水系からの金の収着とリサイクルに関する基本的な情報を得るために、S層タンパク質上のAu(III)とAu(0)ナノ粒子の相互作用を調査しました。タンパク質ポリマーの吸着はICP-MSで、タンパク質性単分子膜の吸着はQCM-Dで調べました。その後のAFMにより、ナノ構造のイメージングが可能になります。
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この記事について
サマリー
要約
この出版物では、Lysinibacillus sphaericus JG-B53の表層(S層)タンパク質(Slp1)の金吸着挙動が記載されています。これらの生体分子は、表面上に常結晶性2次元配列に配置され、金属を結合するため、環境や工業プロセスからさまざまな元素を除去または回収するための生体吸着材料など、いくつかの生物工学的用途にとって興味深いものです。S層指向合成1またはナノ粒子の吸着のいずれかによって、S層上にAu(0)ナノ粒子を堆積させることは、多様な官能的応用のための新たな可能性を開きます。S層2-5の生体吸着特性については数多くの研究が述べられていますが、タンパク質-タンパク質およびタンパク質-金属相互作用をより深く理解することは依然として困難です。以下の研究では、誘導結合質量分析(ICP-MS)を使用して、懸濁S層による金属吸着を検出しました。これは、たんぱく質単分子膜の形成と金属沈着のオンライン検出を可能にする散逸モニタリング付き水晶振動子マイクロバランス(QCM-D)の測定と相関しており、したがって、金属結合に関するより詳細な理解が可能になりました。
ICP-MSの結果は、懸濁したS層ポリマーへのAu(III)の結合がpHに依存することを示しました。Au(III)の最大結合はpH 4.0で得られました。QCM-Dの調査により、in situ実験中にAu(III)の収着とAu(0)-NPの沈着をリアルタイムで検出することができました。さらに、この方法により、Slp1のタンパク質格子安定性に対する金属結合の影響を研究することができ、構造特性とタンパク質層の安定性は、原子間力顕微鏡(AFM)を使用してQCM-D実験の直後に視覚化することができました。結論として、これらの異なる方法を組み合わせることで、懸濁液中の細菌S層タンパク質、または細菌細胞または再結晶表面上の単層としての細菌S層タンパク質による金属結合についてより深い理解が得られます。
概要
原因エレクトロニクス、触媒、バイオセンサ、または医療機器のようないくつかのアプリケーションのための金の使用の増加に、この貴金属の需要はここ数年の時間6-9かけて成長してきました。重鎖または貴金属、最も環境汚染は継続的なプロセスであるが、金だけでなく、他の多くの貴重な重金属は、鉱業活動を通じて、希薄濃度の工業排水を経て環境中に放出され、廃棄物処理7,8,10されています主に技術的な活動によって引き起こされます。これは、自然の生態系の重要な干渉につながり、潜在的に人間の健康9を脅かします。これらの負の結果を知ることは、工業廃水からの金属のリサイクルに汚染された生態系や改善点から金属を除去するための新しい技術の探索を推進しています。沈殿又はイオン交換のような十分に確立された物理化学的方法には、特に高で、それほど効果的ではありませんLYは、溶液7,8,11に希釈しました。バイオソープションは、いずれかの生きているか死んバイオマスで、廃水処理10,12のための魅力的な代替です。そのような生物学的材料の使用は、毒性化学物質の消費量を低減することができます。多くの微生物は、蓄積又は金属を固定するために記載されています。例えば、Lysinibacillusのスフェリカスの細胞が（L.スファエリカス ）JG-A12は、貴金属のための高い結合能力を示している、例えば、パラジウム（II）、白....
