Queremos agradecer a la Fundación Nacional de Ciencias (CHE-0847145), y el profesor Henry Dreyfus-Académico del Programa de Premios por su generoso apoyo a esta investigación. Nos gustaría reconocer específicamente Christine Davis, Director de Microscopía e Imagen en el Departamento de Biología de la Universidad de Richmond por su ayuda en la sección transversal de imágenes. Un agradecimiento especial se da a los Dres. T. Leopold, la sentencia de R. Kanter, Kellogg D., R. Miller, y W., así como, Russ Collins, Joseph Fil, Marcas de Carolyn, Mallory y Mandy Wimbush John - todos los cuales hacen posible la investigación de pregrado en la Universidad de Richmond. Un personal muy agradecimiento es para todos los investigadores actuales, cursos pasados ​​y futuros en el Laboratorio de Investigación de Leopold.

1. Hexanethiolate monocapa Síntesis Protegidas racimos de oro Hexanethiolate monocapa funcionalizada protegidos racimos de oro (PSM) se sintetizan después de un 2:01 1 hexanethiol (C6) de relación en moles de oro para producir una estructura promedio de Au 225 (C6) 75. 4-9 Las modificaciones específicas a la reacción Brust, como tratamientos de tipo ligando específico ratios tiol a oro, la temperatura y el caudal de reacción, o la síntesis de mensaje-, 9-11 puede producir una amplia gama de tamaños de los países socios mediterráneos con el núcleo diferentes grupos funcionales y de protección, respectivamente. 4 El aproximada MPC ( promedio) las composiciones de los PSM funcionalizados con diferentes grupos alcanotiol puede ser determinada por protones (1 H) de resonancia magnética nuclear (RMN) el análisis de muestras de yodo descompuesto. <ol><li> Disolver 1,1 g de bromuro de tetraoctilamonio (TOABr) en 30 ml de tolueno con una ventilación adecuada campana de humos. </li><li> Disolver 0,38 g de borohidruro de sodio (NaBH 4) en ~ 20 ml de agua 18 mW ultrapurificado (UP H 2 O) y se deja enfriar en hielo durante al menos 30 min. </li><li> Disolver 0,31 g de hidrógeno tetracloroaurato (HAuCl 4) en aproximadamente 20 ml de UP H 2 O y transferir cuantitativamente la mezcla de solución a la solución TOABr-tolueno con un adicional de ~ 5 ml de H 2 O UP con el fin de transferencia de fase acuosa del oro solución a la solución acuosa. Revuelva suavemente con rigor, mientras que un tope de 30 minutos para que el quemado fases acuosas y no acuosas de color naranja claro se mezcla bien. </li><li> Transferencia tanto de la acuosa clara y quemado fases acuosas de naranja a un embudo de separación. Descartar la fase acuosa (inferior) de la capa y se decanta el no acuosa (superior) de la capa en un frasco limpio. </li><li> Añadir C6 en una proporción de 2:1 con HAuCl 4 a la solución acuosa. Agitar durante 30 minutos para formar una Au (I) de polímero, como se detecta por un cambio de color de naranja rojizo a una solución de color amarillo pálido, casi incoloro. </li><li> Transferencia de la mezcla de reacción a un baño de hielo y el frío aislado a 0 ° C durante al menos 30 minutos con agitación. </li><li> Cuantitativamente y añadir rápidamente el frío NaBH4 solución a la mezcla de reacción a fin de reducir Au (I) a un oro metálico en presencia de tioles, instantáneamente formando una solución espesa y negro de los países socios mediterráneos con la adición. Revuelva la reacción durante la noche a 0 ° C. </li><li> Transferencia de la mezcla de reacción a un embudo de separación, deseche la solución acuosa (inferior) de la capa en un vaso de residuos, y evaporar el rotativo no acuosa (superior) la capa de tolueno a sequedad casi total dejando un lodo negro y grueso en el matraz. </li><li> Precipitar el PSM mediante la adición de acetonitrilo y que permite sentarse durante la noche. </li><li> Recoger los PSM por filtración al vacío con una frita de vidrio de porosidad media con accesorios de goma y secundarios armados matraz con aspirador y enjuagar con una copiosa cantidad de acetonitrilo. </li><li> Permita que los países