التحقيق احدة جزيء التصاق بواسطة القوة الذرية الطيفي
Summary
A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.
Abstract
التحليل الطيفي القوة الذرية هو أداة مثالية لدراسة الجزيئات في الأسطح والواجهات. ويرد بروتوكول تجريبي لزوجين مجموعة كبيرة ومتنوعة من الجزيئات واحدة تساهميا على تلميح AFM. في نفس الوقت وتخمل طرف AFM لمنع التفاعلات غير محددة بين طرف والركيزة، الذي هو شرط أساسي لدراسة الجزيئات واحدة تعلق على طرف AFM. تحليلات لتحديد قوة التصاق، وطول التصاق، والطاقة الحرة من هذه الجزيئات على الأسطح الصلبة والحيوية واجهات يتم عرض قريبا ويتم توفير المراجع الخارجية لمزيد من القراءة. جزيئات سبيل المثال هي بولي (حمض أميني) polytyrosine، والكسب غير المشروع البوليمر PI- ز -PS والبابا فوسفورية (1-بالميتويل-2-oleoyl- SN -glycero-3-phosphoethanolamine). والمستوعبة هذه الجزيئات من الأسطح المختلفة مثل CH 3 -SAMs والهيدروجين إنهاء الماس وبدعم طبقات ثنائية الدهون في ظل ظروف المذيبات المختلفة. وأخيرا، فإنوتناقش مزايا القوة الطيفية التجارب جزيء واحد بما في ذلك وسيلة لتقرر ما إذا كان قد تم دراستها حقا جزيء واحد في التجربة.
Introduction
على مدى السنوات ال 30 الماضية، تحولت القوة الذرية المجهر (AFM) إلى أن تكون تقنية التصوير قيمة لدراسة البيولوجية 1،2 و 3 الاصطناعية المواد والأسطح لأنه يوفر القرار المكانية الجزيئي في جميع الأبعاد الثلاثة ويمكن تشغيلها في مختلف المذيبات البيئات. وبالإضافة إلى ذلك،-AFM واحد قوة جزيء الطيفي (SMFS) يتيح لقياس القوى بدءا من السندات الإذنية إلى μN النظام وأعطت نظرة غير مسبوقة على سبيل المثال إلى البروتين للطي 4،5، الفيزياء البوليمر 6-8، واحد التفاعل جزيء سطح 9 – 12. والأساس المنطقي وراء دراسة الجزيئات واحدة بدلا من الفرقة من الجزيئات هو تجنب آثار المتوسط والتي غالبا ما تحجب الأحداث النادرة أو الدول الجزيئية الخفية. وعلاوة على ذلك، العديد من المعلمات الجزيئية مثل طول كفاف، وطول كوهن، الطاقة الحرة التصاق، وما يمكن أن يكونالتي تم الحصول عليها. هو مفصل في هذه الأمثلة أدناه. في تجربة AFM-SMFS نموذجية، ويقترن جزيء التحقيق إلى طرف حاد جدا عن طريق جزيء رابط. يقع في الطرف نفسها في نهاية ناتئ قابل للانحناء. إذا تم إحضار طرف في اتصال مع سطح جزيء التحقيق سوف تتفاعل مع هذا السطح. من خلال مراقبة انحراف للناتئ على التراجع من طرف، والقوة، وبالتالي الطاقة الحرة، لفصل جزيء من السطح يمكن تحديده. الحصول على إحصائيات ذات معنى، لا بد من الحصول على عدد كبير من ما يسمى منحنيات قوة بعد. وعلاوة على ذلك، لدينا تجارب جزيء واحد صحيح (أي، وذلك باستخدام واحد ونفس جزيء التحقيق خلال مدة التجربة بأكملها) يجب أن يقترن جزيء التحقيق تساهميا إلى الطرف AFM. هنا، يتم تقديم بروتوكول تجريبي لناتئ functionalization مع جزيء واحد عن طريق الرابطة التساهمية. يمكن إما أن يقترن جزيء واحد عن طريق الأمينية أو ثيول مجموعة لغيض AFM. لا يمكن أن يؤديها عملية الاقتران في مجموعة واسعة من المذيبات (العضوية والمائية) لحساب خصائص انذياب من البوليمرات المستخدمة.
