Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

תובנה לתוך האינטראקציות של חומצות אמינו פפטידים עם חומרים אורגניים באמצעות ספקטרוסקופיית חיל מולקולה בודדת

Published: March 6, 2017 doi: 10.3791/54975
Automatic Translation
1, 1, 1
1Institute of Chemistry and The Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem

Summary

כאן אנו מציגים פרוטוקול למדוד את הכח של אינטראקציות בין משטח אורגני מוגדר היטב או פפטידים או חומצות אמינו על ידי מדידות ספקטרוסקופיה כוח מולקולה בודדת באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). המידע המתקבל מהמדידה חשוב להבין טוב יותר את שלבי חומר פפטיד-אורגנית.

Abstract

האינטראקציות בין חלבונים או פפטידים וחומרים אורגניים להוביל כמה תהליכים מעניינים. לדוגמה, שילוב חלבונים עם מינרלים מוביל להיווצרות של חומרים מרוכבים עם מאפיינים ייחודיים. בנוסף, תהליך בלתי רצוי של biofouling הוא שיזם ספיחה של מולקולות ביולוגיות, בעיקר חלבונים, על משטחים. שכבה אורגנית זוהי שכבת הדבקה לחיידקים ומאפשרת להם לקיים אינטראקציה עם פני השטח. הבנת כוחות היסוד השולטים אינטראקציות בממשק האורגני-אורגני לכן חשובה בתחומים רבים של מחקר עלול להוביל העיצוב של חומרים חדשים עבור יישומים אופטיים, מכאניים ביו. מסמך זה מדגים טכניקת ספקטרוסקופיה כוח מולקולה בודדת כי מנצלת AFM למדוד את כוח ההדבקה בין אם פפטידים או חומצות אמינו ומשטחים אורגניים מוגדרים היטב. טכניקה זו כרוכה פרוטוקול הצמדת biomolecule אל AFMלהטות באמצעות מקשר קוולנטי גמיש ומדידות ספקטרוסקופיה כוח מולקולה בודדת על ידי מיקרוסקופ כוח אטומי. בנוסף, ניתוח מדידות אלה כלול.

Introduction

האינטראקציה בין חלבונים ומינרלים אורגניים מובילה לבניית חומרים מרוכבים בעלי תכונות ייחודיות. זה כולל חומרים בעלי חוזק מכני גבוה או תכונות אופטיות ייחודיות. 1, 2 לדוגמה, שילוב של קולגן חלבון עם hydroxyapatite מינרליים מייצר או עצמות רכות או קשות עבור פונקציות שונות. 3 פפטידים קצרים יכול גם לאגד חומרים אורגניים עם סגוליות גבוהות. 4, 5, 6 הספציפיות של פפטידים אלה נעשה שימוש לעיצוב חומרים מגנטיים וחשמליים, 7, 8, 9 בודת חומרי nanostructured, גדל גבישים, חלקיקים 10 וסינתזה. 11 הבנת המנגנון שבבסיס יחסי גומלין בין פפטידים או חלבונים וחומרים אורגניים ולכן יהיה לאפשר לנו לתכנן חומרים מרוכבים חדשים בעלי תכונות ספיחה משופרות. בנוסף, מאז שלבי ביניים של שתלים עם תגובה חיסונית מתווכים על ידי חלבונים, הבנה טובה יותר של האינטראקציות של חלבונים עם חומרים אורגניים תשפר את יכולתנו לעצב שתלים. תחום חשוב נוסף כרוך חלבוני אינטראקציה עם משטחים אורגניים הוא הייצור של חומרי antifouling. 12, 13, 14, 15 Biofouling היא תהליך בלתי רצוי שבו אורגניזמים לצרף משטח. יש לה השלכות מזיקות רבות על חיינו. לדוגמא, biofouling של חיידקים על ומכשירים רפואיים גורר בעקבותיו זיהומי רכשה חולים. Biofouling של יצורים ימיים על סירות וספינות גדולות מגדיל את צריכת הדלק. 12, 16, 17, 18

