$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,

Schemat 1. Samoorganizacja dyskotyków na bazie BTA w buforze cytrynianowym w sferyczne agregaty o średnicy około 5 nm, przy milimolowych stężeniach bloku budulcowego. Zwiększenie siły jonowej poprzez dodanie NaCl powoduje powstawanie wydłużonych prętów o średnicy około 3 nm i długości > 25 nm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.
1. Przygotowanie roztworów BTA-Gd(III)DTPA do spektroskopii CD i pomiar widm CD zależnych od temperatury w funkcji stężenia NaCl
- Przygotować 100 mM bufor cytrynianu (pH 6,0).
- Przygotować 100 mM bufor cytrynianowy (pH 6,0) z 2 M NaCl.
- Rozpuścić 0,254 mg BTA-Gd(III)DTPA (MW = 3184 g•mol-1) w 10 ml 100 mM buforu cytrynianowego, stężenie docelowe 8•10-3 mM BTA-Gd(III)DTPA.
- Sonikować roztwór przez 5 minut.
- Napełnić roztworem 1 cm kuwetę UV i zmierzyć widmo CD w zakresie od 230 do 350 nm oraz krzywą chłodzenia CD w paśmie CD o najwyższym natężeniu (np. λ = 269 nm) w zakresie 363 - 283 K z szybkością 1 K min-1.
- Dodać tę samą objętość 2 M roztworu buforowego NaCl do buforowanego roztworu cytrynianowego BTA-Gd(III)DTPA w celu zwiększenia siły jonowej do 1 M NaCl, rozcieńczając dyskotyki do połowy stężenia, docelowe stężenie 4•10-3 mM BTA-Gd(III)DTPA.
- Wirować roztwór o zwiększonej sile jonowej przez 5 minut.
- Ponownie zmierz widmo CD od 230 do 350 nm i krzywą chłodzenia CD w paśmie CD o najwyższym natężeniu od 363 do 283 K z szybkością 1 K min-1.
2. Dopasowywanie danych CD zależnych od T do modelu do samodzielnego montażu zależnego od T
- Nieprzetworzone dane z płyty CD zostały wyeksportowane do Origin 8.5 i znormalizowane. Osiągnięto to poprzez zdefiniowanie efektu CD w najwyższej zmierzonej temperaturze jako równego 0, a efektu CD w najniższej zmierzonej temperaturze jako równego 1. Ponieważ wielkość efektu CD jest proporcjonalna do stopnia agregacji8, znormalizowane krzywe CD są proporcjonalne do stopnia agregacji.
- Znormalizowane dane zostały dopasowane przy użyciu opcji dopasowania krzywej nieliniowej w OriginPro 8.5 przy użyciu modelu samomontażu zależnego od T uzyskanego przez van der Schoota8,9. W tym modelu wyróżnia się reżim zarodkowania i wydłużenia. Najpierw dopasowano stopień agregacji w reżimie wydłużenia (T < Te), stosując następujące równanie:

Powyższe równanie zawiera (obok zmiennej temperatury, T i stopnia skupienia, Φn) trzy parametry; tj. entalpia wydłużenia he, temperatura wydłużenia Te (temperatura, w której rozpoczyna się samoorganizacja) oraz parametr ΦSAT, który wprowadza się w celu zapewnienia, że Φn/ΦSAT nie przekracza jedności, co wynika z ograniczenia, że stopień agregacji nie może przekraczać jedności.
Dopasowanie renderuje entalpię wydłużenia he (J/mol) i temperaturę wydłużenia Te (K), które charakteryzują samoorganizację cząsteczek dla danego stężenia. Podczas montażu należy przestrzegać jednego utwierdzenia, zgodnie z którym należy zamontować tylko stopień agregacji w temperaturach poniżej Te e, ponieważ równanie 2.1 obowiązuje tylko w reżimie wydłużenia.
