نظرة ثاقبة لتفاعلات الأحماض الأمينية والببتيدات مع المواد غير العضوية عن طريق جزيء واحدة قوة التحليل الطيفي
Summary
هنا نقدم بروتوكول لقياس قوة التفاعل بين سطح غير العضوية واضحة المعالم وإما الببتيدات والأحماض الأمينية التي كتبها قياسات القوة الطيفي جزيء واحد باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM). المعلومات التي تم الحصول عليها من القياس هي مهمة لفهم أفضل للمادة البيني الببتيد غير العضوية.
Abstract
التفاعلات بين البروتينات أو الببتيدات والمواد غير العضوية تؤدي إلى عدة عمليات مثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، والجمع بين البروتينات مع المعادن يؤدي إلى تكوين مواد مركبة مع خصائص فريدة من نوعها. وبالإضافة إلى ذلك، يتم بدء عملية غير مرغوب فيها من biofouling من امتصاص الجزيئات الحيوية، وخاصة البروتينات، على السطوح. هذه الطبقة العضوية هي طبقة التصاق للبكتيريا، وتتيح لهم التفاعل مع السطح. فهم القوى الأساسية التي تحكم التفاعلات في واجهة العضوية، غير العضوية ذلك فمن المهم لكثير من مجالات البحث ويمكن أن يؤدي إلى تصميم مواد جديدة لتطبيقات البصرية والميكانيكية والطبية الحيوية. توضح هذه الورقة جزيء واحد تقنية قوة التحليل الطيفي التي تستخدم فؤاد لقياس قوة التصاق بين إما الببتيدات والأحماض الأمينية والأسطح غير العضوية واضحة المعالم. وتنطوي هذه التقنية على بروتوكول لربط جزيء حيوي إلى AFMتلميح خلال رابط مرونة التساهمية وجزيء واحد قياسات قوة التحليل الطيفي بواسطة مجهر القوة الذرية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تضمين تحليل هذه القياسات.
Introduction
التفاعل بين البروتينات والمعادن غير العضوية يؤدي إلى بناء مواد مركبة مع خصائص مميزة. وهذا يشمل المواد مع قوة ميكانيكية عالية أو خصائص بصرية فريدة من نوعها. 1، 2 على سبيل المثال، مزيج من بروتين الكولاجين مع هيدروكسيباتيت المعدنية يولد إما عظام لينة أو صلبة لوظائف مختلفة. 3 يمكن الببتيدات القصيرة أيضا ربط المواد غير العضوية مع خصوصية عالية. 4، وقد استخدمت 5، 6 خصوصية هذه الببتيدات لتصميم المواد المغناطيسية والإلكترونية الجديدة، 7، 8، 9 افتعال المواد ذات البنية النانومترية، وتزايد بلورات، 10 وتجميع الجسيمات النانوية. 11 فهم الآلية الكامنة وراء التفاعلات بين الببتيدات أو البروتينات والمواد غير العضوية وبالتالي سيسمح لنا لتصميم مواد مركبة جديدة مع الخصائص امتزاز محسنة. وبالإضافة إلى ذلك، لأن توسط في الطور البيني من يزرع مع استجابة مناعية من البروتينات، فهم أفضل للتفاعلات البروتينات مع المواد غير العضوية وتحسين قدرتنا على تصميم يزرع. مجال هام آخر ينطوي على البروتينات التفاعل مع الأسطح غير العضوية هي تصنيع المواد المانعة. 12، 13، 14، 15 Biofouling هو عملية غير مرغوب فيها الكائنات نعلق على السطح. له العديد من الآثار الضارة على حياتنا. على سبيل المثال، biofouling من البكتيريا على الأجهزة الطبية يؤدي إلى العدوى المكتسبة من المستشفيات. Biofouling من الكائنات البحرية على القوارب والسفن الكبيرة يزيد من استهلاك الوقود. 12، 16، 17، 18
جزيء واحدة قوة التحليل الطيفي (SMFS)، وذلك باستخدام AFM، يمكن قياس مباشرة التفاعلات بين الأحماض الأمينية أو الببتيد مع الركيزة. 19، 20، 21، 22، 23، 24، 25، 26 طرق أخرى مثل عرض فج، 27، 28 توازن دقيق الكريستال الكوارتز (QCM) 29 أو مأكل سطح الرنين (SPR) 29، 30، 31، 32،المرجع "> 33 قياس التفاعلات من الببتيدات والبروتينات على الأسطح غير العضوية بكميات كبيرة. 34، 35، 36 وهذا يعني أن النتائج التي حصلت عليها هذه الأساليب تتعلق مجموعات من الجزيئات أو المجاميع. في SMFS، يتم إصلاح واحد أو عدد قليل جدا من الجزيئات إلى الطرف فؤاد ويتم قياس تفاعلاتها مع الركيزة المطلوب. هذا النهج يمكن توسيعها لدراسة طي البروتين عن طريق سحب البروتين من على سطح الأرض. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامه لقياس التفاعلات بين الخلايا والبروتينات والربط من الأجسام المضادة للجين بهم. يصف 37، 38، 39، 40 هذه الورقة بالتفصيل كيفية إرفاق إما الببتيدات أو الأحماض الأمينية إلى الطرف فؤاد باستخدام الكيمياء silanol. وبالإضافة إلى ذلك، توضح الورقة كيفية إجراء قياسات القوة وكيفية تحليلالنتائج.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات 1.3 و 1.4 و 1.7 في البروتوكول يجب أن تنفذ بعناية واسعة وبطريقة لطيفة جدا. في الخطوة 1.3، لا ينبغي أن يكون طرف في اتصال مع خليط سيلاني وينبغي إجراء عملية silanization في جو خامل (الرطوبة الحرة). يتم 45 هذا من أجل منع تشكيل متعدد الطبقات، ولأن جزيئات سيلاني يخضع بس…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Marie Curie International Reintegration Grant (EP7). P. D. acknowledges the support of the Israel Council for Higher Education.
Materials
| Silicon nitride (Si3N4) AFM cantilevers with silicon tips | Bruker (Camarilo, CA, USA) | MSNL10, nominal cantilevers radius ~2 nm | |
| Methyltriethoxysilane | Acros Organics (New Jersey, USA) | For Silaylation of the AFM tip | |
| 3-(Aminopropyl) triethoxysilane | Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel) | Used for tip modification | |
| Triisopropylsilane | Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel) | Used for tip modification | |
| N-Ethyldiisopropylamine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Triethylamine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Piperidine | Alfa-Aesar (Lancashire, UK) | Used for tip modification | |
| Fluorenylmethyloxycarbonyl-PEG-N-hydroxysuccinimide (Fmoc-PEG-NHS) | Iris Biotech GmbH (Deutschland, Germany) | Used as the covalent flexible linker (MW = 5000 Da) | |
| 2-(1H-benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3,-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HBTU) | Alfa Aser (Heysham, England) | Used as a coupling reagent. | |
| N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) | Acros Organics (New Jersey, USA) | Used as Solvent in Tip modification procedure | |
| DMF (dimethylformamide) | Merck (Darmstadt, Germany) | Used as Solvent in Tip modification procedure | |
| Trifluoro acetic acid (TFA) | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Acetic anhydride | Merck (Darmstadt, Germany) | ||
| Peptides | GL Biochem (Shanghai, China). | ||
| Phenylalanine and Tyrosine | Biochem (Darmstadt, Germany) | ||
| 30% TiO2 dispersion in the mixture of solvent 2-(2-Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP) | Applied Vision Laboratories (Jerusalem, Israel) | (30%) in the mixture of solvent 2-(2 Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP) | |
| Mica substrates | TED PELLA, INC. (Redding, California, USA) | 9.9 mm diameter |
References
- Addadi, L., Weiner, S. Control and design principles in biological mineralization. Angew. Chem., Int. Ed. 31 (2), 153-169 (1992).
- Meyers, M. A., Chen, P. Y., Lin, A. Y. M., Seki, Y. Biological materials: Structure and mechanical properties. Prog. Mater. Sci. 53 (1), 1-206 (2008).
- Villee, C. A. J. Book Review. Engl. J. Med. 309 (4), 247-248 (1983).
- Vallee, A., Humblot, V., Pradier, C. -. M. Peptide interactions with metal and oxide surfaces. Acc. Chem. Res. 43 (10), 1297-1306 (2010).
- Peelle, B. R., Krauland, E. M., Wittrup, K. D., Belcher, A. M. Design criteria for engineering inorganic material-specific peptides. Langmuir. 21 (15), 6929-6933 (2005).
- Gabryelczyk, B., Szilvay, G. R., Linder, M. B. The structural basis for function in diamond-like carbon binding peptides. Langmuir. 30 (29), 8798-8802 (2014).