ספקטרוסקופיה כוח מולקולה בודדת (SMFS), באמצעות AFM, יכולה למדוד את האינטראקציות ישירות בין חומצת אמינו או פפטיד עם מצע. 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 שיטות אחרות כגון תצוגה הפאג, 27, 28 microbalance קריסטל קוורץ (QCM) 29 או תהודה plasmon פני השטח (SPR) 29, 30, 31, 32,נ"צ "> 33 מדד יחסי הגומלין של פפטידים וחלבונים למשטחים אורגניים בתפזורת. 34, 35, 36 משמעות הדבר היא כי התוצאות שהושגו על ידי שיטות אלה מתייחסים הרכבים של מולקולות או אגרגטים. בשנת SMFS, אחד או מעט מאוד מולקולות שתוקנו על קצה AFM ויחסי הגומלין שלהם עם המצע הרצוי נמדד. גישה זו ניתן להרחיב ללמוד קיפול חלבונים על ידי משיכת חלבון מפני השטח. בנוסף, ניתן להשתמש בו כדי למדוד אינטראקציות בין תאים וחלבונים הכריכה של נוגדנים הליגנדים שלהם. 37, 38, 39, 40 מאמר זה מתאר בפירוט כיצד לצרף פפטידים או או חומצות אמינו אל קצה AFM באמצעות כימית silanol. בנוסף, העיתון מסביר כיצד לבצע מדידות כוח וכיצד לנתח אתתוצאות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. שינוי טיפ

  1. סיליקון ניטריד רכש (Si 3 N 4) cantilevers AFM עם טיפים סיליקון (רדיוס שלוחה הנומינלי של ~ 2 ננומטר).
  2. נקו כל שלוחה AFM על ידי טבילה באתנול נטול מים במשך 20 דקות. יבש בטמפרטורת החדר. ואז לטפל cantilevers על ידי חשיפת אותם פלזמה O 2 למשך 5 דקות.
  3. להשעות את הטיפים נקי מעל (3 ס"מ) א methyltriethoxysilane תמיסה המכילה ו 3- (aminopropyl) triethoxysilane על יחס של 15: 1 (V / V) ייבוש תחת אווירה אינרטי (או חנקן או ארגון) ולחבר את ייבוש משאבת ואקום. אבק עבור 2 שעות כדי ליצור בשכבה של שני סוגים אלה של תרכובות silane מעורבות.
  4. השתמש בעל קצה מתכתי (מפוברק לתהליך זה) להציב את הטיפים על פלטה חשמלית. לאחר מכן לייבש את הטיפים במשך 10 דקות ב 70 מעלות צלזיוס בתנאים אטמוספריים. לפני השימוש, לנקות את הכיריים, בעל מתכתי פינצטה באמצעות אתנול.
  5. מצננים את ועצות חדר temperature, ולאחר מכן לטבול את הטיפים לתוך תמיסה של Fluorenylmethyloxycarbonyl-PEG-N-hydroxysuccinimide (Fmoc-PEG-NHS, MW 5,000 Da) בריכוז של 5 מ"מ כלורופורם המכיל 0.5% (v / v) triethylamine עבור 1 שעות ב טמפרטורת חדר.
  6. טובלים את קצות כלורופורם במשך 5 דקות ולאחר מכן לטבול אותו dimethylformamide (DMF) במשך 5 דקות נוספות. כדי deprotect קבוצת Fmoc של מולקולות PEG המצורפות, לטבול את העצות 20% piperidine (v / v) ב DMF למשך 30 דקות. טובלים את הטיפים DMF למשך 4 דקות ולאחר מכן ב N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) עבור 4 דקות נוספות. חזור על רציפי טבילת שלוש פעמים.
  7. עבור צימוד של חומצות אמינו, לטבול את קצות לתוך תמיסה המכילה N-terminal חומצת אמינו מוגנים (AA) / diisopropylethylamine (DIPEA) / 2- (1H-benzotriazol-1-י.ל) -1,1,3,3-tetramethyluronium hexafluophosphate (HBTU), על יחס טוחנת של 1: 1: 1 בריכוז כולל של 30 מ"מ ב 5 מ"ל NMP עבור 1.5 שעות.
  8. עבור צימוד פפטיד, לטבול את קצות לתוך המשך פתרון 5 מ"לaining 40 מ"ג של הפפטיד מוגן (רשתות מסוף וצד N, למשל Fmoc-GLN (TRT) -Pro-עלא-סר (TBU) -Ser (TBU) -Arg (PBF) -Tyr (TBU) -COOH.) , 15 מ"ג 2- (1H-benzotriazol-1-י.ל) -1,1,3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HBTU), ו -5 מ"ל של DIPEA בתמ"א עבור 2 שעות.
  9. טובל את הקצוות בתמ"א למשך 4 דקות. לאחר מכן, כדי להגן על חינם / unreacted NH 2 קודחות ידי קבוצת אצטיל, לטבול את קצות למשך 30 דקות בתערובת של אצטית אנהידריד / DIPEA ביחס טוחנת 4: 1 ו ריכוז כולל של 0.65 M בתמ"א.
  10. עבור צימוד פפטיד, לבצע שני צעדים נוספים.
    1. כדי deprotect הרשתות בצד של הפפטיד, לטבול את קצות לתוך תמיסה המכילה 95% TFA, 2.5% triisopropylsilane, ומים 2.5% במשך שעה 1, ולאחר מכן לשטוף עם כלורופורם DMF.
    2. כדי להסיר את הקבוצה Fmoc של הפפטיד, לטבול את קצות לתוך 20% piperidine (v / v) ב DMF למשך 30 דקות.
  11. ברצף טובלים את הפפטיד / חומצת אמינו-functionalizeטיפים ד במשך ארבע דקות כל אחד ב DMF (פפטידים) או תמ"א (עבור חומצות אמינו), כלורופורם, 50% אתנול ומים. לבסוף לייבש את הקצה באוויר.