Następnie, eksperymentalnie znaleziony stopień agregacji w reżimie zarodkowania może być dopasowany, używając następującego równania:

Powyższe równanie zawiera (obok zmiennych T i Φn) cztery parametry, z których już trzy zostały wyznaczone równaniem 2.1; tj. entalpia wydłużenia he, temperatura wydłużenia Te i parametr ΦSAT. Jedynym nieznanym parametrem jest wartość Ka - opisująca kooperatywność fazy zarodkowania - którą można znaleźć poprzez dopasowanie eksperymentalnie znalezionego stopnia agregacji dla temperatur powyżej Te.
3. Przygotowanie roztworów BTA-Gd(III)DTPA do transmisyjnej mikroskopii elektronowej i wizualizacji polimerów supramolekularnych za pomocą kriogenicznego TEM
- Przygotować dwa: 100 mM bufor cytrynianowy (pH 6,0) i 100 mM bufor cytrynianowy (pH 6,0) z 5 M NaCl.
- Rozpuścić 0,318 mg BTA-Gd(III)DTPA (MW = 3184 g•mol-1) w 0,1 ml każdego z przygotowanych, docelowe stężenie 1 mM BTA-Gd(III)DTPA.
- Witryfikacja próbki do kriogenicznego TEM odbywa się za pomocą zautomatyzowanego robota do witryfikacji (FEI Vitrobot Mark III). Siatki CryoTEM (kratki R2/2 Quantifoil Jena firmy Quantifoil Micro Tools GmbH) są poddawane obróbce plazmowej powierzchni przed zabiegiem witryfikacji za pomocą powlekarki węglowej Cressington 208 pracującej pod ciśnieniem 5 mA przez 40 s. Roztwór wodny jest następnie nakładany na siatkę podczas witryfikacji na zautomatyzowanym robotze FEI Vitrobot. Polega to na nałożeniu próbki na siatkę, osuszeniu nadmiaru cieczy w celu wytworzenia cienkiej warstwy roztworu wodnego na siatce, a następnie witryfikacji poprzez bardzo szybkie zanurzenie siatki w ciekłym etanie. Po zeszkleniu próbka jest utrzymywana w ciekłym azocie i przenoszona ręcznie na kasetę automatycznego podajnika, również chłodzoną ciekłym azotem. Kaseta jest następnie wkładana do automatycznego podajnika TEM. Wszystko to odbywa się ręcznie.
- Eksperymenty cryoTEM są przeprowadzane na TU/e cryoTITAN (FEI), (www.cryotem.nl). TU/e cryoTITAN jest wyposażony w polowy pistolet emisyjny (FEG) pracujący pod napięciem 300 kV. Obrazy zostały zarejestrowane za pomocą kamery CCD 2k x 2k Gatan wyposażonej w kolumnowy filtr energii Gatan Energy Filter (GIF).
4. 1H-DOSY NMR Pomiary sferycznych samoorganizujących się BTA-Gd(III)DTPA przy niskiej sile jonowej
- Przygotować 50 mM d 6-bursztynianowy bufor w D2O ("pH 6,0"); bufor przygotowuje się przez rozpuszczenie kwasu d 6-bursztynowego w D2O, a następnie dostosowanie pH do 6,0 przy użyciu 1 M ND4OD w D 2 O. Końcowe stężenie bursztynianu 50 mM dostosowano za pomocą dodatkowegoD2O.
- Ponieważ Gd(III) jest wysoce paramagnetyczny i sygnały 1H zostałyby w związku z tym znacznie rozszerzone, Gd(III) został zastąpiony przez Y(III).
- Rozpuścić 2,98 mg BTA-Y(III)DTPA (MW = 2979 g•mol-1) w 1 ml 50 mM buforu 6-bursztynianowego w D2O ("pH 6,0"), stężenie docelowe 1 mM BTA-Y(III)DTPA.
