Name: self-assembly of hybrid lipid membranes doped with hydrophobic organic molecules at the water/air interface
Uploaded: 2020-05-01T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Self-Assembly of Hybrid Lipid Membranes Doped with Hydrophobic Organic Molecules at the Water/Air Interface at JoVE.com

Questo lavoro è stato supportato dal programma CREST della Japan Science and Technology Agency (JPMJCR14F3) e grant in-Aids della Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 e 18K14120). Questo lavoro è stato in parte svolto presso il Laboratorio di Nanoelettronica e Spintronica, Istituto di Ricerca di Comunicazione Elettrica, Università di Tohoku.

1. Preparazione di una soluzione ibrida
<ol><li>Lavare quattro flaconcini e tappi a vite monouso da 4 mL (con guarnizioni rivestite in PTFE) in un bagno ad ultrasuoni per 10 minuti in acqua distillata (purificata con un sistema di filtrazione), seguita rispettivamente da etanolo e cloroformio. Asciugare le fiale e i tappi di vetro in un flusso di gas azoto.</li>
	<li>In una scatola di guanti anaerobica, preparare una soluzione di brodo CuPc (10 mg/mL) in una fiala di vetro lavata sciogliendo il CuPc in polvere in cloro...

<ol>
	<li>Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J., Ninham, B. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theory+of+self-assembly+of+lipid+bilayers+and+vesicles.">Theory of self-assembly of lipid bilayers and vesicles.</a> Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes. 470 (2), 185-201 (1977).</li><li>Venable, R. M., Zhang, Y., Hardy, B. J., Pastor, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+dynamics+simulations+of+a+lipid+bilayer+and+of+hexadecane:+an+investigation+of+membrane+fluidity.">Molecular dynamics simulations of a lipid bilayer and of hexadecane: an investigation of membrane fluidity.</a> Science. 262 (5131), 223-226 (1993).</li><li>Ide, T., Ichikawa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+method+for+artificial+lipid-bilayer+formation.">A novel method for artificial lipid-bilayer formation.</a> Biosensors and Bioelectronics. 21 (4), 672-677 (2005).</li><li>Funakoshi, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+bilayer+formation+by+contacting+monolayers+in+a+microfluidic+device+for+membrane+protein+analysis.">Lipid bilayer formation by contacting monolayers in a microfluidic device for membrane protein analysis.</a> Analytical Chemistry. 78 (24), 8169-8174 (2006).</li><li>Kongsuphol, P., Fang, K. B., Ding, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+bilayer+technologies+in+ion+channel+recordings+and+their+potential+in+drug+screening+assay.">Lipid bilayer technologies in ion channel recordings and their potential in drug screening assay.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 185, 530-542 (2013).</li><li>Demarche, S., Sugihara, K., Zambelli, T., Tiefenauer, L., Voros, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Techniques+for+recording+reconstituted+ion+channels.">Techniques for recording reconstituted ion channels.</a> Analyst. 136 (6), 1077-1089 (2011).</li><li>Sakaguchi, N., Kimura, Y., Hirano-Iwata, A., Ogino, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+Au-nanoparticle-embedded+lipid+bilayer+membranes+supported+on+solid+substrates.">Fabrication of Au-nanoparticle-embedded lipid bilayer membranes supported on solid substrates.</a> The Journal of Physical Chemistry B. 121 (17), 4474-4481 (2017).</li><li>Schulz, M., Olubummo, A., Binder, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beyond+the+lipid+bilayer:+interaction+of+polymers+and+nanoparticles+with+membranes.">Beyond the lipid bilayer: interaction of polymers and nanoparticles with membranes.</a> Soft Matter. 8 (18), 4849-4864 (2012).</li><li>Wang, J., Wei, Y., Shi, X., Gao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellular+entry+of+graphene+nanosheets:+the+role+of+thickness,+oxidation+and+surface+adsorption.">Cellular entry of graphene nanosheets: the role of thickness, oxidation and surface adsorption.</a> RSC Advances. 3 (36), 15776-15782 (2013).</li><li>Vo&#776;gele, M., Ko&#776;finger, J., Hummer, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+dynamics+simulations+of+carbon+nanotube+porins+in+lipid+bilayers.">Molecular dynamics simulations of carbon nanotube porins in lipid bilayers.</a> Faraday Discussions. 209, 341-358 (2018).