הכנת פני שטח 2.

  1. כן תציץ. קליב מצעים (בקוטר 9.9 מ"מ) לפני כל שימוש באמצעות נייר דבק. לאחר מכן, לשטוף את המשטחים עם מים מזוקקים משולשים (TDW).
  2. כן Tio 2 סיליקון מצופה.
    1. חותכים את פרוסות סיליקון (100) לתוך 2 ריבועים ס"מ באמצעות עט היהלומים.
    2. מניח את המצע במבחנת 15 מיליליטר מלא אצטון sonicate זה במשך חמש דקות באמבטיה קולית. ואז, במקום משטח זה במבחנה 15 מיליליטר מלא isopropanol ו sonicate זה במשך 5 דקות. לייבש את המצע באמצעות חנקן.
    3. ממיסים את פעילי שטח (למשל, ביק-348) באתנול להכין פתרון 5% (משקל / נפח). לאחר מכן, להוסיף 0.02 מ"ל של הפתרון פעילי שטח כדי פיזור 2 מ"ל של 30% Tio 2.
    4. מתוך הפתרון שהתקבל, ירידה יצוקה 0.2 מ"ל על מצע Si נקי.
    5. לחשל משטחים אלה-casted ירידה ב 250 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות באוויר. 41

3. מדידות ספקטרוסקופיה חיל מולקולה בודדת

  1. צרף פני השטח הרצוי לבעל המתכתי של AFM עם דבק דו רכיבי זמינים מסחרית. מניח את בעל מתכתי בעל הזכוכית של AFM, אשר מעוצב כמו צלחת פטרי קטנה. מלאו בעל זה עם טריס חיץ (50 מ"מ pH = 7.4) או בכל מדיום הרצוי. ואז, במקום בעל על הבמה AFM מתחת בעל קצה.
  2. כייל את cantilevers AFM עם קבועי קפיץ הנעים בין 10 ל 30 pN / ננומטר בשיטת תנודות תרמיות 26 (כלולה בתוכנת AFM) עם חוסר ודאות מוחלט של כ -10%.
  3. מדוד את הכח של האינטראקציה על ידי פניית החומצות אמיניות או הקצה פונקציונלי-פפטיד למצע עד שהוא נמצא בקשר עם המצע עם דחיסהכוח של ~ 200 pN ומיד לחזור קצה במהירויות שונות, בין 0.1 כדי 0.8 מיקרומטר / s, למרחק של ~ 200 ננומטר.

