ^14, les cellules de Saccharomyces cerevisiae de Pt (II) et Pd (II) ^15, et Chlorella vulgaire de Au (III) et U (VI) ^{16 , 17.} La liaison des métaux précédents comme Au (III), Pd (II), et Pt (II) a également été rapportée pour Desulfovibrio desulfuricans ¹⁸ et L. sphaericus JG-B53 ^19,20. Néanmoins, pas all microbes lient des quantités élevées de métaux et leur application en tant que matériau de sorption est limitée ^12,21. En outre, la capacité de liaison du métal dépend de différents paramètres, par exemple, la composition de la cellule, la bio-composant utilisé, ou de l'environnement et des conditions expérimentales (pH, force ionique, température, etc.). L'étude de fragments de paroi cellulaire isolés ^22,23, comme les lipides membranaires, peptidoglycane, des protéines ou d'autres composants, aide à comprendre le processus de cellules entières construites complexes ^8,21 liaison du métal.

Les composants de la cellule ont porté sur dans cette étude sont des protéines de la couche S. Les protéines de la couche S sont des parties de l'enveloppe cellulaire externe de nombreuses bactéries et archaebactéries, et ils constituent environ 15 – 20% de la masse totale en protéines de ces organismes. Comme la première interface pour l'environnement, ces composés cellulaires influencent fortement les propriétés de sorption ³ bactériennes. Les protéines de la couche S avec des poids moléculaires allant de quaranteà des centaines de kDa sont produites à l'intérieur de la cellule, mais sont assemblés à l'extérieur où ils sont capables de former des couches sur les membranes lipidiques ou polymériques composants de la paroi cellulaire. Une fois isolé, presque tous de la couche S protéines ont la propriété intrinsèque d'auto assembler spontanément en suspension, au niveau des interfaces, ou sur des surfaces planes ou formant tubulaires structures ^3. L'épaisseur de la monocouche de protéine dépend de la bactérie et est dans une plage de 5 à 25 nm ^24. En général, les structures des protéines de la couche S formés peuvent avoir une oblique (P1 ou P2), carré (p4), ou hexagonal (p3 ou p6) symétrie avec des constantes de réseau de 2,5 à 35 nm ^3,24. La formation du réseau semble être dans de nombreux cas, dépendant des cations divalents et principalement sur ^​​Ca2 + ^{25,26, Raff, J. et al. S-couche de nanocomposites à base pour des applications industrielles à base de protéines dans Engineered nanostructures. (eds Tijana Z. Grove et Aitziber L. Cortajarena) (Springer, 2}016 (soumis)). Néanmoins, la cascade de réaction pleine de monomère pliage, l'interaction monomère-monomère, la formation d'un réseau, et le rôle des différents métaux, en particulier des cations bivalents tels que Ca ^{2+ et Mg} 2+, ne sont pas encore pleinement compris.

La souche de bactéries gram-positives L. sphaericus JG-B53 (renommé de Bacillus sphaericus après nouvelle classification phylogénétique) ²⁷ a été isolé à partir de la pile de déchets des mines d'uranium "Haberland" (Johanngeorgenstadt, Saxe, Allemagne) ^4,28,29. Son fonctionnelle de la protéine S-couche (SLP1) possède un réseau carré, un poids moléculaire de 116 kDa ^30, et une épaisseur de ≈ 10 nm sur ³¹ cellules bactériennes vivant. Dans des études antérieures, la formation in vitro d'une couche de protéine fermée et stable d'une épaisseur d'environ 10 nm a été obtenue en moins de 10 min ^19. La souche liée L. sphaericus JG-A12, également un isolat de la pile "Haberland", possède des capacités de liaison élevés des métaux et de sa protéine isolée de la couche S a montré un bon taux de sorption haute stabilité chimique et mécanique et pour les métaux précieux comme l'Au (III), Pt (II), et Pd (II) ^4,32,33. Cette liaison de métaux précieux est plus ou moins spécifique pour certains métaux et dépend de la disponibilité des groupes fonctionnels sur la surface de protéine extérieure et intérieure du polymère et dans ses pores, la force ionique et le pH. Groupes fonctionnels pertinents pour l'interaction de métal par les protéines sont COOH-, NH ₂ -, OH-, _PO 4 -, _SO 4 -, et SO-. En principe, les capacités de liaison métalliques ouvrent un large éventail d'applications, ^{Raff, J. et al. S-couche de nanocomposites à base pour des applications industrielles à base de protéines dans Engineered nanostructures. (eds Tijana Z. Grove et Aitziber L. Cortajarena) (Springer, 2016 (soumis)).} par exemple, en tant que composants biosorptive pour l'élimination ou la valorisationde métaux précieux ou toxiques dissoutes, des modèles pour la synthèse ou le dépôt de nanoparticules défini régulièrement structurés métalliques (IP) pour la catalyse, et d'autres matériaux de bio-ingénierie comme couches bio-sensorielle ^3,5,18,33. NP tableaux disposés régulièrement comme Au (0) -NPs pourraient être utilisés pour des applications majeures allant de l'électronique moléculaire et les biocapteurs, des dispositifs de stockage ultra-haute densité, et des catalyseurs pour le CO-oxydation ^34-37. Le développement de ces applications et la conception intelligente de ces matériaux nécessite une compréhension plus profonde des mécanismes contraignants de métal sous-jacent.