- Pomiary 1H-DOSY NMR wykonywane są na spektrometrze Varian Unity Inova 500 wyposażonym w sondę ID-PFG 5 mm firmy Varian. Eksperymenty DOSY przeprowadzono przy użyciu jednostrzałowej sekwencji impulsowej DOSY (Doneshot, Varian). Czasy pulsacji i mieszania 90 stopni zostały odpowiednio dostosowane. Przesunięcia chemiczne odniesiono za pomocą przesunięcia chemicznego soli sodowej kwasu 3-(trimetylosililo)propiono-2,2,3,3-[D4] kwaśnej soli sodowej (TMSP).
- Do kalibracji pomiarów wykorzystano samodyfuzję HDO; z piśmiennictwa wiadomo, że samodyfuzja HDO w D2O w temperaturze 298 K wynosi 19,0 × 10-9 m2•s-1. Jako odniesienie, samodyfuzję HDO w D2O zmierzono w próbce wzorcowej VARIAN 2 Hz D2O i skalibrowano do jej wartości wzorcowej. Modelem używanym do obliczania promieni hydrodynamicznych RH agregatów jest zależność Stokesa-Einsteina dla dyfuzji cząstki sferycznej.
5. Reprezentatywne wyniki
1Pomiary H-DOSY NMR i SAXS na BTA-M(III)-DTPA: obiekty sferyczne w buforze cytrynianowym
Jonowy charakter obwodowych kompleksów Gd(III) wprowadza frustrację w jednowymiarowym wzroście dyskotycznych monomerów, których rdzeń jest przeznaczony do polimeryzacji w wydłużone agregaty przypominające pręciki. Równowaga pomiędzy oddziaływaniami przyciągającymi i odpychającymi steruje wielkością i kształtem agregatów (Schemat 2).

Schemat 2.
Potężną techniką określania wielkości i kształtu cząstek w roztworze jest rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego o małym kącie nachylenia ze źródła synchrotronowego (SAXS). BTA-Gd(III)-DTPA rozpuszczono w roztworze buforowym cytrynianu, a profile SAXS zarejestrowano i dopasowano w zakresie 0,01 < q < 0,1 A-1. Nachylenie zbliżające się do zera w obszarze low-q (q < 0,06 A-1) wskazuje na brak anizotropii kształtu w agregacie, co sugeruje obecność obiektów sferycznych (Rysunek 1). Dane mierzone przy różnych stężeniach zostały dopasowane przy użyciu jednorodnego monodyspersyjnego współczynnika sferycznego, co doprowadziło do obliczonego promienia R wynoszącego 3,2 nm. Obliczony promień geometryczny monomerycznej dyskotyki BTA-Gd(III)-DTPA wynosi 3,0 nm, co sugeruje obecność agregatów o współczynniku kształtu bliskim 1.

Rysunek 1. Profile SAXS dla BTA-Gd(III)-DTPA w buforze cytrynianowym (100 mM, pH 6) przy 0,5 i 1,0 mM (u góry). DOSY NMR BTA-Y(III)-DTPA w 50 mM d buforze 6-bursztynianowym przy 1,0 mM (na dole). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.
Aby dostarczyć dalszych dowodów na sferyczny kształt i nanometrowy rozmiar samoskładających się obiektów, przeprowadziliśmy spektroskopię NMR z dyfuzją 1H (1H-DOSY NMR) (rysunek 1). DOSY-NMR pozwala na wyznaczenie współczynników dyfuzji kruszyw, na podstawie których można obliczyć promień hydrodynamiczny (RH). Ponieważ Gd(III) jest wysoce paramagnetyczny i w związku z tym sygnały 1H zostałyby znacznie poszerzone, zmieniliśmy Gd(III) na diamagnetyczne Y(III). Określono współczynniki dyfuzji zagregowanego diamagnetycznego amfifilu dyskotycznego w deuterowanym buforze bursztynianowym (50 mM, pH 6, c = 1 mM) na 0,69x10-10m2 s-1. Za pomocą relacji Stokesa-Einsteina obliczamy promień hydrodynamiczny RH wynoszący 2,9 nm dla dyskretnych obiektów o rozmiarach sferycznych (tabela 1). Wielkość ta jest doskonale zgodna z wartością uzyskaną z danych SAXS dla BTA-Gd(III)-DTPA.
BTA-M(III)-DTPA
[mM]
D
t a
[
10-10 m
2 s-1]
R
H a
[nm]
R
b
[nm]
1
0,69 pkt.
2.9
3.2
a z DOSY; b z SAXS
Tabela 1. Wyniki pomiarów SAXS i DOSY dla BTA-M(III)-DTPA.
Cryo-TEM na BTA-Gd(III)-DTPA: od obiektów sferycznych do wydłużonych nanoprętów
Dalsze dowody na skuteczną kontrolę nad jednowymiarową długością stosu uzyskano z mikrofotografii cryo-TEM. Ze względu na witryfikację roztworów wodnych, kriogeniczny TEM zachowuje morfologię strukturalną samoorganizujących się agregatów i pozwala uniknąć skutków wysuszenia związanych z konwencjonalnym przygotowaniem próbek TEM. Rysunek 2 (po lewej) pokazuje, że BTA-Gd(III)-DTPA wytwarza oczekiwane obiekty sferyczne o średnicach bliskich 6 nm przy stężeniu 1 mM, co potwierdza wyniki pomiarów SAXS i DOSY. Zgodnie z tymi odkryciami udało nam się uzyskać samoorganizujące się dyskretne obiekty, które można uznać za supramolekularne odpowiedniki makrocząsteczek dendrytycznych10.

Rysunek 2. Obrazy Cryo-TEM dla BTA-Gd(III)-DTPA (po lewej) 1 mM zeszklony w 298 K w buforze cytrynianowym (100 mM, pH 6), podziałka odpowiada 50 nm; (po prawej) 1 mM zeszklony w 298 K w buforze cytrynianowym (100 mM, pH 6) i ogólne stężenie NaCl 5 M, podziałka reprezentuje 50 nm.
Do tej pory pracowaliśmy tylko w roztworach buforowych o niskiej sile jonowej. Jeśli jednak elektrostatyczne siły odpychające obwodowo naładowanych kompleksów M(III)-DTPA na BTA-Gd(III)-DTPA są przyczyną sfrustrowanego jednowymiarowego wzrostu, spodziewaliśmy się, że zwiększenie siły jonowej buforowanego środowiska, przy użyciu obojętnej soli 1:1 z wysoce uwodnionymi przeciwjonami, powinno zmniejszyć oddziaływania elektrostatyczne, a zatem powinien powstać inny typ samoorganizującego się obiektu. W buforze cytrynianowym zawierającym 5 M NaCl efekt ten rzeczywiście zaobserwowano (ryc. 2, po prawej). Tworzenie się pręcikowatych polimerów supramolekularnych o wysokim współczynniku kształtu jest wyraźnie obserwowane na mikrofotografiach cryo-TEM przy wysokiej sile jonowej. Badania elektrostatyczne są najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego odkrycia. Kształt zmienia się z kulistego agregatu o średnicy około 6 nm na wydłużone pręty o średnicy 6 nm i długości do kilkuset nanometrów.
Pomiary CD TTA-GD(III)-DTPA: włączenie kooperatywnego samomontażu poprzez zwiększenie siły jonowej
Spektroskopia dichroizmu kołowego (CD) mierzy różnicę w absorpcji między lewoskrętnym i prawoskrętnym światłem spolaryzowanym kołowo. Gdy obiekt spiralny ma preferowany zmysł spiralny, lewoskrętne i prawoskrętne światło spolaryzowane kołowo będzie pochłaniane w różnym stopniu, powodując w ten sposób efekt CD. Ponieważ międzycząsteczkowe wiązania wodorowe utworzone między kolejnymi BTA-Gd(III)-DTPA w agregatach są ustawione w sposób spiralny, a stereogeniczne centrum w ugrupowaniu L-fenyloalaniny faworyzuje jeden spiralny sens nad drugim, spodziewamy się wyraźnego widma CD z agregatów opartych na BTA-Gd(III)-DTPA11,12. Ponadto spektroskopia CD zależna od temperatury jest potężnym narzędziem do oceny mechanizmu samoorganizacji polimeryzacji BTA-Gd(III)-DTPA i pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat stabilności formowanych agregatów13.
Na przykład, widma CD w temperaturze pokojowej BTA-Gd(III)-DTPA (8x10-3 mM lub 4x10-3 mM w buforze cytrynianowym 100 mM) wraz ze wzrostem stężenia soli (0 M NaCl do 1,0 M NaCl) są podane na rysunku 3A. Chociaż do pomiarów CD stosuje się znacznie niższe stężenie, wyraźny efekt bawełny wskazuje na obecność nienaruszonych agregatów, nawet przy stężeniach mikromolowych. Kształt widma CD zmienia się wraz ze wzrostem stężenia soli, co jest dobrym wskaźnikiem dla zmniejszenia oddziaływań na obrzeżach stosów i lepszego upakowania dyskotyki. Ponadto krzywe chłodzenia CD tych samych roztworów (363 - 283 K, mierzone przy λ = 269 lub 278 nm) wykazują wyraźne różnice w kształcie (rysunek 3B). Pozorna Te - temperatura, w której rozpoczyna się agregacja - przesuwa się do wyższych temperatur przy wyższym stężeniu soli i staje się widoczny coraz bardziej kooperatywny mechanizm, charakteryzujący się bardziej gwałtownym wzrostem efektu CD. Podczas gdy krzywa chłodzenia przy 0 M NaCl jest najlepiej opisana przez izodesmiczny proces samoorganizacji, krzywa chłodzenia przy 1,0 M NaCl jest typowa dla kooperatywnego procesu samoorganizacji 14. W pierwszym przypadku zakłada się, że wszystkie stałe asocjacyjne są równe, podczas gdy w drugim przypadku samoorganizacja zachodzi w co najmniej dwóch odrębnych etapach. W pierwszym kroku musi powstać "jądro", które jest energetycznie wysoce niekorzystne. Po schłodzeniu poniżej krytycznej temperatury polimeryzacji następuje wydłużenie i wykładniczy wzrost do polimerów supramolekularnych o dużej masie cząsteczkowej. Kwantyfikacja parametrów termodynamicznych samoorganizacji BTA-Gd(III)-DTPA przy 0 i 1 M NaCl przy użyciu modelu kooperatywnego wyraźnie ujawnia spadek Kña, która jest bezwymiarową stałą aktywacji8. Niższe wartości Ka wskazują na wyższy stopień kooperatywności w procesie samoorganizacji, który wyraża się w tworzeniu wysoce wydłużonych polimerów supramolekularnych, co obserwuje się w cryo-TEM.
BTA-Gd(III)-DTPA
C
NaCl
K
a
8 x
10-3 mM
0 mln
5
10-2
4 x
10-3 mM
1 mln
1
10-4
Tabela 2. Stopień kooperatywności wyrażony przez Ka w zależnej od temperatury samoorganizacji BTA-Gd(III)-DTPA w funkcji stężenia NaCl (CNaCl).

Rysunek 3. BTA-Gd(III)-DTPA w buforze cytrynianu o stężeniu 100 mM (c = 8 x10-3 mM przy niskiej sile jonowej i 4 x10-3 mM przy wysokiej sile jonowej) A] widma CD zarejestrowane w temperaturze 293 K w funkcji siły jonowej, cNaCl = 0 M - 1,0 M, eliptyczność molową Δε oblicza się w następujący sposób: Δε = efekt CD/(cxl), w którym c jest stężeniem BTA w molu L-1, a l jest długością drogi optycznej w cm; B] Odpowiednie krzywe chłodzenia CD mierzone przy λ = 269 nm dla 0 M NaCl i 278 nm dla 1 M roztworów NaCl wyrażone jako stopień agregacji Φn w funkcji stężeniaNaCl c NaCl = 0 M - 1,0 M, Φn oblicza się, dzieląc zmierzony efekt CD przez maksymalny efekt CD.