ניתוח 4. נתונים

  1. המר את ערכי הסטייה (V) לכפות על ידי הכפלת רגישות photodiode (V / m) ושימוש קבוע הקפיץ נקבע באופן ניסיוני. 42 זה נעשה באופן אוטומטי על ידי תוכנת AFM.
    1. כדי להשיג עקומות FD עם אירועי מולקולה אחת אחת, שיא כמה מאות עקומות (800-1,500). השג שני שיאים עקומי מולקולה בודדת: השיא הראשון מציין אינטראקציות ספציפיות בין העצה לבין המשטח, מקבילת השיא השנייה של האינטראקציה הספציפית של המולקולה עם המשטח. כאשר, עקומת FD להכיל יותר משתי הפסגות האלה, וזורקים אותם מן החישוב של הכח הסביר ביותר.
      הערה: אירועי הידבקות אחת בלבד נלקחים בחשבון (בין 10 ל 30% של העקומות). 43
    2. 44 רק לפני הקרע על מנת להשיג מגוון של שיעורי הטעינה, אשר משמשים להכנת היסטוגרמות של שיעורי ההעמסה לכאורה. לגזור את כוחות unbinding בין חומצות פפטידים / אמינו השטח מן הקפיצה בתוקף לאחר שנפרד השלוחה מן המצע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 מציג את הליך שינוי הקצה. בשלב הראשון, טיפול פלזמה משנה את פני השטח של קצה סיליקון ניטריד. הטיפ מציג קבוצות OH. קבוצות אלו מכן תגבנה עם silanes. בסוף שלב זה, פני השטח של קצה יכוסו על ידי -NH 2 קבוצות בחינם. אמינים חינם אלה אז יגיבו עם Fmoc -PEG-NHS, מקשר קוולנטי. קבוצת Fmoc של מקשר PEG הוסרה על ידי pipyridine, ריאגנט deprotecting. לבסוף, מולקולת הפפטיד או חומצת אמינו בחן מצמידים דרך קבוצת אמינית החופשית של PEG באמצעות HBTU מגיב צימוד.

עם קצה AFM השונה אפשר לבחון את יחסי הגומלין של חומצת אמינו או הפפטיד עם המשטח (איור 2). מולקולת PEG מפריד בין החומצה פפטיד או אמינו מהקצה ומאפשרת להם להתמצא בחופשיות. צפחות ​​כוח טיפוסיות תוצאות rement בעיקול למרחקי חיל (איור 3). יש עקומה זו נקודת מאפיין הפרדת הקצה מפני השטח, ואירוע הידבקות מולקולה בודד. השיא הראשון מציין אינטראקציות ספציפיות בין העצה לבין משטח ואת השיא השני מתייחס לאירוע ההידבקות הספציפי. מכמה מאות עקומות FD אפשר לבנות היסטוגרמה ידי התוויית במספר האירועים הידבקות מול כוח. החלה בכושר גאוס על היסטוגרמות אלה שתקבע את הכח הסביר ביותר (MPF).

איור 1
איור 1: הליך שינוי טיפ. ייצוג סכמטי של השינוי הכימי של קצה AFM. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

FO: keep-together.within-page = "1"> איור 2
איור 2: SMFS התקנה ניסיונית. איור סכמטי של התקנת ספקטרוסקופיה כוח המולקולה הבודדה למדידת האינטראקציות בין חומצות אמינו או פפטידים משטח רצוי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: Curve למרחקי חיל. עקומות FD מולקולה בודדת אופיינית עבור הקרע של (א) הפפטיד GLN-פרו-עלא-שירו-שירו-Arg-Tyr ממשטח נציץ, ו (ב) פנילאלנין חומצת אמינו ממשטח 2 Tio. אנא CLICK כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: היסטוגרמות עלילת החיל הסביר ביותר (MPF) ואת גרפי עלילת Vs. הכח קצב הטעינה. היסטוגרמות אופיינית של ערכי כוח קרע של (א) הפפטיד GLN-פרו-עלא-שירו-שירו-Arg-Tyr מ נציץ (בקצב הטעינה של 3.1 ± 0.6 s ננ / (N = 7 8)), (B ) את פנילאלנין חומצת אמינו מ 2 טיו (ב קצב הטעינה של 4.2 ± 0.7 ננ / s (N = 79)). הכח הסביר ביותר (MPF) הערך חושב על בסיס התאמת גאוס (הקווים השחורים). התלות טוען ממדרגה לכוחות הקרע (C) הפפטיד GLN-פרו-עלא-שירו-שירו-Arg-Tyr ו (ד) את פנילאלנין חומצת אמינו. הפרמטרים הקינטית היו אקסטרפולציה מן העלילה ליניארית של הכח מול הלוגריתם של r הטעינה לכאורהאכלתי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שלבי 1.3, 1.4 ו -1.7 בפרוטוקול צריכות להתבצע בזהירות נרחבת ובאופן מאוד עדין. בשלב 1.3, קצה צריך לא להיות בקשר עם תערובת silane ותהליך silanization צריכה להתבצע באווירה אינרטי (לחות חינם). 45 הדבר נעשה על מנת למנוע היווצרות multilayer ובגלל מולקולות silane לעבור הידרוליזה בקלות בנוכחות של לחות. 45