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プロトコル
1.微生物および栽培条件
注：すべての実験は、無菌条件下で行われたL.。スフェリカス JG-B53は、凍結保存培地29,30から得られました。
- 300ミリリットルのクリーンベンチの下に転送凍結保存培養物（1.5ミリリットル）の滅菌栄養ブロス（NB）メディア（3グラム/ Lの肉エキス、5グラム/ Lペプトン、10グラム/ LのNaCl）。その後、培養のために前培養物を得るために、30℃で少なくとも6時間溶液を攪拌します。
- 70 Lに、pH値= 7.0で、30℃をNB培地で好気的条件下で細菌を育てるには、蒸気インプレースバイオリアクターをスケールされました。したがって、≈57 L脱イオン水で原子炉を埋めます。バイオリアクターに直接固体NBメディアを追加し、溶解（濃度は、上記参照）。
- さらにメディアをオートクレーブ（122°C、温度保持時間30分）、培養中の泡の形成を抑制するために培地に消泡剤（30μL/ LのNB-メディア）を追加原子炉施設の内部。
- メディアをクールダウンし、完全な酸素飽和度を実行します。 （1 MH 2 SO 4と2 M NaOHを用いて）pHを7.0に調整し、300ミリリットル前培養の自動接種を開始します。接種ポイントで栽培パラメータのデータの記録を開始します。栽培中の例えば
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結果
微生物およびSLP1キャラの育成
細菌増殖の記録されたデータは、約5時間で指数増殖期の終わりを示します。以前の研究は、それにもかかわらず、定義されたメディアコンポーネントを使用して、培養の最適化またはfed-。最大収率19 4.36グラム/ L（SLP1は収穫のこの時点から単離することができることを湿潤バイオマス（≈1.45グラム/ L（BDW））を示していますバッチ培養戦略これは産業用アプリケーションのためのバイオマスの大量の使用を不可分である。高いバイオマス収量につながる。 オンラインとオフラインの記録栽培パラメータは、図3（a）に要約されてからの値。顕微鏡制御（ 図3B）時L.スフェリカス JG-B53の収穫ショー非胞子形成細胞の。
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ディスカッション
この研究では、異なる分析方法の組み合わせを用いて調べたS層タンパク質の金の結合を研究しました。具体的には、金の結合は、例えば 、感覚面鉱業水またはプロセス溶液から金を回収するだけでなく、材料の建設のためだけでなく、非常に魅力的です。 Auの相互作用の研究のために金（Au（III）及びAu（0）-NPs）に懸濁し、SLP1の単層を再結晶化して、タンパク質が持っていたが単離されます。したがって、本研究では、グラム陽性菌株L.の成功した培養を示していますスフェリカス JG-B53と表層タンパク質SLP1の分離。それにもかかわらず、栽培やタンパク質の分離が困難なままであり、最適化されなければなりません。バイオマスとS層タンパク質の大規模生産は、金属選択フィルタ材料の製造のために、例えば 、両方の工業的応用のための前提条件です。その応用の可能性があるundoubtedl有毒金属の除去または処理水に溶解させた有価金属の回収、排水、または排水のための高Y。さらに、S-層の適用可能性は、このようなバイオセンサーおよび触媒として他の生体触発材料、での追加の可能性を考慮しても大きくなっ.......
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開示事項
著者らは、開示することは何もありません。
謝辞
本研究の一部はBMWiとBMBFプロジェクト」Aptasens」（BMBF / DLR 01RB0805A）が資金を提供し、IGF-プロジェクト「S-ふるい」（490 ZBG / 1）によって資金を供給されました。英語のネイティブスピーカーとして原稿を読み取るためのAFM研究中およびエリックV.ジョンストンへの彼の貴重な助けのためのトビアス・J・ギュンターに感謝します。さらに、この論文の著者は、Manjaフォーゲル、ナンシーアンガー、カレンE. Viacavaとヘルムホルツ研究所のグループバイオテクノロジー（ICP-MS測定における支援のためのリソースエコロジー研究所から）アリーンリッターとサブリナGurlitに感謝したいと思います資源技術のためのフライベルク。
....アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| equiment and software | |||
| Bioreactor, Steam In Place 70L Pilot System | Applikon Biotechnology, Netherlands | Z6X | dO2, Applikon BiotechnologyのpHセンサーとBioXpertソフトウェア V2 |
| 非侵襲的バイオマスモニター BugEye 2100 | BugLab, Concord (CA), USA | Z9X | --- |
| SpectrometerUltrospec 1000 | Amersham Pharmacia Biotech, Great Britain | 80-2109-10 | Company now GE Healthcare Life Sciences |
| MiniStar micro centrifuge | VWR, Germany | 521-2844 | For centrifugation of cultivivation |