في الجزء الأول، وبروتوكول عام لنعلق تساهميا جزيء واحد ("جزيء التحقيق") عن طريق جزيء رابط إلى طرف AFM يوصف. تحقيقا لهذه الغاية، يتم استخدام NHS- العضوية أو maleimide الكيمياء 13. جنبا إلى جنب مع بروتوكول لمدة ثلاث جزيئات سبيل المثال، يتم وصف عمليات الحصول على البيانات وتحليل البيانات ويتم توفير المراجع لمزيد من القراءة. على سبيل المثال الجزيئات هي: (الخطية) التيروزين البوليمر، البوليمر الكسب غير المشروع PI- ز -PS والبابا الدهون. وهذا يشمل اختلافات طفيفة من البروتوكول، على سبيل المثال لنعلق تساهميا cysteines. وبالإضافة إلى ذلك، وهناك قسم مخصص لإعداد الأسطح المختلفة مثل سطح الماس، وCH 3-تجميعها المتمتعة بالحكم الذاتي أحادي الطبقة وطبقات ثنائية الدهون. هذه الواجهات لها الأقليمأون بمثابة إشارات جيدة والأمثلة على ذلك.
Protocol
Representative Results
Discussion
خلال العقود الماضية، قدمت التجارب جزيء واحد رؤى غير مسبوقة في الآليات الجزيئية وتبين أن هذا النهج لا تقدر بثمن في علوم الحياة وخارجها. لتحقيق إحصاءات جيدة وذات مغزى من التجارب SMFS، من الناحية المثالية واحد ويتم استخدام نفس الجزيء على مدى كاملة من التجربة. وعلى الن?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank the DFG (Hu 997/2-2) for financial support. FS acknowledges the Hanns-Seidel-Stiftung (HSS). SKr was supported by the Elitenetzwerk Bayern in the framework of the doctorate program Material Science of Complex Interfaces. SKi thanks the SFB 863 for financial support.
Materials
| Materials | |||
| Hellmanex III alkaline liquid concentrate (detergent solution) | Hellma | ||
| RCA (ultrapure water, hydrogen peroxide (35 %), ammonia (32%); 5:1:1(v/v/v)) | Sigma | ||
| Vectabond reagent / APTES (3-Aminopropyl)triethoxysilane | Vectorlabs | ||
| Dry acetone (< 50 ppm H2O) | Sigma | ||
| Dry chloroform (> 99.9 %) | Sigma | ||
| Triethylamine | Sigma | ||
| Ultrapure water | Biochrom, Germany | ||
| Di-sodium tetraborate (> 99.5 %) | Biochrom, Germany | ||
| Boric Acid | Biochrom, Germany | ||
| Monofunctional α-methoxy-ω-NHS PEG, 5kDa, “methyl-PEG-NHS” | Rapp, Germany | ||
| Heterobifunctional α,ω-bis-NHS PEG, 6 kDa, “NHS-PEG-NHS” | Rapp, Germany | ||
| Heterobifunctional α-maleimidohexanoic- ω-NHS PEG, 5 kDa, “Mal-PEG-NHS” | Rapp, Germany | ||
| Probe molecule (polymer, lipid, etc.) | |||
| Equipment | |||
| Sufficient amount of glass crystallising dishes with spout (10 ml), glass petri dishes (500 µl) and glass lids | VWR International GmbH, Germany | ||
| Laboratory oven model UF30 | Memmert, Germany | ||
| Temperature controlled sonicator | VWR International GmbH, Germany | ||
| Plasma system "Femto", 100 W | Diener, Germany | ||
| One separate glass syringe for each organic solvent | VWR International GmbH, Germany | ||
| Vortex mixer | VWR International GmbH, Germany | ||
| Microcentrifuge tubes (0.5 ml or 1.5 ml) | Eppendorf | ||
| Pipettes: 10-100 µl, 50-200 µl and 100-1000 µl | Eppendorf | ||
| AFM with temperature controlled fluid cell (e.g. MFP-3D with BioHeater) | Asylulm Research, Santa Barbara | ||
| Soft SiN cantilevers cantilever, typically made from silicon nitride (SiN) (spring constant less than 100 pN/nm, e.g. MLCT) | Bruker AXS, Santa Barbara |
References
- Scheuring, S., Sapra, K., Müller, D. Probing Single Membrane Proteins by Atomic Force Microscopy. Handbook of Single-Molecule Biophysics. , 449-485 (2009).
- Kodera, N., Yamamoto, D., Ishikawa, R., Ando, T. Video imaging of walking myosin V by high-speed atomic force microscopy. Nature. 468 (7320), 72-76 (2010).
- Magonov, S. N. Atomic Force Microscopy in Analysis of Polymers. Encyclopedia of Analytical Chemistry. , (2006).
- Rief, M., Clausen-Schaumann, H., Gaub, H. E. Sequence-dependent mechanics of single DNA molecules. Nature Structural Biology. 6 (4), 346-349 (1999).
- Li, H., Linke, W. a., et al. Reverse engineering of the giant muscle protein titin. Nature. 418 (6901), 998-1002 (2002).