socios mediterráneos se seque al aire, pese producto, se caracterizan por microscopía electrónica de transmisión (TEM) y el análisis de RMN, y almacenar un tope para su uso futuro. Obtener imágenes de TEM de los PSM de fundición de abandono en tolueno en formvar / película de carbón de apoyo en la red de cobre (400 mesh) y el funcionamiento del instrumento TEM a 80-100 kV. El tamaño del núcleo promedio puede estimarse utilizando el software de análisis de imagen como la imagen J (freeware). </li></ol> 2. Vídeo de montaje: ditiol vinculados a la Asamblea de Cine de MPC para Electroquímica de proteínas monocapa El sustrato de oro es la primera electroquímicamente limpiar y modificados con un SAM C6 antes de la inmersión en la alternancia de las soluciones de moléculas de enlace y ditiol PSM C6 modificado para hacer un &quot;ciclo de salsa&quot;, que se repite varias veces que finalmente forman una asamblea ditiol vinculados MPC película . Como se ha descrito en estudios anteriores, 2 el plásmido original de la Pseudomonas aeruginosa azurina (AZ) proteína fue dado amablemente por el Dr. Corey Wilson de la Universidad de Rice y AZ se presenta como un polvo liofilizado y purificado por el profesor de la Universidad de Richmond, el Dr. Jonathan Dattelbaum, que fue posteriormente rehidratados con 4.4 mM de tampón fosfato de potasio (KPB, pH = 7,0, μ = 10 mm) para crear una solución 5.10 M como mediante el análisis ultravioleta visible (UV-Vis). <ol><li> Monte el sensor electroquímico (Echem) sándwich de células en el siguiente orden de abajo hacia arriba: la primera placa de retención Lucite, sustrato de oro como un electrodo de trabajo, póngase en contacto con latón eléctrica al electrodo de trabajo de oro, primera junta de goma, Viton o-anillo que define el área de los electrodos (0,32 cm 2), cuerpo de vidrio celular, junta de goma en segundo lugar, y la segunda placa de retención Lucite. Toda la célula se mantiene unida por varillas roscadas y cuidadosamente apretar las tuercas de mariposa. La celda está equipada con un electrodo de referencia comercialmente adquirida que cuenta con un cilindro de vidrio con 1 M KCl saturado, Ag / AgCl de alambre de referencia, y un hilo de Pt electrodo auxiliar. </li><li> Electroquímicamente ª limpiezae sustrato de oro mediante la realización de voltametría cíclica (CV) en las ventanas de potencial 0,2 a 0,9 V, 0,2 a 1,2 V, y de 0,2 a 1,35 V (frente a Ag / AgCl, KCl) a 100 mV / s en una solución de 0,1 MH 2 SO 4 y 0,01 M KCl. </li><li> Medir la corriente de carga del sustrato de oro limpiar desnuda realizando CV en &quot;condiciones normales&quot;, incluyendo una ventana potencial de 0,1 a 0,4 V (frente a Ag / AgCl, KCl) escaneadas a 100 mV / s en KPB. KPB Eliminar 1 y enjuague sucesivamente con UP H 2 O, el etanol (EtOH), UP H 2 O, y EtOH. </li><li> Exponer el sustrato de oro para limpiar alrededor de 300 l de solución 5 mM C6 en EtOH y dejar reposar toda la noche para formar un orden SAM C6. Desechar la solución de la celda C6 y enjuague sucesivamente con EtOH, UP H 2 O, EtOH, y UP H 2 O. </li><li> Medir la corriente de carga de la SAM en condiciones normales. Deseche KPB y enjuague sucesivamente con UP H 2 O, EtOH, UP H 2 O, y EtOH. La corriente de carga debe ser marcada disminución de la de la medición de oro desnudo (paso 2.3) 1. </li><li> Exponer el sustrato SAM modificado de oro a alrededor de 300 l de 5 mM 1,9-nonanedithiol (END) en la solución de EtOH y deje reposar durante 1 hora a interdisperse END que une las moléculas dentro de la SAM C6. Desechar la solución de END y enjuague a fondo con forma sucesiva y EtOH, UP H 2 O, EtOH, UP H 2 O, y cloruro de metileno (CH 2 Cl 2). </li><li> Exponer el sustrato de oro a una solución MPC de CH 2 Cl 2 (~ 1 mg / mL) con agitación lentamente burbujeante, con gas N 2 durante 1 hora. Si es necesario, sustituya evaporada solución MPC con más CH 2 Cl 2. Esta es la capa de anclaje MPC de la asamblea de cine. Desechar la solución MPC