</li><li>Kanomata, K., Deguchi, T., Ma, T., Haseyama, T., Miura, M., Yamaura, D., Tadaki, D., Niwano, M., Hirano-Iwata, A., Hirose, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photomodulation+of+electrical+conductivity+of+a+PCBM-doped+free-standing+lipid+bilayer+in+buffer+solution.">Photomodulation of electrical conductivity of a PCBM-doped free-standing lipid bilayer in buffer solution.</a> Journal of Electroanalytical Chemistry. 832, 55-58 (2019).</li><li>Barnoud, J., Rossi, G., Monticelli, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+Membranes+as+Solvents+for+Carbon+Nanoparticles.">Lipid Membranes as Solvents for Carbon Nanoparticles.</a> Physical Review Letters. 112, 068102 (2014).</li><li>Dichello, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+liposomes+containing+small+gold+nanoparticles+using+electrostatic+interactions.">Preparation of liposomes containing small gold nanoparticles using electrostatic interactions.</a> European Journal of Pharmaceutical Sciences. 105, 55-63 (2017).</li><li>Sullivan, P., Heutz, S., Schultes, S. M., Jones, T. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+codeposition+on+the+performance+of+CuPc&#8722;C60+heterojunction+photovoltaic+devices.">Influence of codeposition on the performance of CuPc&#8722;C60 heterojunction photovoltaic devices.</a> Applied Physics Letters. 84 (7), 1210-1212 (2004).</li><li>Miyata, T., Kawaguchi, S., Ishii, M., Minami, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+sensitivity+chlorine+gas+sensors+using+Cu&#8722;phthalocyanine+thin+films.">High sensitivity chlorine gas sensors using Cu&#8722;phthalocyanine thin films.</a> Thin Solid Films. 425 (1-2), 255-259 (2003).</li><li>Barrena, E., de Oteyza, D. G., Dosch, H., Wakayama, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=2D+supramolecular+self-assembly+of+binary+organic+monolayers.">2D supramolecular self-assembly of binary organic monolayers.</a> ChemPhysChem. 8 (13), 1915-1918 (2007).</li><li>Xiao, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-induced+orientation+control+of+CuPc+molecules+for+the+epitaxial+growth+of+highly+ordered+organic+crystals+on+graphene.">Surface-induced orientation control of CuPc molecules for the epitaxial growth of highly ordered organic crystals on graphene.</a> Journal of the American Chemical Society. 135 (9), 3680-3687 (2013).</li><li>Feng, X., Ma, T., Yamaura, D., Tadaki, D., Hirano-Iwata, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+and+characterization+of+air-stable+lipid+bilayer+membranes+incorporated+with+phthalocyanine+molecules.">Formation and characterization of air-stable lipid bilayer membranes incorporated with phthalocyanine molecules.</a> The Journal of Physical Chemistry B. 123 (30), 6515-6520 (2019).</li><li>Wu, Y., He, K., Ludtke, S. J., Huang, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=X-ray+diffraction+study+of+lipid+bilayer+membranes+interacting+with+amphiphilic+helical+peptides:+diphytanoyl+phosphatidylcholine+with+alamethicin+at+low+concentrations.">X-ray diffraction study of lipid bilayer membranes interacting with amphiphilic helical peptides: diphytanoyl phosphatidylcholine with alamethicin at low concentrations.</a> Biophysical Journal. 68 (6), 2361-2369 (1995).</li><li>Zaitseva, S. V., Bettini, S., Valli, L., Kolker, A. M., Borovkov, N. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atypical+film-forming+behavior+of+soluble+tetra-3-nitro-substituted+copper+phthalocyanine.">Atypical film-forming behavior of soluble tetra-3-nitro-substituted copper phthalocyanine.</a> ChemPhysChem. 20 (3), 422-428 (2019).</li><li>Ghani, F., Gojzewski, H., Riegler, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nucleation+and+growth+of+copper+phthalocyanine+aggregates+deposited+from+solution+on+planar+surfaces.">Nucleation and growth of copper phthalocyanine aggregates deposited from solution on planar surfaces.</a> Applied Surface Science. 351, 969-976 (2015).</li></ol>

Nella soluzione precursore della membrana ibrida, un solvente organico misto (cloroformio ed esano) piuttosto che cloroformio puro viene utilizzato per sciogliere lipidi e CuPc. Se si utilizza il cloroformio puro, la densità della soluzione precursore sarebbe superiore all'acqua. Pertanto, è altamente probabile che la soluzione affondi sul fondo dell'acqua piuttosto che diffondersi sulla superficie dell'acqua. L'aggiunta di esano, un solvente a bassa densità, alla soluzione precursore, assicura che la soluzione galleg...