Une condition préalable pour le développement de ces matériaux à base de bio-est de la mise en œuvre fiable d'une couche d'interface entre la biomolécule et la surface technique ^38,39. Par exemple, les polyélectrolytes assemblés avec la couche par couche (LBL) ^40,41 technique ont été utilisées en tant que couche d'interface pour la recristallisation des protéines de la couche S ³⁹ </sup>. Une telle interface offre une façon relativement facile à réaliser le revêtement de protéine d'une manière reproductible et quantitative. En effectuant des expériences différentes avec et sans modification avec les promoteurs adhésifs, il est possible de faire des déclarations concernant la cinétique de revêtement, la stabilité de la couche, et l'interaction des métaux avec des biomolécules ^{19,42, Raff, J. et al. S-couche de nanocomposites à base pour des applications industrielles à base de protéines dans Engineered nanostructures. (eds Tijana Z. Grove et Aitziber L. Cortajarena) (Springer, 2016 (soumis)).} Cependant, le mécanisme complexe de l'adsorption des protéines et l'interaction protéine-surface soit pas complètement compris. Surtout informations sur la conformation, l'orientation du motif, et les densités de revêtement est toujours manquant.

Microbalance à cristal de quartz avec la surveillance de dissipation (QCM-D) technique a attiré l'attention ces dernières années comme un outil pour l'étude de l'adsorption des protéines, de la cinétique de revêtement, et l'interaction proles processus à l'échelle du nanomètre ^19,43-45. Cette technique permet la détection de masse en détail adsorption en temps réel, et peut être utilisé comme un indicateur pour le processus d'auto-assemblage de protéines et de couplage de molécules fonctionnelles sur ^{19,20,42,46-48} réseaux de protéines. En outre, les mesures QCM-D ouvrent la possibilité d'étudier les processus d'interaction de métal avec la couche protéique dans des conditions biologiques naturelles. Dans une étude récente, l'interaction de la protéine S-couche avec des métaux choisis comme Eu (III), Au (III), Pd (II), et Pt (II) a été étudié avec QCM-D ^19,20. La couche de protéine adsorbée peut servir comme un modèle simplifié d'une paroi cellulaire des bactéries gram-positives. L'étude de ce seul composant peut contribuer à une meilleure compréhension de l'interaction de métal. Cependant, uniquement expériences QCM-D ne permettent pas de déclarations concernant les structures et les influences de métaux à la protéine de surface. D'autres techniques sont nécessaires pour obtenir ces informations. Un POSbilité pour l'imagerie bio-nanostructures et l'obtention d'informations sur les propriétés structurelles est la microscopie à force atomique (AFM).

L'objectif de l'étude présentée était d'enquêter sur la sorption de l'or (Au ​​(III) et Au (0) -NPs) aux protéines de la couche S, en particulier SLP1 de L. sphaericus JG-B53. Des expériences ont été faites avec des protéines en suspension sur l'échelle de lots dans une gamme de pH de 2,0 à 5,0 en utilisant l'ICP-MS et S-couches immobilisées en utilisant QCM-D. En outre, l'influence de la solution de sel métallique sur la stabilité du réseau a été étudié par des études ultérieures de la FAM. La combinaison de ces techniques contribue à une meilleure compréhension des processus in vitro dans d'interaction de métal comme un outil pour apprendre plus sur les événements de cellules bactériennes entières concernant les affinités de liaison métalliques spécifiques. Cette connaissance est essentielle non seulement pour le développement de matériaux filtrants applicables pour la récupération des métaux pour la protection de l'environnement et la conservation des re⁴⁹ sources, mais aussi pour le développement de réseaux de IP métalliques hautement ordonnés pour diverses applications techniques.