- Bustamante, C., Smith, S. B., Liphardt, J., Smith, D. Single-molecule studies of DNA mechanics. Current opinion in structural biology. 10 (3), 279-285 (2000).
- Zhang, W., Zhang, X. Single molecule mechanochemistry of macromolecules. Progress in Polymer Science. 28 (8), 1271-1295 (2003).
- Hugel, T., Rief, M., Seitz, M., Gaub, H., Netz, R. Highly Stretched Single Polymers: Atomic-Force-Microscope Experiments Versus Ab-Initio Theory. Physical Review Letters. 94 (4), 048301 (2005).
- Stetter, F. W. S., Cwiklik, L., Jungwirth, P., Hugel, T. Single Lipid Extraction – The Anchoring Strength of Cholesterol in Liquid Ordered and Liquid Disordered Phases. Biophysical journal. 107 (5), (2014).
- Pirzer, T., Hugel, T. Adsorption mechanism of polypeptides and their location at hydrophobic interfaces. Chemphyschem. 10 (16), 2795-2799 (2009).
- Butt, H. -. J., Cappella, B., Kappl, M. Force measurements with the atomic force microscope: Technique, interpretation and applications. Surface Science Reports. 59 (1-6), 1-152 (2005).
- Nash, M. A., Gaub, H. E. Single-Molecule Adhesion of a Copolymer to Gold. ACS NANO. 6 (12), 10735-10742 (2012).
- Hermanson, G. . Bioconjugate Techniques. , (1996).
- Kienle, S., et al. Effect of molecular architecture on single polymer adhesion. Langmuir the ACS journal of surfaces and colloids. 30 (15), 4351-4357 (2014).
- Folkers, J. P., Laibinis, P. E., Whitesides, G. M. Self-assembled monolayers of alkanethiols on gold: comparisons of monolayers containing mixtures of short- and long-chain constituents with methyl and hydroxymethyl terminal groups. Langmuir. 8 (5), 1330-1341 (1995).
- Dankerl, M., et al. Diamond Transistor Array for Extracellular Recording From Electrogenic Cells. Advanced Functional Materials. 19 (18), 2915-2923 (2009).
- Leonenko, Z. V., Carnini, A., Cramb, D. T. Supported planar bilayer formation by vesicle fusion: the interaction of phospholipid vesicles with surfaces and the effect of gramicidin on bilayer properties using atomic force microscopy. Biochimica et biophysica acta. 1509 (1-2), 131-147 (2000).
- Stetter, F. W. S., Hugel, T. The Nanomechanical Properties of Lipid Membranes are Significantly Influenced by the Presence of Ethanol. Biophysical Journal. 104 (5), 1049-1055 (2013).
- Putman, C. A. J., De Grooth, B. G., Hulst, N. F., Greve, J. A detailed analysis of the optical beam deflection technique for use in atomic force microscopy. Journal of Applied Physics. 72 (1), 6-12 (1992).
- Hutter, J. L., Bechhoefer, J. Calibration of atomic-force microscope tips. Review of Scientific Instruments. 64 (7), 1868 (1993).
- Krysiak, S., Liese, S., Netz, R. R., Hugel, T. Peptide desorption kinetics from single molecule force spectroscopy studies. Journal of the American Chemical Society. 136 (2), 688-697 (2014).
- Li, I. T. S., Walker, G. C. Interfacial free energy governs single polystyrene chain collapse in water and aqueous solutions. Journal of the American Chemical Society. 132 (18), 6530-6540 (2010).
- Dudko, O. K., Hummer, G., Szabo, A. Theory, analysis, and interpretation of single-molecule force spectroscopy experiments. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (41), 15755-15760 (2008).
- Stetter, F. W. S., Cwiklik, L., Jungwirth, P., Hugel, T. Single Lipid Extraction: The Anchoring Strength of Cholesterol in Liquid-Ordered and Liquid-Disordered Phases. Biophysical Journal. 107 (5), 1167-1175 (2014).
- Horinek, D., et al. Peptide adsorption on a hydrophobic surface results from an interplay of solvation, surface, and intrapeptide forces. Proc Natl Acad Sci U S A. 105 (8), 2842-2847 (2008).
- Ebner, A., et al. Functionalization of probe tips and supports for single-molecule recognition force microscopy. Topics in current chemistry. 285 (April), 29-76 (2008).
- Geisler, M., Balzer, B. N., Hugel, T. Polymer Adhesion at the Solid-Liquid Interface Probed by a Single-Molecule Force Sensor. Small. 5 (24), 2864-2869 (2009).
- Morfill, J., et al. Affinity-matured recombinant antibody fragments analyzed by single-molecule force spectroscopy. Biophysical journal. 93 (10), 3583-3590 (2007).