| 研究システム顕微鏡 BX-61 | Olympus Germany LLC, Germany | 037006 | イメージングソフトウェアと組み合わせた顕微鏡 |
| Cell^P (version 3.1) | オリンパスソフトイメージングソリューションズLLC、Münster, Germany | --- | with microscope |
| Powerfuge Pilot Separation System Serie 9010-S | Carr Centritech, Florida, USA | 9010PLT | バイオマス収穫用 |
| T18 basic Ultra Turrax | IKA Labortechnik, Germany | 431-2601 | べん毛の除去とサンプル均質化用 |
| Sorvall Evolution RC Superspeed Centrifuge | Thermo Fisher Scientific, USA | 728411 | タンパク質の分離に使用 |
| 移動式高せん断流体プロセッサ、M-110EH-30 パイロット | マイクロ流体工学、マサチューセッツ州、米国 | M110EH30K | 細胞破裂に使用 |
| Alpha 1-4 LSC 凍結乾燥機 | Martin Christ 凍結乾燥機LLC、オステロード、ドイツ | 102041 | --- |
| UV-VIS 分光光度法 (NanoDrop 2000c) | Thermo Fisher Scientific, USA | 91-ND-2000C-L | タンパク質の測定用濃度 |
| Mini-PROTEAN 縦型電気泳動チャンバー | Bio-Rad Laboratories GmbH, Munich, Germany | 165-3322 | For SDS-PAGE |
| VersaDoc Imaging System 3000 | Bio-Rad Laboratories GmbH, Munich, Germany | 1708030 | SDS-PAGEゲルのイメージングに使用 |
| ICP-MS Elan 9000 | PerkinElmer, Waltham (MA), USA | N8120536 | 金属濃度 |
| の測定に使用Zetasizer Nano ZS | Malvern Instruments, Worcestershire United Kingdom | ZEN3600 | ナノ粒子径測定用 |
| Q-Sense E4デバイス | Q-Sense AB、ヨーテボリ、スウェーデン | QS-E4 | LOT quantum design で注文 (E4 プラットフォームに付属するソフトウェア) |
| Q-Soft 401 (データ記録) | Q-Sense AB、ヨーテボリ、スウェーデン | ||
| Q-Tools 3 (データ評価とモデリング) | Q-Sense AB、ヨーテボリ、スウェーデン | ||
| QCM-D フローモジュール QFM 401 | Q-Sense AB、ヨーテボリ、スウェーデン | QS-QFM401 | LOT quantum design |
| QSX 303 SiO2圧電ATカットクォーツセンサー | Q-Sense AB、ヨーテボリ、スウェーデン | QS-QSX303 | LOT量子設計で注文 |
| オゾン洗浄室 | Bioforce Nanoscience、エイムズ(IA)、米国 | QS-ESA006 | LOTで注文 量子設計 |
| 原子間力顕微鏡 MFP-3D Bio AFM | Asylum Research、サンタバーバラ(CA)、米国 | MFP-3DBio | AFM測定およびイメージングソフトウェア |
| Asylum Research AFM Software AR Version 120804+1223 | Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA | イメージングソフトウェアがCatに含まれています。いいえ。MFP-3DBio | |
| Igor Version Pro 6.3.2.3 Software | WaveMetrics, Inc., USA--- | イメージングソフト Cat.いいえ。MFP-3DBio | |
| BioHeater | Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA | Bioheater | AFM測定用サンプルヒーター |
| Biolever mini cantilever, BL-AC40TS-C2 | Olympus Germany LLC, ドイツ | BL-AC40TS-C2 | AFM測定用カンチレバー |
| WSxM 5.0 Develop 6.5 (2013) | Nanotec Electronica S.L. , Spain | フリーウェア | AFM解析用ソフトウェア |
| Name | Company | カタログ番号 | コメント |
| 洗剤およびその他の機器 | |||
| 酸性酸、100%、p.A. | カールロスGmbH + CO。KG | 3738.5 | 危険、可燃性、腐食性の液体および蒸気。重度の皮膚や目の損傷を引き起こします。 |
| 消泡剤 204 | Sigma-Aldrich Co., LLC. | A6426 | 泡沫抑制用 |
