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Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores

Solid-state nanopores have been used to perform measurements at the single-molecule level to examine the local structure and flexibility of nucleic acids ...

Syracuse University

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Understanding the interactions between silicon-based materials and proteins from the bloodstream is of key importance in a myriad of realms, such as the design of nanofluidic devices and functional biomaterials, biosensors, and biomedical molecular diagnosis. By using nanopores fabricated in 20 nm-thin silicon nitride membranes and highly sensitive electrical recordings, we show single-molecule observation of nonspecific protein adsorption onto an inorganic surface. A transmembrane potential was applied across a single nanopore-containing membrane immersed into an electrolyte-filled chamber. Through the current fluctuations measured across the nanopore, we detected long-lived captures of bovine serum albumin (BSA), a major multifunctional protein present in the circulatory system. Based upon single-molecule electrical signatures observed in this work, we judge that the bindings of BSA to the nitride surface occurred in two distinct orientations. With some adaptation and further experimentation, this approach, applied on a parallel array of synthetic nanopores, holds potential for use in methodical quantitative studies of protein adsorption onto inorganic surfaces.

Single-molecule observation of protein adsorption onto an inorganic surface.

Comprendre les interactions entre le silicium-mat&#xE9;riaux &#xE0; base de prot&#xE9;ines et de la circulation sanguine est d&#x26;#39;une importance cl&#xE9; dans une myriade de domaines, tels que la conception de dispositifs nanofluidique et des biomat&#xE9;riaux fonctionnels, les biocapteurs, et biom&#xE9;dicale diagnostic mol&#xE9;culaire. En utilisant des nanopores fabriqu&#xE9;s en 20 nm-minces membranes de nitrure de silicium et tr&#xE8;s sensibles enregistrements &#xE9;lectriques, nous montrons l&#x26;#39;observation seule mol&#xE9;cule de prot&#xE9;ine non sp&#xE9;cifique d&#x26;#39;adsorption sur une surface inorganique. Un potentiel transmembranaire a &#xE9;t&#xE9; appliqu&#xE9;e &#xE0; travers une seule nanopore contenant membranes immerg&#xE9;es dans une chambre &#xE0; &#xE9;lectrolyte rempli. Gr&#xE2;ce &#xE0; des fluctuations de courant mesur&#xE9;es &#xE0; travers le nanopore, nous avons d&#xE9;tect&#xE9; longue dur&#xE9;e de vie des captures de la s&#xE9;rum albumine bovine (BSA), une prot&#xE9;ine pr&#xE9;sente majeur multifonctionnel dans le syst&#xE8;me circulatoire. Sur la base d&#x26;#39;une seule mol&#xE9;cule signatures &#xE9;lectriques observ&#xE9;s dans ce travail, nous jugeons que les liaisons de BSA &#xE0; la surface de nitrure eu lieu dans deux orientations distinctes. Avec un peu de l&#x26;#39;adaptation et l&#x26;#39;exp&#xE9;rimentation en outre, cette approche, appliqu&#xE9;e sur un r&#xE9;seau parall&#xE8;le de nanopores synth&#xE9;tiques, d&#xE9;tient un potentiel pour une utilisation dans m&#xE9;thodiques des &#xE9;tudes quantitatives de l&#x26;#39;adsorption des prot&#xE9;ines sur des surfaces inorganiques.

Simple-mol&#xE9;cule Observation de la prot&#xE9;ine d&#x26;#39;adsorption sur une surface inorganique

Verst&auml;ndnis der Wechselwirkungen zwischen Silizium-basierten Materialien und Proteine aus dem Blut ist von zentraler Bedeutung in einer Vielzahl von Bereichen, z. B. die Konzeption von nanofluidischer Ger&auml;ten und funktionalen Biomaterialien, Biosensoren und biomedizinischen Molekulare Diagnostik. Mithilfe von Nanopores hergestellt in 20 nm-d&uuml;nnen Silizium-Nitrid-Membranen und hochempfindlichen elektrischen Aufnahmen zeigen wir Einzelmolek&uuml;l-Beobachtung der unspezifische Proteinadsorption eine anorganische Bearbeitungsfl&auml;che. Ein Transmembran-Potenzial wurde durch einen einzigen Nanopore-haltigen Membran eingetaucht in ein Elektrolyt gef&uuml;llten Kammer angewendet. &Uuml;ber die aktuellen Schwankungen, gemessen &uuml;ber die Nanopore erkannt wir Captures langlebige von Rinderserumalbumin (BSA), einer gro&szlig;en multifunktionalen Protein in das zirkulierende System vorhanden. Einzelmolek&uuml;l-elektrische Signaturen beobachtet in dieser Arbeit zu urteilen, beurteilen wir, dass die BSA-Bindungen an die Nitrid Oberfl&auml;che in zwei unterschiedlichen Orientierungen aufgetreten. Mit einigen Anpassung und weiter experimentieren hat dieser Ansatz, angewendet auf eine parallele Array von synthetischen Nanopores, Potenzial f&uuml;r den Einsatz in methodische quantitative Studies der Proteinadsorption auf anorganischen Oberfl&auml;chen.