y otra vez aclarado sucesivamente con CH 2 Cl 2, hasta H 2 O, y KPB. </li><li> Medir la corriente de carga de la capa de MPC en condiciones normales. Deseche KPB y enjuague sucesivamente con UP H 2 O y CH 2 Cl 2. </li><li> Exponer el sustrato de oro a alrededor de 300 l de solución 5 mM NDT de CH 2 Cl 2 con agitación lentamente burbujeante, con gas N 2 durante 20 minutos. </li><li> Deseche NDT y enjuagar bien con CH 2 Cl 2. Repita los pasos 2.7 y 2.8 para depositar la segunda capa de MPC de la asamblea de cine. </li><li> Para depositar capas adicionales MPC, los pasos 2.9 y 2.10 se repiten. Con cada capa adicional de MPC correspondiente aumento en la corriente de carga que se observa. </li><li> Después de la película en red MPC es completa, enjuague el sustrato de película modificado con KPB. AZ proteína es absorbido en el conjunto de la película MPC mediante la inyección de ~ 150 ~ l de solución de 5.10 M a la Z de KPB en la célula sándwich Echem y permitir que se siente tapado y refrigerado por lo menos 1 hora. </li><li> Retire la celda Echem de la nevera y deje que vuelva a la temperatura ambiente cerca. Lave con abundante KPB, recarga celular Echem con KPB y KPB burbuja con gas N 2 durante 10 minutos. </li><li> Proteína monocapa estudios electroquímicos se realizan como CV en la ventana de potencial de -0,25 V a 0,25 V (frente a Ag / AgCl, KCl) escaneadas a 100 mV / s en KPB. </li></ol> 3. Vídeo de montaje: ditiol vinculados a la Asamblea de Cine de MPC para el seguimiento óptico Antes de hacer crecer las capas MPC para la evaluación óptica, las secciones de diapositivas de vidrio son pre-limpiado con una solución Piranha (ATENCIÓN: 02:01 concentrado H 2 SO 4 y H 2 O 2) y tratados con (3-mercaptopropyl)-trimetoxisilano (3-MPTMS ). 1-2 películas MPC se ensamblan en estas vidrio modificado las diapositivas mediante la &quot;caída del ciclo&quot; técnica como se ha descrito anteriormente. <ol><li> Enjuague un 3 MPTMS diapositivas de vidrio modificado con CH 2 Cl 2 y colóquela en una solución MPC de CH 2 Cl 2 (~ 1 mg / ml) durante 1 hora mientras se agita en un agitador a baja velocidad. Esto completa la primera capa de MPC de la asamblea de cine mediante el anclaje de los PSM a la endgroups mercaptanos del silano. Enjuague el portaobjetos completamente con CH 2 Cl 2, y secar con N 2 gas. Toma un espectro UV-Vis (de 400 a 1000 nm) de la diapositiva, y aclarar de nuevo con CH 2 Cl 2. </li><li> Colocar la placa en una solución de NDT 5 mM de CH 2 Cl 2 durante 1 hora mientras se agita en un agitador a baja velocidad. Lave la lámina con CH 2 Cl 2. </li><li> Colocar la placa en una solución MPC durante 1 hora mientras se agita en un agitador a baja velocidad. Con esto se completa la segunda capa de MPC de la asamblea de cine. Enjuague el portaobjetos completamente con CH 2 Cl 2, N 2 seco con gas, y tener un espectro UV-Vis (de 400 a 1000 nm) de la diapositiva. La absorción en el espectro debe aumentar a medida que las capas adicionales de MPC se adsorben a la asamblea de cine. </li><li> Para depositar capas adicionales MPC, steps 3.2-3.3 se repiten. </li></ol> 4. Caracterización de una sola capa de oro protegidas Asambleas de Cine de Cluster de la Cruz Seccional Microscopía Electrónica de Transmisión TEM secciones son preparados por las películas de re-incorporación de la cara es incorporado. 2, 12 Esto se hace por primera fijación de una película MPC montado en un portaobjetos de vidrio de 3 MPTMS modificado en un microscopio limpio, estándar Insertar diapositivas con 812 resina epoxi para permitir la mejora de la manipulación durante el procedimiento siguiente. Tenga cuidado con la aplicación de calor como las altas temperaturas se descomponen los países socios mediterráneos dentro de la película. <ol><li> Incorporar la mezcla de resina epoxi 812 y dejar espesar durante al menos 12 horas. </li><li> Llenar un &quot;00&quot; cápsulas BEEM con resina epoxi y se invierte en la parte superior de la muestra de cine