- Sarikaya, M., Tamerler, C., Jen, A. K. Y., Schulten, K., Baneyx, F. Molecular biomimetics: Nanotechnology through biology. Nat. Mater. 2 (9), 577-585 (2003).
- Tamerler, C., Sarikaya, M. Molecular biomimetics: Utilizing nature’s molecular ways in practical engineering. Acta Biomater. 3 (3), 289-299 (2007).
- Seker, U. O. S., Demir, H. V. Material binding peptides for nanotechnology. Molecules. 16 (2), 1426-1451 (2011).
- Green, J. J., et al. Electrostatic ligand coatings of nanoparticles enable ligand-specific gene delivery to human primary cells. Nano Lett. 7 (4), 874-879 (2007).
- Grohe, B., et al. Control of calcium oxalate crystal growth by face-specific adsorption of an osteopontin phosphopeptide. J. Am. Chem. Soc. 129 (48), 14946-14951 (2007).
- Maity, S., Nir, S., Zada, T., Reches, M. Self-assembly of a tripeptide into a functional coating that resists fouling. Chem. Commun. 50 (76), 11154-11157 (2014).
- Das, P., Yuran, S., Yan, J., Lee, P. S., Reches, M. Sticky tubes and magnetic hydrogels co-assembled by a short peptide and melanin-like nanoparticles. Chem. Commun. 51 (25), 5432-5435 (2015).
- Burg, K. J. L., Porter, S., Kellam, J. F. Biomaterial developments for bone tissue engineering. Biomaterials. 21 (23), 2347-2359 (2000).
- Weiger, M. C., et al. Quantification of the binding affinity of a specific hydroxyapatite binding peptide. Biomaterials. 31 (11), 2955-2963 (2010).
- Pettitt, M. E., Henry, S. L., Callow, M. E., Callow, J. A., Clare, A. S. Activity of commercial enzymes on settlement and adhesion of cypris larvae of the barnacle Balanus amphitrite, spores of the green alga Ulva linza, and the diatom Navicula perminuta. Biofouling. 20 (6), 299-311 (2004).
- Schultz, M. P., Finlay, J. A., Callow, M. E., Callow, J. A. Three models to relate detachment of low form fouling at laboratory and ship scale. Biofouling. 19, 17-26 (2003).
- Cao, S., Wang, J., Chen, H., Chen, D. Progress of marine biofouling and antifouling technologies. Chinese Science Bulletin. 56 (7), 598-612 (2010).
- Wei, Y., Latour, R. A. Correlation between desorption force measured by Atomic Force Microscopy and adsorption free energy measured by surface plasmon resonance spectroscopy for peptide-surface interactions. Langmuir. 26 (24), 18852-18861 (2010).
- Li, Q., et al. AFM-based force spectroscopy for bioimaging and biosensing. RSC Advances. 6, 12893-12912 (2016).
- Meibner, R. H., Wei, G., Ciacchi, L. C. Estimation of the free energy of adsorption of a polypeptide on amorphous SiO2 from molecular dynamics simulations and force spectroscopy experiments. Soft Matter. 11 (31), 6254-6265 (2015).
- Xue, Y., Li, X., Li, H., Zhang, W. Quantifying thiol-gold interactions towards the efficient strength control. Nat. Commun. 5, 4348 (2014).
- Razvag, Y., Gutkin, V., Reches, M. Probing the interaction of individual amino acids with inorganic surfaces using atomic force spectroscopy. Langmuir. 29, 10102-10109 (2013).
- Das, P., Reches, M. Revealing the role of catechol moieties in the interactions between peptides and inorganic surfaces. Nanoscale. 8, 15309-15316 (2016).
- Das, P., Reches, M. Review insights into the interactions of amino acids and peptides with inorganic materials using single molecule force spectroscopy. Bioploymers-Pept. Sci. 104, 480-494 (2015).
- Maity, S., et al. Elucidating the mechanism of interaction between peptides and inorganic surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (23), 15305-15315 (2015).
- Whaley, S. R., English, D. S., Hu, E. L., Barbara, P. F., Belcher, A. M. Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly. Nature. 405 (6787), 665-668 (2000).
- Tamerler, C., Oren, E. E., Duman, M., Venkatasubramanian, E., Sarikaya, M. Adsorption Kinetics of an engineered gold binding peptide by surface plasmon resonance spectroscopy and a quartz crystal microbalance. Langmuir. 22 (18), 7712-7718 (2006).