Einzelmolek&uuml;l-Beobachtung der Proteinadsorption eine anorganische Bearbeitungsfl&auml;che.

Comprensione delle interazioni tra proteine dal flusso sanguigno e materiali a base di silicio &egrave; di fondamentale importanza in una miriade di regni, come la progettazione di dispositivi di nanofluidiche e biomateriali funzionali, biosensori e biomedica diagnosi molecolare. Mediante nanopori fabbricato in 20 membrane di nitruro di silicio sottile nm e registrazioni elettriche altamente sensibili, mostriamo osservazione singola molecola di adsorbimento di proteine aspecifiche su una superficie inorganica. Un potenziale transmembrana &egrave; stato applicato attraverso una singola membrana contenenti nanopore immersa in un&#39;Aula piena di elettrolita. Attraverso le fluttuazioni di corrente misurate attraverso il nanopore, abbiamo rilevato longevi cattura di albumina di siero bovino (BSA), una proteina multifunzionale principale presente nel sistema circolatorio. Basato su firme elettriche singola molecola osservate in questo lavoro, giudichiamo che le associazioni di BSA per la superficie di nitruro si &egrave; verificato in due distinti orientamenti. Con qualche adattamento e ulteriore sperimentazione, questo approccio, applicato su una matrice parallela di nanopori sintetico, detiene potenziale per l&#39;uso in studi quantitativi metodici di adsorbimento di proteine su superfici inorganiche.

Osservazione singola molecola di adsorbimento di proteine su una superficie inorganica.

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&#xC2E4;&#xB9AC;&#xCF58; &#xAE30;&#xBC18; &#xC790;&#xB8CC;&#xC640; &#xD608; &#xB958;&#xC5D0;&#xC11C; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8; &#xAC04;&#xC758; &#xC0C1;&#xD638; &#xC791;&#xC6A9;&#xC744; &#xC774;&#xD574; &#xC601;&#xC5ED;, nanofluidic &#xC7A5;&#xCE58; &#xBC0F; &#xAE30;&#xB2A5;&#xC131; &#xC0DD;&#xCCB4; &#xC7AC;&#xB8CC;, biosensors, &#xBC0F; &#xC0DD;&#xBB3C; &#xBD84;&#xC790; &#xC9C4;&#xB2E8;&#xC758; &#xB514;&#xC790;&#xC778; &#xB4F1;&#xC758; &#xBB34;&#xC218; &#xD55C;&#xC5D0; &#xC8FC;&#xC694; &#xC911;&#xC694;&#xC131; &#xC774;&#xB2E4;. 20 Nm &#xBC15;&#xB9C9; &#xC2E4;&#xB9AC;&#xCF58; &#xC9C8; &#xD654; &#xB9C9;&#xC5D0; &#xB9E4;&#xC6B0; &#xBBFC;&#xAC10;&#xD55C; &#xC804;&#xAE30; &#xB179;&#xC74C; &#xC870;&#xC791; nanopores&#xB97C; &#xC0AC;&#xC6A9; &#xD558; &#xC5EC; &#xC6B0;&#xB9AC;&#xB294; &#xBB34;&#xAE30; &#xD654;&#xBA74;&#xC73C;&#xB85C; &#xC77C;&#xBC18; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8; &#xD761;&#xCC29;&#xC758; &#xB2E8;&#xC77C; &#xBD84;&#xC790; &#xAD00;&#xCC30;&#xC744; &#xBCF4;&#xC5EC;&#xC90D;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xB9C9; &#xD6A1;&#xB2E8; &#xC7A0;&#xC7AC;&#xB825; &#xC804;&#xD574;&#xC9C8; &#xCC44;&#xC6CC;&#xC9C4; &#xCC54;&#xBC84;&#xC5D0; &#xBAB0;&#xC785; &#xD55C; nanopore &#xD3EC;&#xD568; &#xB41C; &#xB9C9;&#xC5D0; &#xAC78;&#xCCD0; &#xC801;&#xC6A9; &#xB418;&#xC5C8;&#xC2B5;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xD604;&#xC7AC; &#xBCC0;&#xB3D9; &#xD569;&#xB2C8;&#xB2E4; nanopore&#xC5D0; &#xAC78;&#xCCD0; &#xCE21;&#xC815;&#xC744; &#xD1B5;&#xD574; &#xC6B0;&#xB9AC;&#xB294; &#xC18C; &#xD608; &#xCCAD; &#xBBFC; (BSA), &#xC21C;&#xD658; &#xC2DC;&#xC2A4;&#xD15C;&#xC5D0; &#xC874;&#xC7AC; &#xD558;&#xB294; &#xC8FC;&#xC694; &#xB2E4;&#xAE30;&#xB2A5; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8;&#xC758; &#xC218;&#xBA85;&#xC774; &#xAE34; &#xCEA1;&#xCC98; &#xAC10;&#xC9C0;. &#xB2E8;&#xC77C; &#xBD84;&#xC790; &#xC804;&#xAE30; &#xC11C;&#xBA85;&#xC774;&#xC774; &#xC791;&#xD488;&#xC5D0;&#xC11C; &#xAD00;&#xCC30;&#xC744; &#xBC14;&#xD0D5;&#xC73C;&#xB85C;, &#xC6B0;&#xB9AC;&#xB294; &#xB098;&#xC774;&#xD2B8; &#xB77C; &#xC774;&#xB4DC; &#xD45C;&#xBA74;&#xC5D0; &#xB300; &#xD55C; &#xBC14;&#xC778;&#xB529;&#xC744; BSA&#xC758; &#xB450; &#xAC00;&#xC9C0; &#xBC29;&#xD5A5;&#xC5D0;&#xC11C; &#xBC1C;&#xC0DD; &#xD55C; &#xC7AC;&#xD310;. &#xC57D;&#xAC04; &#xC801;&#xC751; &#xBC0F; &#xCD94;&#xAC00; &#xC2E4;&#xD5D8;, &#xD569;&#xC131; nanopores&#xC758; &#xBCD1;&#xB82C; &#xBC30;&#xC5F4;&#xC5D0; &#xC801;&#xC6A9;&#xC774; &#xC811;&#xADFC; &#xBB34;&#xAE30; &#xD45C;&#xBA74;&#xC5D0; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8; &#xD761;&#xCC29;&#xC758; &#xC870;&#xC9C1;&#xC801; &#xC591;&#xC801; &#xC5F0;&#xAD6C;&#xC5D0; &#xC0AC;&#xC6A9; &#xD558;&#xAE30; &#xC704;&#xD574; &#xC7A0;&#xC7AC;&#xC801;&#xC778; &#xBCF4;&#xC720; &#xD569;&#xB2C8;&#xB2E4;.

&#xB2E8;&#xC77C; &#xBD84;&#xC790; &#xBB34;&#xAE30; &#xD45C;&#xBA74; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8; &#xD761;&#xCC29;&#xC758; &#xAD00;&#xCC30;.

La comprensi&#xF3;n de las interacciones entre los materiales basados &#x200B;&#x200B;en silicio y prote&#xED;nas de la sangre es de vital importancia en una gran variedad de &#xE1;mbitos, tales como el dise&#xF1;o de dispositivos nanoflu&#xED;dicos y biomateriales funcionales, biosensores, y el diagn&#xF3;stico molecular biom&#xE9;dica. Mediante el uso de nanoporos fabricados en 20 nm membranas de nitruro de silicio delgadas y grabaciones el&#xE9;ctricas de alta sensibilidad, se muestra una sola mol&#xE9;cula de la observaci&#xF3;n de la prote&#xED;na espec&#xED;fica de adsorci&#xF3;n sobre una superficie inorg&#xE1;nica. Un potencial transmembrana se aplic&#xF3; a trav&#xE9;s de una sola nanoporo que contiene la membrana sumerge en una c&#xE1;mara llena de electrolito. A trav&#xE9;s de las fluctuaciones de corriente medidos a trav&#xE9;s de la nanopore, que hemos detectado de larga duraci&#xF3;n capturas de alb&#xFA;mina de suero bovino (BSA), una importante prote&#xED;na multifuncional presente en el sistema circulatorio. Sobre la base de firmas de una sola mol&#xE9;cula el&#xE9;ctricos observados en este trabajo, el juez que los enlaces de la BSA a la superficie de nitruro se produjo en dos orientaciones distintas. Con un poco de adaptaci&#xF3;n y experimentaci&#xF3;n, este enfoque, aplicado sobre un conjunto paralelo de nanoporos sint&#xE9;ticos, tiene un gran potencial para su uso en met&#xF3;dicos estudios cuantitativos de la adsorci&#xF3;n de prote&#xED;nas sobre superficies inorg&#xE1;nicas.

David J. Niedzwiecki

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