| ブロモフェノールブルー、ナトリウム塩 | Sigma-Aldrich Co. LLC. | B5525 | --- |
| クーマシーブリリアントブルーR (C45H44N3NaO7S2) | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 3862.1 | |
| ---デオキシリボヌクレアーゼII 豚脾臓由来 | Sigma-Aldrich Co., LLC. | D4138 | Typ IV , 2,000 - 6,000 クニッツ単位/ mgタンパク質 |
| エタノール、95% | VWR、ドイツ | 20827.467 | 危険、可燃性 |
| グリセリン、PA | カールロスGmbH + CO。KG | 3783.1 | --- |
| グアニジン塩酸塩(GuHCl) | CARL ROTH GmbH + CO。KG | 0037.1 | |
| ---Hellmanex III | Hellma GmbH & Co. KG | 9-307-011-4-507 | --- |
| 塩酸 (HCl) (37%) | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 4625.2 | 危険;腐食性、 |
| 鶏卵白のpH調整リゾチーム | Sigma-Aldrich Co. LLC. | L6876 | 凍結乾燥粉末、タンパク質= 90%= 40,000単位/ mgタンパク質(シグマ) |
| 加熱式マグネチックスターラー MR 3000K | Heidolph Instruments GmbH & Co.KG, Germany | 504.10100.00 | 実験中の標準攪拌機 |
| NB-Media DM180 | Mast Diagnostica GmbH | 121800 | --- |
| 硝酸 (HNO3) | CARL ROTH GmbH+CO.KG | HN50.1 | 危険;酸化性、腐食性 |
| PageRuler 未染色タンパク質ラダー | ThermoScientific-Pierce | 26614 | --- |
| ポリ(ナトリウム 4-スチレンスルホンナット) (PSS) | Sigma-Aldrich Co. LLC. | 243051 | 平均 MW ~70,000 |
| ポリエチレン (PEI)、分岐 | Sigma-Aldrich Co. LLC. | 408727 | 警告;有害、刺激性、環境に危険;平均 MW ~25,000 |
| 無水炭酸カリウム (K2CO3) | Sigma-Aldrich Co. LLC. | 60108 | 警告; |
| ウシ膵臓由来の有害なリボヌクレアーゼA | シグマ・アルドリッチ(株) | R5503 | I-AS, 50 - 100 Kunitz units/mg protein |
| アジ化ナトリウム (NaN3) | Merck KGaA | 106688 | 危険; 非常に有毒で環境に危険 |
| 塩化ナトリウム (NaCl) | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 3957.2 | --- |
| ドデシル硫酸ナトリウム(SDS) | Sigma-Aldrich Co., LLC. | L-5750 | 危険性;有毒 |
| 水酸化ナトリウム(NaOH) | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 6771.1 | 危険;腐食性、栽培およびpH調整内のpH調節に使用 |
| Spectra/Por 6, Dialysis membrane, MWCO 50,000 | カールロスGmbH + CO。KG | 1893.1 | --- |
| 硫酸(H2SO4) | CARL ROTH GmbH + CO.KG | HN52.2 | 危険;腐食性、栽培中のpH調節に使用される |
| タンニン酸(C < sub >76< / sub >H < sub >/ 52< / sub >O < sub > 46< / sub>) | Sigma-Aldrich Co. LLC。 | 16201 | --- |
| TRIS HCl (C4H11NO3HCl) | CARL ROTH GmbH+CO.KG | 9090.2 | |
| ---Triton X-100 | ロスGmbH + CO。KG | 3051.3 | 警告;有害、環境に危険 |
| VIVASPIN 500、50,000 MWCO 限外ろ過チューブ | ザルトリウス AG | VS0132 | --- |
| β-メルカプトエタノール | Sigma-Aldrich Co. LLC. | M6250 | 危険、有毒 |
参考文献
- Merroun, M. L., Rossberg, A., Hennig, C., Scheinost, A. C., Selenska-Pobell, S. Spectroscopic characterization of gold nanoparticles formed by cells and S-layer protein of Bacillus sphaericus JG-A12. Mater. Sci. Eng. C. 27 (1), 188-192 (2007).
- Raff, J., Soltmann, U., Matys, S., Selenska-Pobell, S., Bottcher, H., Pompe, W.
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再版と許可