בשלב 1.4, הטמפרטורה והזמן צריכים להישמר כראוי. לפני שתתחיל לבצע את השלב 1.5, הקצה צריך להיות מקורר לטמפרטורת חדר; אחרת זה יהיה פגום. בשלב צימוד (1.7), את HBTU ואת חומצת אמינו נבדקו ולא פפטיד צריך להיות נמס לגמרי בתערובת. לאחר צימוד, שטיפת טיפ עם ממסים שונים צריך להיעשות בצורה עדינה מאוד, כדי למנוע כל נזק קצה.

הטכניקה המדווחת עשויה להיות Applמטען לכל חומצה פפטיד או אמינו. כדי לשנות את קצה סיליקון, אנו משתמשים silanes. זהו כימיה כללית אשר ניתן לשנות. לדוגמה, אפשר להשתמש גם סוג שני או אחד silane PEGylated לשנות קצה. 23, 25, 26 אם הקצה עשוי זהב, אז קבוצות תיאול יכולות לשמש עבור השינוי של הקצה. פרוטוקולים אלטרנטיביים לנצל nitrilotriacetate (נ.ת.ע) -terminated linkers, מסוגל למקד היסטידין, יחד עם חלבונים היסטידין מתויג רקומביננטי. לאחרונה, Lyubchenko et al. תאר את הסינתזה ובחינה של מקשר פולימר רומן והראה כיצד אפשר ליישם שלה בכמה ניסויי SMFS. הסינתזה של המקשר מבוסס על הכימיה המפותחת phosphoramidate (PA). כימיה זה מאפשרת סינתזת שגרת linkers עם אורכים מראש ורכב הרשות. linkers אלה הם הומוגניים באורך וניתן לסיימם קבוצות פונקציונליות שונות.יתר על כן, ביומולקולות ניתן לעגן על מצעים זהב או טיפים באמצעות קבוצות תיאול יליד או מהונדסים כמו קשרים קוולנטיים טופס זהב עם אטומי גופרית.

שיטה זו מאפשרת מדידה כמותית והמפורטת של הכח הדרוש כדי שיבטל את הקישור של מולקולה ממשטח ברמת המולקולה הבודדה ולא בתפזורת. יישומים עתידיים של הטכניקה לכלול את הקובץ המצורף של חלבונים אל קצה ואת העיצוב של חומרים היברידיים חדשים. העיצוב והפיתוח של חומרים מרוכבים חדשים ומשטחים פונקציונליים ייהנו קבלת הבנה בסיסית של האינטראקציות בין חלבונים או פפטידים עם חומרים אורגניים. פרוטוקול המסופקים כאן SMFS עם AFM יכול לשמש ככלי רב עוצמה לחקר אינטראקציות בין חלבונים, פפטידים וחומצות אמינו עם משטחים שונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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) For Silaylation of the AFM tip
Triisopropylsilane Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel) Used for peptide deprotection
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 Fmoc deprotection
Fluorenylmethyloxycarbonyl-PEG-N-hydroxysuccinimide  (Fmoc-PEG-NHS) Iris Biotech GmbH (Deutschland, Germany) Used as the covalent flexible linker  (MW = 5,000 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
Chloroform Bio-Lab (Jerusalem, Israel) Used as Solvent in Tip modification procedure
Ethanol (Anhydrous) Gadot (Netanya, Israel) 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). Used for TiO2 substrate preparation
Mica substrates TED PELLA, INC. (Redding, California, USA) 9.9 mm diameter