MPC (preparado en la sección 3). Ejercer presión sobre la cápsula, para que una burbuja se eleva a la parte superior de la cápsula, la creación de un sello entre la resina epoxi y una muestra de cine MPC. Dejar polimerizar durante al menos 18 horas a 60 ° C y luego enfriar las diapositivas montadas a temperatura ambiente. </li><li> Calor diapositivas montadas de 20 segundos en una placa de aluminio fundido caliente a 200 ° C con el fin de facilitar la extracción del bloque con la película de cara adjunta en MPC. </li><li> Cortar la muestra que contiene la película fuera del bloque de cápsula BEEM vio con un joyero. </li><li> Vuelva a insertar la porción eliminada en un molde de silicona plana con el lado de la película MPC de cara al interior del silicio también. Rellene el silicio y con resina epoxi a temperatura ambiente y dejar polimerizar durante al menos 18 horas a 60 ° C. Enfriar la muestra hasta temperatura ambiente. </li><li> Obtener secciones delgadas de muestras de 60-80 nm en un ultramicrotomo Leica UCT mediante el uso de una cuchilla de diamante para cortar secciones perpendiculares al filo de la navaja. </li><li> Coloque rebanadas secciones sobre formvar / película de carbón de apoyo en la red de cobre (400 mesh) y tomar imágenes de TEM de preparar secciones transversales de las asambleas de cine MPC. </li></ol> 5. Los resultados representativos: <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig1.jpg" /> Figura 1 capa doble de carga de supervisión actual de crecimiento de la película MPC para un total de 5 ciclos de inmersión (alternando la exposición a la MPC y soluciones NDT). Corriente de carga aumentó de forma sistemática con cada ciclo de inmersión, y agregó que &quot;capas&quot; de MPC a la película (Fig. 2). El voltamogramas cíclicos fueron recolectados a través de una ventana potencial de 0,1 a 0,4 V (frente a Ag / AgCl, KCl) escaneadas a 100 mV / s en 4,4 mM de tampón fosfato de potasio (pH = 7,0, μ = 10 mm). Reproducido con permiso del ML Vargo, Gulka CP, Gerig JK, Manieri CM, Dattelbaum JD, Marcas CB, Lawrence NT, Trawick ML, y Leopold MC, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig2.jpg" /> Figura 2 (a) Representación esquemática de la proteína AZ adsorbido a una asamblea película ditiol vinculados a MPC. (B) Voltamograma cíclico típico de AZ adsorbidos en la película de montaje MPC recolectados a través de una ventana potencial de -0,25 a 0,25 V (frente a Ag / AgCl, KCl) escaneadas a 100 mV / s en 4,4 mM de tampón fosfato de potasio (pH = 7,0, μ = 10 mm). <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig3.jpg" /> Figura 3 Representante UV-Vis de monitoreo del espectro de un crecimiento de la película ditiol vinculados a MPC en un portaobjetos de vidrio de 3 MPTMS modificado. Un ciclo de baño consta de una exposición de la lámina de vidrio de NDT solución enlazador seguido de una exposición a la solución de MPC. Los resultados de cada inmersión posterior en el crecimiento en el espesor de la película y un aumento de la absorbancia concurrentes. Como el número de ciclos de inmersión aumenta, la banda de plasmones de superficie se van definiendo a ~ 520 nm. Reproducido con permiso del ML Vargo, Gulka CP, Gerig JK, Manieri CM, Dattelbaum JD, Marcas CB, Lawrence NT, Trawick ML, y Leopold MC, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/3441/3441fig4.jpg" /> Figura 4 microscopía electrónica de transmisión (TEM) de análisis de imágenes seccionales cruzadas de un montaje de la película ditiol vinculados a MPC. Recuadro: la imagen típica de TEM hexanethiolate PSM funcionalizados utilizados en el montaje de cine. Análisis de TEM determinó un diámetro núcleo de oro promedio de los países socios mediterráneos que se ~ 2 nm utilizando el análisis de la imagen J. Reproducido con permiso del ML Vargo, Gulka CP, Gerig JK, Manieri CM, Dattelbaum JD, Marcas CB, Lawrence NT, Trawick ML, y Leopold MC, Langmuir 26 (1), 560-569. Copyright 2010 American Chemical Society.

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C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distance+Dependence+of+Electron+Transfer+Kinetics+for+Azurin+Protein+Adsorbed+to+Monolayer+Protected+Nanoparticle+Film+Assemblies.">Distance Dependence of Electron Transfer Kinetics for Azurin Protein Adsorbed to Monolayer Protected Nanoparticle Film Assemblies.</a> Langmuir. 26, 560-569 (2010).</li><li>Doan, T. T., Vargo, M. L., Gerig, J. K., Gulka, C. P., Trawick, M. L., Dattelbaum, J. D., Leopold, M. 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No hay conflictos de interés declarado.

Electroquímica de proteínas monocapa es una técnica efectiva para estudiar las interacciones entre las proteínas redox y sintéticos plataformas de adsorción. La eficacia de esta estrategia, sin embargo, depende de la habilidad para diseñar una interfaz de adsorción con un alto grado de control de nivel molecular. Las plataformas basadas en MPC creado por este protocolo representa plataformas específicamente diseñadas que son capaces de proporcionar una proteína más homogénea medio ambiente y facilitar la ab...

<table border="1"><tr><th> Nombre de los reactivos y equipos </th><th> Empresa </th><th> Número de catálogo </th></tr><tr><td> Tetraoctilamonio bromuro </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 294136 </td></tr><tr><td> Borohidruro de sodio </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 213462 </td></tr><tr><td> Hidrógeno tetracloroaurato </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 254169-5G </td></tr><tr><td> 1-Hexanethiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 234192 </td></tr><tr><td> Microscopio electrónico de transmisión </td><td> JEOL </td><td> 1010 </td></tr><tr><td> Espectrómetro de Resonancia Magnética Nuclear </td><td> Bruker Avance </td><td> 300 MHz </td></tr><tr><td> Formvar / carbono de apoyo al cine en la red de cobre (400 mesh) </td><td> Microscopía electrónica de Ciencias </td><td> FCF400-Cu </td></tr><tr><td> Sustrato de oro </td><td> Evaporado metal Films Corp. </td><td> Costumbre </td></tr><tr><td> Ag / AgCl Electrodo de referencia </td><td> Microelectrodos, Inc. </td><td> MI-401F </td></tr><tr><td> Potenciostatos </td><td> CH Instruments, Inc. </td><td> CHI650A, CHI610B </td></tr><tr><td> 1,9-Nonanedithiol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> N29805 </td></tr><tr><td> (3-mercaptopropyl)-trimetoxisilano </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 175617 </td></tr><tr><td> Espectrofotómetro ultravioleta visible </td><td> Agilent </td><td> 8453 </td></tr><tr><td> Insertar 812 de resina epoxi </td><td> Microscopía electrónica de Ciencias </td><td> 14120 </td></tr><tr><td> &quot;00&quot; cápsulas BEEM </td><td> Microscopía electrónica de Ciencias </td><td> 70000-B </td></tr><tr><td> Plano de silicio del molde </td><td> Microscopía electrónica de Ciencias </td><td> 70900 </td></tr><tr><td> Diamante cuchillo </td><td> Diatome </td><td> 21-ULE, S12801 </td></tr></table>

synthesis, assembly, and characterization of monolayer protected gold nanoparticle films for protein monolayer electrochemistry

Nanopartículas de oro coloidal protegidos con ligandos alkanethiolate llamada monocapa protegidos racimos de oro (PSM) se sintetizan y se incorporaron posteriormente en las asambleas de cine que sirven como plataformas para la adsorción electroquímica de proteínas monocapa (PME). PME se utiliza como sistema modelo para estudiar las propiedades electroquímicas de las proteínas redox mediante su confinamiento a una plataforma de adsorción a un electrodo modificado, que también sirve como un socio redox de transferencia de electrones (ET), las reacciones. Los estudios han demostrado que el oro asambleas película de nanopartículas de este tipo proporcionan una proteína más homogéneo el medio ambiente y promover la adsorción de ET, sin dependencia de la distancia en comparación con los sistemas más tradicionales modificados con alcanotiol monocapas autoensambladas (SAM). 1.3 En este documento, los países socios mediterráneos funcionalizadas con ligandos hexanethiolate son sintetizados mediante una reacción Brust modificado 4 y se caracteriza con la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis), microscopía electrónica de transmisión (TEM), y un protón (1 H) de resonancia magnética nuclear (RMN). MPC películas se montan sobre SAM interfaces de electrodos modificados de oro mediante el uso de un &quot;ciclo de salsa&quot; método de alternar capas de MPC y ditiol moléculas de enlace. Crecimiento de la película en el electrodo de oro se hace un seguimiento electroquímicamente mediante la medición de cambios en la doble capa de carga actual del sistema. Películas análogos montados en portaobjetos de vidrio de silano modificado permita el seguimiento óptico de crecimiento de la película y un análisis transversal TEM proporciona un espesor estimado. Durante el montaje de cine, la manipulación de la protección ligando MPC, así como el mecanismo de vinculación entre partículas permiten películas en red, que son fácilmente adaptables, para interactuar con proteínas redox que tienen diferentes mecanismos de adsorción. Por ejemplo, Pseudomonas aeruginosa azurina (AZ) pueden ser adsorbidos hidrofóbicamente a ditiol vinculados a las películas de los PSM hexanethiolate y citocromo c (cyt c) se puede inmovilizar electrostáticamente en un ácido carboxílico modificado MPC capa interfacial. En este informe, nos centramos en el protocolo de la película para que el sistema AZ exclusivamente. Investigaciones que involucran a la adsorción de proteínas en las plataformas MPC sintética modificada podría facilitar la comprensión de las interacciones entre biomoléculas y materiales hechos por el hombre, y por lo tanto ayudar al desarrollo de planes de biosensores, sistemas de modelado de ET, y materiales sintéticos biocompatibles. 5-8

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Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Alkanethiolate estabilizado coloides de oro conocidos como clusters monocapa protegidas (PSM) se sintetizan, que se caracteriza, y montados en láminas delgadas como una interfaz de adsorción de la electroquímica de proteínas monocapa de proteínas redox sencillas como<em&gt; Pseudomonas aeruginosa</em&gt; Azurina (AZ) y el citocromo<em&gt; C</em&gt; (Cyt<em&gt; C</em&gt;).

Síntesis, de la Asamblea, y caracterización de una sola capa de nanopartículas de oro protegidas Films de Electroquímica de proteínas monocapa

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently ...

synthesis-assembly-characterization-monolayer-protected-gold

Research

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Bioengineering

14.4K vistas.  University of Richmond. Alkanethiolate estabilizado coloides de oro conocidos como clusters monocapa protegidas (PSM) se sintetizan, que se caracteriza, y montados en láminas delgadas como una interfaz de adsorción de la electroquímica de proteínas monocapa de proteínas redox sencillas como Pseudomonas aeruginosa Azurina (AZ) y el citocromo C (Cyt C).

Video: Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Gold Nanostar Synthesis with a Silver Seed Mediated Growth Method

The physical, chemical and optical properties of nano-scale colloids depend on their material composition, size and shape 1-5. There is a great interest in using nano-colloids for photo-thermal ablation, drug delivery and many other biomedical applications 6. Gold is particularly used because of its low toxicity 7-9. A property of metal nano-colloids is that they can have a strong surface plasmon resonance 10. The peak of the surface plasmon resonance mode depends on the structure and composition of the metal nano-colloids. Since the surface plasmon resonance mode is stimulated with light there is a need to have the peak absorbance in the near infrared where biological tissue transmissivity is maximal 11, 12.
We present a method to synthesize star shaped colloidal gold, also known as star shaped nanoparticles 13-15 or nanostars 16. This method is based on a solution containing silver seeds that are used as the nucleating agent for anisotropic growth of gold colloids 17-22. Scanning electron microscopy (SEM) analysis of the resulting gold colloid showed that 70 % of the nanostructures were nanostars. The other 30 % of the particles were amorphous clusters of decahedra and rhomboids. The absorbance peak of the nanostars was detected to be in the near infrared (840 nm). Thus, our method produces gold nanostars suitable for biomedical applications, particularly for photo-thermal ablation.

We synthesized star shaped gold nanostars using a silver seed mediated growth method. The diameter of the nanostars ranges from 200 to 300 nm and the number of tips vary from 7 to 10. The nanoparticles have a broad surface plasmon resonance mode centered in the near infrared.

Síntesis de oro Nanostar con un método de la Simiente de Plata crecimiento mediada por

The physical, chemical and optical properties of nano-scale colloids depend on their material composition, size and shape 1-5. There is a great interest ...

Investigación

Bioingeniería

Low Molecular Weight Protein Enrichment on Mesoporous Silica Thin Films for Biomarker Discovery

The identification of circulating biomarkers holds great potential for non invasive approaches in early diagnosis and prognosis, as well as for the monitoring of therapeutic efficiency.1-3 The circulating low molecular weight proteome (LMWP) composed of small proteins shed from tissues and cells or peptide fragments derived from the proteolytic degradation of larger proteins, has been associated with the pathological condition in patients and likely reflects the state of disease.4,5 Despite these potential clinical applications, the use of Mass Spectrometry (MS) to profile the LMWP from biological fluids has proven to be very challenging due to the large dynamic range of protein and peptide concentrations in serum.6 Without sample pre-treatment, some of the more highly abundant proteins obscure the detection of low-abundance species in serum/plasma. Current proteomic-based approaches, such as two-dimensional polyacrylamide gel-electrophoresis (2D-PAGE) and shotgun proteomics methods are labor-intensive, low throughput and offer limited suitability for clinical applications.7-9 Therefore, a more effective strategy is needed to isolate LMWP from blood and allow the high throughput screening of clinical samples. 
Here, we present a fast, efficient and reliable multi-fractionation system based on mesoporous silica chips to specifically target and enrich LMWP.10,11 Mesoporous silica (MPS) thin films with tunable features at the nanoscale were fabricated using the triblock copolymer template pathway. Using different polymer templates and polymer concentrations in the precursor solution, various pore size distributions, pore structures, connectivity and surface properties were determined and applied for selective recovery of low mass proteins. The selective parsing of the enriched peptides into different subclasses according to their physicochemical properties will enhance the efficiency of recovery and detection of low abundance species. In combination with mass spectrometry and statistic analysis, we demonstrated the correlation between the nanophase characteristics of the mesoporous silica thin films and the specificity and efficacy of low mass proteome harvesting. The results presented herein reveal the potential of the nanotechnology-based technology to provide a powerful alternative to conventional methods for LMWP harvesting from complex biological fluids. Because of the ability to tune the material properties, the capability for low-cost production, the simplicity and rapidity of sample collection, and the greatly reduced sample requirements for analysis, this novel nanotechnology will substantially impact the field of proteomic biomarker research and clinical proteomic assessment.

We developed a technology based on mesoporous silica thin film for the selective recovery of low molecular weight proteins and peptides from human serum. The physico-chemical properties of our mesoporous chips were finely tuned to provide substantial control in peptide enrichment and consequently profile the serum proteome for diagnostic purposes.

De bajo peso molecular de proteínas en el enriquecimiento de las películas delgadas de silicio mesoporosos para el descubrimiento de biomarcadores

The identification of circulating biomarkers holds great potential for non invasive approaches in early diagnosis and prognosis, as well as for the ...

Combinatorial Synthesis of and High-throughput Protein Release from Polymer Film and Nanoparticle Libraries

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with conventional one-sample-at-a-time synthesis techniques, a more recent high-throughput approach has been developed enabling the synthesis and testing of large libraries of polyanhydrides1. This will facilitate more efficient optimization and design process of these biomaterials for drug and vaccine delivery applications. The method in this work describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries. In this robotically operated method (Figure 1), linear actuators and syringe pumps are controlled by LabVIEW, which enables a hands-free automated protocol, eliminating user error. Furthermore, this method enables the rapid fabrication of micro-scale polymer libraries, reducing the batch size while resulting in the creation of multivariant polymer systems. This combinatorial approach to polymer synthesis facilitates the synthesis of up to 15 different polymers in an equivalent amount of time it would take to synthesize one polymer conventionally. In addition, the combinatorial polymer library can be fabricated into blank or protein-loaded geometries including films or nanoparticles upon dissolution of the polymer library in a solvent and precipitation into a non-solvent (for nanoparticles) or by vacuum drying (for films). Upon loading a fluorochrome-conjugated protein into the polymer libraries, protein release kinetics can be assessed at high-throughput using a fluorescence-based detection method (Figures 2 and 3) as described previously1. This combinatorial platform has been validated with conventional methods2 and the polyanhydride film and nanoparticle libraries have been characterized with 1H NMR and FTIR. The libraries have been screened for protein release kinetics, stability and antigenicity; in vitro cellular toxicity, cytokine production, surface marker expression, adhesion, proliferation and differentiation; and in vivo biodistribution and mucoadhesion1-11. The combinatorial method developed herein enables high-throughput polymer synthesis and fabrication of protein-loaded nanoparticle and film libraries, which can, in turn, be screened in vitro and in vivo for optimization of biomaterial performance.

This method describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries.

Síntesis combinatoria y de alto rendimiento liberación de proteínas de película de polímero y nanopartículas Bibliotecas

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with ...

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of this hydrogel are two protein block-copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. A highly hydrophilic random coil is inserted into one of the block-copolymers for water retention. Mixing of the two protein block copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit with crosslinkers at either end that rapidly self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is very stable under both acidic and basic conditions, at temperatures up to 50 &#176;C, and in organic solvents. The hydrogel rapidly reforms after shear-induced rupture. Incorporation of a &#34;docking station peptide&#34; into the hydrogel building block enables convenient incorporation of &#34;docking protein&#34;-tagged target proteins. The hydrogel is compatible with tissue culture growth media, supports the diffusion of 20 kDa molecules, and enables the immobilization of bioactive globular proteins. The application of the intein-mediated protein hydrogel as an organic-solvent-compatible biocatalyst was demonstrated by encapsulating the horseradish peroxidase enzyme and corroborating its activity.

We present the synthesis of a split-intein-mediated protein hydrogel. The building blocks of this hydrogel are two protein copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. Mixing of the two protein copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit that self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is highly pH- and temperature-stable, compatible with organic solvents, and easily incorporates functional globular proteins.

Síntesis de una proteína artificial mediada Intein hidrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of ...

Fluorescence Recovery after Merging a Droplet to Measure the Two-dimensional Diffusion of a Phospholipid Monolayer

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after merging (FRAM). FRAM adopts the same principles as the fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique, especially for measuring fluorescence recovery after bleaching a specific area, but FRAM uses a drop coalescence instead of photobleaching dye molecules to induce a chemical potential gradient of dye molecules. Our technique has several advantages over FRAP: it only requires a fluorescence microscope rather than a confocal microscope equipped with high power lasers; it is essentially free from the selection of fluorescence dyes; and it has far more freedom to define the measured diffusion area. Furthermore, FRAM potentially provides a route for studying the mixing or inter-diffusion of two different surfactants, when the monolayers at a surface of droplet and at a flat air/water interface are prepared with different species, independently.

We present a new technique to measure the lateral diffusion of a surface active species at the fluid-fluid interface by merging a droplet monolayer onto a flat monolayer.

La recuperación de fluorescencia después de combinar una gotita de medir la difusión de dos dimensiones de un fosfolípido monocapa

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after ...

Synthesis of Gold Nanoparticle Integrated Photo-responsive Liposomes and Measurement of Their Microbubble Cavitation upon Pulse Laser Excitation

Photo-responsive nanoparticles (NPs) have received considerable attention because of their potential in providing spatial, temporal, and dosage control over the drug release. However, most of the relevant technologies are still in the development process and are unprocurable by clinics. Here, we describe a facile fabrication of these photo-responsive NPs with commercially available gold NPs and thermo-responsive liposomes. Calcein is used as a model drug to evaluate the encapsulation efficiency and the release kinetic profile upon heat/light stimulation. Finally, we show that this photo-triggered release is due to the membrane disruption caused by microbubble cavitation, which can be measured with hydrophone.

This protocol describes a simple preparation method for gold nanoparticle integrated photo-responsive liposomes with the commercially available materials. It also shows how to measure the microbubble cavitation process of the synthesized liposomes upon the treatment of pulsed laser.

Síntesis de nanopartículas de oro liposomas Integrado fotosensible y la medición de su microburbujas cavitación al pulso láser de excitación

Photo-responsive nanoparticles (NPs) have received considerable attention because of their potential in providing spatial, temporal, and dosage control ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

Micropatterning y Montaje de Microvasos 3D

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Synthesis of Cationized Magnetoferritin for Ultra-fast Magnetization of Cells

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). Achieving sufficient cellular uptake of SPIONs is a challenge that has traditionally been met by exposing cells to elevated concentrations of SPIONs or by prolonging exposure times (up to 72 hr). However, these strategies are likely to mediate toxicity. Here, we present the synthesis of the protein-based SPION magnetoferritin as well as a facile surface functionalization protocol that enables rapid cell magnetization using low exposure concentrations. The SPION core of magnetoferritin consists of cobalt-doped iron oxide with an average particle diameter of 8.2 nm mineralized inside the cavity of horse spleen apo-ferritin. Chemical cationization of magnetoferritin produced a novel, highly membrane-active SPION that magnetized human mesenchymal stem cells (hMSCs) using incubation times as short as one minute and iron concentrations as lows as 0.2 mM.

A protocol for the synthesis and cationization of cobalt-doped magnetoferritin is presented, as well as a method to rapidly magnetize stem cells with cationized magnetoferritin.

Síntesis de cationizada Magnetoferritin para la magnetización ultra-rápido de las células

Many important biomedical applications, such as cell imaging and remote manipulation, can be achieved by labeling cells with superparamagnetic iron oxide ...

Synthesis of Functionalized 10-nm Polymer-coated Gold Particles for Endothelium Targeting and Drug Delivery

Gold nanoparticles (AuNPs) have been used extensively in medical research due to their size, biocompatibility, and modifiable surface. Specific targeting and drug delivery are some of the applications of these AuNPs, but endothelial extracellular matrices&#39; defensive properties hamper particle uptake. To address this issue, we describe a synthesis method for ultrasmall gold nanoparticles to improve vascular delivery, with customizable functional groups and polymer lengths for further adjustments. The protocol yields 2.5 nm AuNPs that are capped with tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC). The replacement of THPC with hetero-functional polyethylene glycol (PEG) on the surface of the AuNP increases the hydrodynamic radius to 10.5 nm while providing various functional groups on the surface. The last part of the protocol includes an optional addition of a fluorophore to allow the AuNPs to be visualized under fluorescence to track nanoparticle uptake. Dialysis and lyophilization were used to purify and isolate the AuNPs. These fluorescent nanoparticles can be visualized in both in vitro and in vivo experiments due to the biocompatible PEG coating and fluorescent probes. Additionally, the size range of these nanoparticles render them an ideal candidate for probing the glycocalyx without disrupting normal vasculature function, which may lead to improved delivery and therapeutics.

We describe a method of synthesizing biocompatible 10-nm gold nanoparticles, functionalized by coating poly-ethylene glycol onto the surface. These particles can be used in vitro and in vivo for delivering therapeutics to nanoscale cellular and extracellular spaces that are difficult to access with conventional nanoparticle sizes.

Síntesis de funcionalizados 10 nm recubierto de polímero partículas de oro para apuntar el endotelio y el suministro de medicamentos

Gold nanoparticles (AuNPs) have been used extensively in medical research due to their size, biocompatibility, and modifiable surface. Specific targeting ...

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the cognitive powers of the brain with comparable efficiency and density. To date, silicon-based three-terminal transistors and two-terminal memristors have been widely used in neuromorphic circuits, in large part due to their ability to co-locate information processing and memory. Yet these devices cannot achieve the interconnectivity and complexity of the brain because they are power-hungry, fail to mimic key synaptic functionalities, and suffer from high noise and high switching voltages. To overcome these limitations, we have developed and characterized a biomolecular memristor that mimics the composition, structure, and switching characteristics of biological synapses. Here, we describe the process of assembling and characterizing biomolecular memristors consisting of a 5 nm-thick lipid bilayer formed between lipid-functionalized water droplets in oil and doped with voltage-activated alamethicin peptides. While similar assembly protocols have been used to investigate biophysical properties of droplet-supported lipid membranes and membrane-bound ion channels, this article focuses on key modifications of the droplet interface bilayer method essential for achieving consistent memristor performance. Specifically, we describe the liposome preparation process and the incorporation of alamethicin peptides in lipid bilayer membranes, and the appropriate concentrations of each constituent as well as their impact on the overall response of the memristors. We also detail the characterization process of biomolecular memristors, including measurement and analysis of memristive current-voltage relationships obtained via cyclic voltammetry, as well as short-term plasticity and learning in response to step-wise voltage pulse trains.

Soft, low-power, biomolecular memristors leverage similar composition, structure, and switching mechanisms of bio-synapses. Presented here is a protocol to assemble and characterize biomolecular memristors obtained from insulating lipid bilayers formed between water droplets in oil. The incorporation of voltage-activated alamethicin peptides results in memristive ionic conductance across the membrane.

Montaje y caracterización de memristores Biomolecular consisten en membranas lipídicas dopado canal iónico

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the ...