Come quadro essenziale delle membrane cellulari, l'interno delle cellule è separato dall'esterno da un sistema di doppio strato lipidico. Questo sistema è costituito da fosfolipidi anfifili, che sono composti da "teste" di estere fosforico idrofilo e acidi grassi idrofobici "code". A causa della notevole fluidità e capacità di auto-assemblaggio dei bistrati lipidici in ambiente acquoso1,2,i bistrati lipidici artificiali possono essere formati utilizzando semplicimetodi 3,4. Vari tipi di proteine di membrana, come canali ionici, recettori di membrana ed enzimi, sono stati incorporati nel bistrato lipidico artificiale per imitare e studiare le funzioni delle membranecellulari 5,6. Più recentemente, i bistrati lipidici sono stati drogati con nanomateriali (ad esempio, nanoparticelle metalliche, grafene e nanotubi di carbonio) per formare membrane ibride funzionali7,8,9,10,11,12,13. Un metodo ampiamente utilizzato per formare tali membrane ibride comporta la formazione di vescicole lipidiche drogate, che contengono materiali idrofobici come le Nanoparticelle7 modificate o i nanotubi di carbonio11, e le vescicole risultanti vengono quindi fuse in bistrati lipidici supportati planari. Tuttavia, questo approccio è complesso e dispendioso in termini di tempo, il che limita i potenziali usi di tali membrane ibride.
In questo lavoro, le membrane lipidiche sono state drogate con molecole organiche per produrre membrane lipidiche ibride che si sono formate all'interfaccia acqua /aria per auto-assemblaggio. Questo protocollo prevede tre fasi: preparazione della soluzione mista, formazione di una membrana ibrida all'interfaccia acqua/aria e trasferimento della membrana su un substrato Si. Rispetto ad altri metodi precedentemente riportati, il metodo descritto qui è più semplice e non richiede una strumentazione sofisticata. Utilizzando questo metodo, le membrane lipidiche ibride stabili per l'aria con un'area più ampia possono essere formate in un tempo più breve. Il nanomateriale utilizzato in questo studio è una molecola organica semiconduttore, rame (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-ftatocianina (CuPc), che è ampiamente utilizzata in una serie di applicazioni, tra cui celle solari, fotodetettori, sensori di gas e catalisi14,15. CuPc, una piccola molecola organica con una struttura planare, ha un'alta affinità per le "code" dei fosfolipidi duo alle sue caratteristiche idrofobiche. Altri gruppi hanno riferito che le molecole di CuPc possono auto-assemblarsi su superfici monocristatiche con laformazione di strutture altamente ordinate 16,17. Pertanto, è altamente possibile che le molecole di CuPc possano essere incorporate nei bistrati lipidici attraverso l'auto-assemblaggio.
Forniamo una descrizione dettagliata delle procedure utilizzate per formare membrane e forniamo alcuni suggerimenti per l'attuazione senza intoppi di questa procedura. Inoltre, presentiamo alcuni risultati rappresentativi delle membrane lipidiche ibride e discutiamo le potenziali applicazioni di questo metodo.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Chloroform</td>
			<td>Wako&#160;Chemicals</td>
			<td>033-08631</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CuPc</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>423165</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPhPc</td>
			<td>Avanti Polar Lipids</td>
			<td>850356C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass vials with screw cap</td>
			<td>Nichiden-Rike Glass Co., Ltd</td>
			<td>6-29801</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hexane</td>
			<td>Wako&#160;Chemicals</td>
			<td>084-03421</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Membrane filters</td>
			<td>Merck Millipore Ltd.</td>
			<td>R8CA42836</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-syringe</td>
			<td>Hamilton</td>
			<td>80530</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peristaltic pump</td>
			<td>Tokyo Rikakikai Co., Ltd.</td>
			<td>11914199</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex mixer</td>
			<td>Scientific Industries, Inc.</td>
			<td>SI-0286</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

self-assembly of hybrid lipid membranes doped with hydrophobic organic molecules at the water/air interface

Grazie alle loro proprietà uniche, tra cui uno spessore ultratonale (3-4 nm), resistività ultraelevata, fluidità e capacità di auto-assemblaggio, i bistrati lipidici possono essere facilmente funzionalizzati e sono stati utilizzati in varie applicazioni come biosensori e bio-dispositivi. In questo studio, abbiamo introdotto una molecola organica planare: rame (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-ftatocianina (CuPc) per drogare le membrane lipidiche. La membrana ibrida CuPc/lipidi si forma all'interfaccia acqua/aria mediante auto-assemblaggio. In questa membrana, le molecole di CuPc idrofobiche si trovano tra le code idrofobiche delle molecole lipidiche, formando una struttura sandwich lipidica/ CuPc / lipidica. È interessante notare che un doppio strato lipidico ibrido stabile all'aria può essere facilmente formato trasferendo la membrana ibrida su un substrato Si. Reportiamo un metodo semplice per incorporare nanomateriali in un sistema di doppio strato lipidico, che rappresenta una nuova metodologia per la fabbricazione di biosensori e biodevice.

