Name: insights into the interactions of amino acids and peptides with inorganic materials using single-molecule force spectroscopy
Uploaded: 2017-03-06T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy at JoVE.com

This work was supported by the Marie Curie International Reintegration Grant (EP7). P. D. acknowledges the support of the Israel Council for Higher Education.

1. שינוי טיפ <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סיליקון ניטריד רכש (Si 3 N 4) cantilevers AFM עם טיפים סיליקון (רדיוס שלוחה הנומינלי של ~ 2 ננומטר). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקו כל שלוחה AFM על ידי טבילה באתנול נטול מים במשך 20 דקות. יבש בטמפרטורת החדר. ואז ...

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 בנ?...

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<html> 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&quot;צ &quot;&gt; 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="638">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="173">
			<td height="173" style="height:173px;width:164px;">Silicon nitride (Si3N4) AFM cantilevers with silicon tips</td>
			<td style="width:147px;">Bruker (Camarilo, CA, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">MSNL10, nominal cantilevers radius ~2 nm&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Methyltriethoxysilane&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Acros Organics (New Jersey, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">For Silaylation of the AFM tip&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">3-(Aminopropyl) triethoxysilane</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Triisopropylsilane</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:164px;">N-Ethyldiisopropylamine</td>
			<td style="width:147px;">Alfa-Aesar (Lancashire, UK)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:164px;">Triethylamine</td>
			<td style="width:147px;">Alfa-Aesar (Lancashire, UK)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:164px;">Piperidine</td>
			<td style="width:147px;">Alfa-Aesar (Lancashire, UK)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="232">
			<td height="232" style="height:232px;width:164px;">Fluorenylmethyloxycarbonyl-PEG-N-hydroxysuccinimide&#160; (Fmoc-PEG-NHS)</td>
			<td style="width:147px;">Iris Biotech GmbH (Deutschland, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as the covalent flexible linker&#160; (MW = 5000 Da)</td>
		</tr>
		<tr height="253">
			<td height="253" style="height:253px;width:164px;">2-(1H-benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3,-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HBTU)</td>
			<td style="width:147px;">Alfa Aser (Heysham, England)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as a coupling reagent.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="148">
			<td height="148" style="height:148px;width:164px;">N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)</td>
			<td style="width:147px;">Acros Organics (New Jersey, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as Solvent in Tip modification procedure</td>
		</tr>
		<tr height="148">
			<td height="148" style="height:148px;width:164px;">DMF (dimethylformamide)</td>
			<td style="width:147px;">Merck (Darmstadt, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as Solvent in Tip modification procedure</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Trifluoro acetic acid (TFA)</td>
			<td style="width:147px;">Merck (Darmstadt, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Acetic anhydride</td>
			<td style="width:147px;">Merck (Darmstadt, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Peptides</td>
			<td style="width:147px;">GL Biochem (Shanghai, China).</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Phenylalanine and Tyrosine&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Biochem (Darmstadt, Germany)&#160;</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="240">
			<td height="361" rowspan="7" style="height:361px;width:164px;">30% TiO2 dispersion in the mixture of solvent 2-(2-Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP)</td>
			<td rowspan="7" style="width:147px;">Applied Vision Laboratories (Jerusalem, Israel)</td>
			<td rowspan="7" style="width:64px;"></td>
			<td rowspan="7" style="width:264px;">(30%) in the mixture of solvent 2-(2 Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP)</td>
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="148">
			<td height="148" style="height:148px;width:164px;">Mica substrates</td>
			<td style="width:147px;">TED PELLA, INC. (Redding, California, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">9.9 mm diameter</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

insights into the interactions of amino acids and peptides with inorganic materials using single-molecule force spectroscopy

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.

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-NH...

Watch this Scientific Journal Video about Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy at JoVE.com

Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy

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.

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

The interactions between proteins or peptides and inorganic materials lead to several interesting processes. For example, combining proteins with minerals ...

The overall goal of the single-molecule force spectroscopy technique is to determine the adhesion force and nature of interactions between amino acids or peptides with different surfaces. This matter can help answer key questions in the area of surface chemistry and be used for the development of new composites and chordates. The main advantage of this technique is that it provides information on interaction between the desired molecule and surfaces at the single molecule level.To begin, purchase silicon nitride AFM cantilevers equipped with silicon tips with a nominal cantilever radius of two nanometers. Mount the tip on the holder. Clean each of the AFM cantilevers by dipping them into ethanol for 20 minutes and then dry them at room temperature.Next, place the tips into a plasma chamber and treat the cantilevers by exposing them to oxygen plasma for five minutes. Prepare a solution containing 15 parts methyltriethoxysilane and one part three amino propyltriethoxysilane and suspend the canitlevers three centimeters above the solution while under an inert atmosphere. It is important that the tips and the holder do not touch the silane mixture.In addition, the silane is highly moisture sensitive, and therefore these tips need to be carried out in an inert atmosphere. Once sealed, connect the desiccator to a vacuum pump and apply a vacuum for two hours to form a mono-layer of the two types of mixed silane compounds on the surface of the cantilevers. Carefully remove the tips and place them onto a hot plate preheated to 70 degrees Celsius.Leave the tips to dry for 10 minutes. Cool the tips at room temperature before immersing them in a solution of Fmoc-PEG-NHS for one hour at room temperature. Next, dip the tips into chloroform for five minutes and then into DMF for an additional five minutes.After incubation in DMF, de-protect the Fmoc groups of the attached PEG molecules by dipping the tips into 20%piperidine solution in DMF for 30 minutes. Again, dip the tips in DMF for four minutes and then in N-Methyl-2-pyrrolidone for an additional four minutes. To couple amino acids onto the tips, immerse the for one and a half hours into an amino acid coupling solution with a total concentration of 30 millimolar and five milliliters of N-Methyl-2-pyrrolidone.To protect the remaining free or unreactant PEG residues by the acetyl group, dip the tips for 30 minutes in a 0.65 molar mixture of four parts acetic anhydride and one part diisopropylethylamine and N-Methyl-2-pyrrolidone. Then sequentially dip the peptide amino acid functionalized tips for four minutes each into NMP, chloroform, 50%ethanol and water before finally drying the tip in air. Attach the desired test surface to a metallic holder of the AFM with commercially available epoxy.Then, place the metallic holder into the glass holder of the AFM, which is shaped as a small petri dish. Fill the glass holder with TRIS buffer. And then place the metallic holder on the AFM stage below the tip holder.Next, mount the AFM tip on the AFM's optic glass. Place the optic glass block in the AFM head. And put the AFM head on the stage.Next, calibrate the AFM cantilevers with spring constants ranging from 10 to 30 piconewtons per nanometer. A typical force measurement results in a force distance curve like those shown here. The first peek indicates non-specific interactions between the tip and the surface and the second peek refers to the specific adhesion event.From several hundred force distance curves, it is possible to construct a histogram by plotting the number of adhesion events versus force. Applying a Gaussian fit on these histograms will determine the most probable force. After watching this video, you should have a good understanding of how to chemically modify AFM tips with amino acids or peptides and how to perform single-molecule force spectroscopy using AFM.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Preparation of Silica Nanoparticles Through Microwave-assisted Acid-catalysis

הכנה של חלקיקי סיליקה באמצעות חומצה קטליזה בסיוע מיקרוגל

Microwave-assisted synthetic techniques were used to quickly and reproducibly produce silica nanoparticle sols using an acid catalyst with nanoparticle ...

The Synthesis of [Sn10(Si(SiMe3)3)4]2- Using a Metastable Sn(I) Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

The Synthesis of [Sn10SiSiMe334]2- Using a Metastable SnI Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

הסינתזה של [Sn<sub&gt; 10</sub&gt; (Si (Sime<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 4</sub&gt;]<sup&gt; 2</sup<sup&gt; -</sup&gt; שימוש metastable Sn (I) פתרון Halide מסונתז באמצעות טכניקה Co-עיבוי

The number of well-characterized metalloid tin clusters, synthesized by applying the disproportionation of a metastable Sn(I) halide in the presence of a ...

Synthesis of Cyclic Polymers and Characterization of Their Diffusive Motion in the Melt State at the Single Molecule Level

סינתזה של מחזורי פולימרי אפיון Motion הפעפוע שלהם במדינת הממסים ברמת המולקולה הבודדה

We demonstrate a method for the synthesis of cyclic polymers and a protocol for characterizing their diffusive motion in a melt state at the single ...

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

עכבה אלקטרוכימי ספקטרוסקופיה ככלי הערכה מתמדת קצב אלקטרוכימי

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Determination of Thermodynamic Properties of Alkaline Earth-liquid Metal Alloys Using the Electromotive Force Technique

קביעת מאפייני תרמודינמי בסגסוגות מתכת עפרורית נוזלי בטכניקה כוח אלקטרו מניע

A novel electrochemical cell based on a CaF2 solid-state electrolyte has been developed to measure the electromotive force (emf) of binary alkaline ...

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

חיטוט את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים עם סריקה מיקרוסקופ מינהור וספקטרוסקופיה

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering

זיהוי רגיש היסודות של הכימיה בסוללות דרך בליעה רכה רנטגן, רנטגן פלסטית תהודה פיזור

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid ...

DNA Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications

DNA אוריגמי-תיווך המצע Nanopatterning של מבנים אורגניים עבור יישומים חישה

Structural DNA nanotechnology provides a viable route for building from the bottom-up using DNA as construction material. The most common DNA ...

Covalent Attachment of Single Molecules for AFM-based Force Spectroscopy

חיבור קוולנטי של מולקולות בודדות לספקטרוסקופיית כוחות מבוססי AFM

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and ...

Atomic Force Microscopy Combined with Infrared Spectroscopy as a Tool to Probe Single Bacterium Chemistry

מיקרוסקופיה של כוח אטומי בשילוב עם ספקטרוסקופיית אינפרא אדום ככלי לחקירת כימיה של חיידק יחיד

Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopy (AFM-IR) is a novel combinatory technique, enabling simultaneous characterization of physical properties and ...