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Addadi, L., Weiner, S. Control and design principles in biological mineralization. Angew. Chem., Int. Ed. 31 (2), 153-169 (1992).
  2. 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).
  3. Villee, C. A. J. Book Review. Engl. J. Med. 309 (4), 247-248 (1983).
  4. Vallee, A., Humblot, V., Pradier, C. -M. Peptide interactions with metal and oxide surfaces. Acc. Chem. Res. 43 (10), 1297-1306 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Sarikaya, M., Tamerler, C., Jen, A. K. Y., Schulten, K., Baneyx, F. Molecular biomimetics: Nanotechnology through biology. Nat. Mater. 2 (9), 577-585 (2003).
  8. Tamerler, C., Sarikaya, M. Molecular biomimetics: Utilizing nature's molecular ways in practical engineering. Acta Biomater. 3 (3), 289-299 (2007).
  9. Seker, U. O. S., Demir, H. V. Material binding peptides for nanotechnology. Molecules. 16 (2), 1426-1451 (2011).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Burg, K. J. L., Porter, S., Kellam, J. F. Biomaterial developments for bone tissue engineering. Biomaterials. 21 (23), 2347-2359 (2000).
  15. Weiger, M. C., et al. Quantification of the binding affinity of a specific hydroxyapatite binding peptide. Biomaterials. 31 (11), 2955-2963 (2010).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Cao, S., Wang, J., Chen, H., Chen, D. Progress of marine biofouling and antifouling technologies. Chinese Science Bulletin. 56 (7), 598-612 (2010).
  19. 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).
  20. Li, Q., et al. AFM-based force spectroscopy for bioimaging and biosensing. RSC Advances. 6, 12893-12912 (2016).
  21. 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).
  22. Xue, Y., Li, X., Li, H., Zhang, W. Quantifying thiol-gold interactions towards the efficient strength control. Nat. Commun. 5, 4348 (2014).
  23. 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).
  24. Das, P., Reches, M. Revealing the role of catechol moieties in the interactions between peptides and inorganic surfaces. Nanoscale. 8, 15309-15316 (2016).
  25. 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).
  26. Maity, S., et al. Elucidating the mechanism of interaction between peptides and inorganic surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (23), 15305-15315 (2015).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Evans, E., Ritchie, K. Dynamic strength of molecular adhesion bonds. Biophys. J. 72 (4), 1541-1555 (1997).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Hnilova, M., et al. Effect of molecular conformations on the adsorption behavior of gold-binding peptides. Langmuir. 24 (21), 12440-12445 (2008).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Wang, C. Z., Yadavalli, V. K. Investigating biomolecular recognition at the cell surface using atomic force microscopy. Micron. 60, 5-17 (2014).
  39. 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).
  40. 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).
  41. Azoubel, S., Magdassi, S. Controlling adhesion properties of SWCNT-PET films prepared by wet deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (12), 9265-9271 (2014).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. Pick, C., Argento, C., Drazer, G., Frechette, J. Micropatterned Charge Heterogeneities via Vapor Deposition of Aminosilanes. Langmuir. 31 (39), 10725-10733 (2015).
  46. Berquand, A., et al. Antigen binding forces of single antilysozyme Fv fragments explored by atomic force microscopy. Langmuir. 21, 5517-5523 (2005).
  47. Kienberger, F., et al. Recognition Force Spectroscopy Studies of the NTA-His6 Bond. Single Molecules. 1, 59-65 (2000).
  48. 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).
  49. Ulman, A. Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers. Chem. Rev. 96, 1533-1554 (1996).
  50. 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).

Tags

כימיה גיליון 121 חומצות אמינו פפטידים ספקטרוסקופיה כוח מולקולה בודדת משטחים אורגניים כוח הידבקות מיקרוסקופ כוח אטומי
תובנה לתוך האינטראקציות של חומצות אמינו פפטידים עם חומרים אורגניים באמצעות ספקטרוסקופיית חיל מולקולה בודדת
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Das, P., Duanias-Assaf, T., Reches,… More

Das, P., Duanias-Assaf, T., Reches, M. Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy. J. Vis. Exp. (121), e54975, doi:10.3791/54975 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter