Name: insights into the interactions of amino acids and peptides with inorganic materials using single-molecule force spectroscopy
Uploaded: 2017-03-06T12:30:00
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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. Sugestão Modificação <ol><li> Compra de nitreto de silício (Si 3 N 4) cantilevers de AFM com pontas de silício (raio cantilever nominal de ~ 2 nm). </li><li> Limpar cada cantilever AFM por imersão em etanol anidro durante 20 min. Seca-se à temperatura ambiente. Em seguida, tratar as consolas por expondo-os a O2 do plasma durante 5 min. </li><li> Suspender as pontas limpas acima (3 cm) contendo uma solução metiltrietoxisilano e 3- (aminopropil) silano em uma proporção de 1...

Os passos 1.3, 1.4 e 1.7 no protocolo deve ser realizado com cuidado extenso e de uma forma muito suave. No passo 1.3, a ponta não deve estar em contacto com a mistura de silano e o processo de silanização deve ser realizada numa atmosfera inerte (de humidade livre). 45 Isto é feito a fim de evitar a formação de camadas múltiplas e porque as moléculas de silano prontamente sofrer hidrólise na presença de humidade. 45 No passo 1.4, a t...

A interacção entre as proteínas e minerais inorgânicos conduz à construção de materiais compósitos com propriedades distintivas. Isto inclui materiais com elevada resistência mecânica ou as propriedades ópticas únicas. 1, 2, por exemplo, a combinação da proteína de colagénio com a hidroxiapatite mineral, quer gera ossos moles ou duras para diferentes funcionalidades. 3 péptidos curtos, também podem ligar-se materiais inorgânicos com alta especificidade. 4, 5, 6 A especificidade destes péptidos foi usado para a criação de novos materiais magnéticos e electrónicos, 7, 8, 9 fabricar materiais nanoestruturados, crescimento de cristais, 10 e sintetizar nanopartículas. 11 Para entender o mecanismo subjacente interações entre peptídeos ou proteínas e materiais inorgânicos, portanto, nos permitem projetar novos materiais compósitos com melhores propriedades de adsorção. Além disso, uma vez que a interfase de implantes com uma resposta imunitária é mediada por proteínas, uma melhor compreensão das interacções de proteínas com materiais inorgânicos vai melhorar a nossa capacidade para conceber implantes. Outra área importante, que envolve proteínas que interagem com superfícies inorgânicas é a fabricação de materiais anti-incrustações. 12, 13, 14, 15 A incrustação biológica é um processo em que organismos indesejáveis anexar a uma superfície. Ele tem muitas implicações prejudiciais sobre nossas vidas. Por exemplo, biofouling de bactérias sobre dispositivos médicos leva a infecções hospitalares. Biofouling de organismos marinhos em barcos e navios de grande porte aumenta o<html> o consumo de combustível. 12, 16, 17, 18 -Molécula única força espectroscopia (SMFS), usando um AFM, pode medir directamente as interacções entre um aminoácido ou um péptido com um substrato. 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 Outros métodos, como a exibição de fagos, 27, 28 microbalança de cristal de quartzo (QCM) 29 ou ressonância de plasma de superfície (SPR) 29, 30, 31, 32,ref &quot;&gt; 33 medida as interações de peptídeos e proteínas para superfícies inorgânicas em massa. 34, 35, 36 Isto significa que os resultados obtidos por estes métodos referem-se a conjuntos de moléculas ou agregados. Em SMFS, uma ou poucas moléculas são fixadas à ponta de AFM e as suas interacções com o substrato desejado é medido. Esta abordagem pode ser expandido para estudar o dobramento de proteínas, puxando a proteína a partir da superfície. Além disso, ele pode ser usado para medir as interacções entre células e proteínas e a ligação dos anticorpos para os seus ligandos. 37, 38, 39, 40 Este artigo descreve detalhadamente como anexar tanto peptídeos ou aminoácidos para a ponta do AFM usando química silanol. Além disso, o documento explica como realizar medições de força e como analisar aresultados.

<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

As interacções entre as proteínas ou péptidos e materiais inorgânicos levar a vários processos interessantes. Por exemplo, combinando proteínas com minerais conduz à formação de materiais compósitos com propriedades únicas. Além disso, o processo de incrustação biológica indesejável é iniciada pela adsorção de biomoléculas, principalmente proteínas, nas superfícies. Esta camada orgânica é uma camada de adesão de bactérias e que lhes permite interagir com a superfície. Compreender as forças fundamentais que governam as interações na interface orgânica-inorgânica, é importante para muitas áreas de pesquisa e poderia levar à concepção de novos materiais para aplicações ópticas, mecânicas e biomédicas. Este artigo demonstra uma técnica de espectroscopia de força única molécula que utiliza um AFM para medir a força de aderência entre ambos péptidos ou aminoácidos e superfícies inorgânicas bem definidas. Esta técnica envolve um protocolo para a fixação da biomolécula a AFMponta através de um ligante flexível covalente e única molécula de medidas de espectroscopia de força por parte microscópio de força atômica. Além disso, uma análise dessas medidas está incluída.

A Figura 1 apresenta o procedimento de modificação de ponta. No primeiro passo, um tratamento com plasma modifica a superfície da ponta de nitreto de silício. A ponta apresenta grupos OH. Estes grupos serão, em seguida, reagir com os silanos. No final deste passo, a superfície da ponta vai ser coberta por grupos -NH2 livres. Estas aminas livres vai então reagir com Fmoc-PEG-NHS, um ligante covalente. O grupo Fmoc do ligante é removido por PEG pipyridin...

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

Aqui apresentamos um protocolo para medir a força das interações entre uma superfície inorgânica bem definida e tanto peptídeos ou aminoácidos por única molécula de medidas de espectroscopia de força utilizando um microscópio de força atômica (AFM). As informações obtidas a partir da medição é importante para entender melhor a interfase material de peptídeo-inorgânico.

Insights sobre as interações de aminoácidos e peptídeos com Materiais Inorgânicos Usando Single-Molecule Força Spectroscopy

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

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

Química

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

A síntese de [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; Usando um Metastable Sn (I) Solução Halide Sintetizado por meio de uma técnica de co-condensação

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

Síntese de polímeros cíclicos e Caracterização do seu movimento difusivo no estado fundido na molécula de nível único

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

Espectroscopia de impedância eletroquímica como uma ferramenta para estimativa de constante taxa eletroquímica

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

Determinação de propriedades termodinâmicas de líquidos alcalinos terrosos de ligas metálicas utilizando a técnica de força eletromotriz

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

Sondagem da Estrutura e Dinâmica da Água Interfacial com Microscopia de Tunelamento de Varredura e Espectroscopia

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

Elemental-sensíveis à deteção da química em baterias através de espectroscopia de absorção de raios-x moles e espalhamento inelástico de raios-x ressonante

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 origami-mediada substrato Nanopatterning de estruturas inorgânicas para aplicações de sensoriamento

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

Ligação covalente de moléculas únicas para espectroscopia de força baseada em 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

Microscopia da Força Atômica Combinada com Espectroscopia Infravermelha como ferramenta para sondar química de bacterium único

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