- Santos, O., Kosoric, J., Hector, M. P., Anderson, P., Lindh, L. Adsorption behavior of statherin and a statherin peptide onto hydroxyapatite and silica surfaces by in situ ellipsometry. J. Colloid Interface Sci. 318 (2), 175-182 (2008).
- Evans, E., Ritchie, K. Dynamic strength of molecular adhesion bonds. Biophys. J. 72 (4), 1541-1555 (1997).
- Micksch, T., Liebelt, N., Scharnweber, D., Schwenzer, B. Investigation of the peptide adsorption on ZrO2, TiZr, and TiO2 surfaces as a method for surface modification. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (10), 7408-7416 (2014).
- Patwardhan, S. V., et al. Chemistry of aqueous silica nanoparticle surfaces and the mechanism of selective peptide adsorption. J. Am. Chem. Soc. 134 (14), 6244-6256 (2012).
- Thyparambil, A. A., Wei, Y., Latour, R. A. Determination of peptide-surface adsorption free energy for material surfaces not conducive to SPR or QCM using AFM. Langmuir. 28 (13), 5687-5694 (2012).
- Hnilova, M., et al. Effect of molecular conformations on the adsorption behavior of gold-binding peptides. Langmuir. 24 (21), 12440-12445 (2008).
- Sano, K., Sasaki, H., Shiba, K. Utilization of the pleiotropy of a peptidic aptamer to fabricate heterogeneous nanodot-containing multilayer nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 128 (5), 1717-1722 (2006).
- Chen, H., Su, X., Neoh, K. -. G., Choe, W. -. S. Context-dependent adsorption behavior of cyclic and linear peptides on metal oxide surfaces. Langmuir. 25 (3), 1588-1593 (2008).
- Zlatanova, J., Lindsay, S. M., Leuba, S. H. Single molecule force spectroscopy in biology using the atomic force microscope. Prog. Biophys. Mol. Biol. 74 (1-2), 37-61 (2000).
- Wang, C. Z., Yadavalli, V. K. Investigating biomolecular recognition at the cell surface using atomic force microscopy. Micron. 60, 5-17 (2014).
- Galler, K., Brautigam, K., Grobe, C., Popp, J., Neugebauer, U. Making a big thing of a small cell – recent advances in single cell analysis. Analyst. 139 (6), 1237-1273 (2014).
- Carvalho, F. A., Martins, I. C., Santos, N. C. Atomic force microscopy and force spectroscopy on the assessment of protein folding and functionality. Arch. Biochem. Biophys. 531 (1-2), 116-127 (2013).
- Azoubel, S., Magdassi, S. Controlling adhesion properties of SWCNT-PET films prepared by wet deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (12), 9265-9271 (2014).
- Jaschke, M., Butt, H. J. Height calibration of optical-lever atomic-force microscopes by simple laser interferometry. Rev. Sci. Instrum. 66 (2), 1258-1259 (1995).
- Evans, E., Kinoshita, K., Simon, S., Leung, A. Long-lived, high-strength states of ICAM-1 bonds to beta(2) integrin, I: Lifetimes of bonds to recombinant alpha(L) beta(2) under force. Biophys. J. 98 (8), 1458-1466 (2010).
- Bouchiat, C., et al. Estimating the persistence length of a Worm-Like Chain molecule from force-extension measurements. Biophys. J. 76 (1), 409-413 (1999).
- Pick, C., Argento, C., Drazer, G., Frechette, J. Micropatterned Charge Heterogeneities via Vapor Deposition of Aminosilanes. Langmuir. 31 (39), 10725-10733 (2015).
- Berquand, A., et al. Antigen binding forces of single antilysozyme Fv fragments explored by atomic force microscopy. Langmuir. 21, 5517-5523 (2005).
- Kienberger, F., et al. Recognition Force Spectroscopy Studies of the NTA-His6 Bond. Single Molecules. 1, 59-65 (2000).
- Tong, Z., Mikheikin, A., Krasnoslobodtsev, A., Lv, Z., Lyubchenko, Y. L. Novel polymer linkers for single molecule AFM force spectroscopy. Methods. 60, 161-168 (2013).
- Ulman, A. Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers. Chem. Rev. 96, 1533-1554 (1996).
- Andolfi, L., Bizzarri, A. R., Cannistraro, S. Electron tunneling in a metal-protein-metal junction investigated by scanning tunneling and conductive atomic force spectroscopies. Appl. Phys. Lett. 89, 183125 (2006).