La membrana as-formed ha un colore azzurro uniforme a causa della presenza di molecole cupc. L'area della membrana colorata è normalmente di diversi centimetri quadrati. Nella figura 1A e nella figura 1B, mostriamo un'immagine microscopica e un'immagine al microscopio a forza atomica (AFM) (incluso un profilo di altezza) della membrana lipidica ibrida su un substrato Si. Nell'immagine AFM, la membrana in alto a sinistra è spessa, con uno spessore di 79,4 nm e ...

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Self-Assembly of Hybrid Lipid Membranes Doped with Hydrophobic Organic Molecules at the Water/Air Interface

Reportiamo un protocollo per la produzione di una membrana lipidica ibrida all'interfaccia acqua/aria doping il bistrato lipidico con molecole di rame (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-ftatocianina (CuPc). La membrana lipidica ibrida risultante ha una struttura sandwich lipidica/ CuPc / lipidica. Questo protocollo può anche essere applicato alla formazione di altri nanomateriali funzionali.

Auto-assemblaggio di membrane lipidiche ibride drogate con molecole organiche idrofobiche presso l'interfaccia acqua/aria

Because of their unique properties, including an ultrathin thickness (3-4 nm), ultrahigh resistivity, fluidity and self-assembly ability, lipid bilayers ...

Il nostro protocollo dimostra un metodo semplice per fabbricare membrane lipidiche ibride drogate di molecole organiche. La proprietà stabile dell'aria della membrana può estendere l'applicazione della struttura del doppio strato lipidico ai dispositivi allo stato solido. Usiamo un processo di auto-assemblaggio per formare membrane lipidiche ibride con uno spessore di diversi nanometri.Questo protocollo è semplice e facile da seguire e non richiede attrezzature complicate. Questo metodo può essere utilizzato per fabbricare altre stesse membrane lipidiche bioibride e può essere facilmente adottato sia per sensori che per altri dispositivi di rilevamento. Lavorando in una scatola di guanti anaerobica, sciogliere la ftatocianina di rame in cloroformio all'interno di una fiala di vetro lavata per preparare una soluzione di 10 milligrammi per soluzione di ftatocianina di rame millilitro.Filtrare la soluzione attraverso una membrana PTFE da 0,2 micrometri. Mescolare la soluzione DPHPC con un miscelatore a vortice a 2.300 giri/min per 10 secondi. Quindi sciacquare una microsiringa di vetro con cloroformio cinque volte e utilizzarla per trasferire 200 microlitri della soluzione in una fiala di vetro pre-lavata.Evaporare il solvente nel flaconcino con un flusso delicato di azoto. Risciacquare un'altra microsiringa di vetro con cloroformio, quindi utilizzarla per aggiungere 200, 2,6 microlitri di cloroformio alla fiala di vetro con DPHPC. Aggiungere 47,4 microlitri della soluzione di stock di ftatocianina di rame filtrata nella soluzione DPHPC, che dovrebbe comportare un rapporto molare di 10 a un DPHPC con ftatocianina.Utilizzare un'altra siringa pulita per aggiungere 250 microlitri di esano alla soluzione. Quindi mescolarlo con un mixer a vortice a 2.300 giri/min per 10 secondi. Filtrare la soluzione preparata attraverso una membrana PTFE da 0,2 micrometri.Tagliare tre per tre centimetri di substrati di silicio da un wafer di silicio. Quindi pulirli in un bagno ad ultrasuoni per 10 minuti in acqua purificata, seguita da etanolo, e poi cloroformio. Trattare i substrati con plasma di ossigeno per cinque minuti per rimuovere i materiali organici adsorbiti dalla superficie e per migliorare l'idrofilia.Lavare un becher PTFE con acqua purificata che scorre per tre minuti. Quindi mettere il substrato di silicio pulito nel becher inclinato con un piccolo angolo. Versare una quantità sufficiente di acqua purificata nel becher fino a quando l'intero substrato di silicio non viene sommerso.Togliere la soluzione ibrida preparata dal congelatore e consentirgli di riscaldarsi a temperatura ambiente. Quindi mescolarlo con un miscelatore a vortice a 2.300 giri/min per 15 secondi. Utilizzare una microsiringa da 50 microlitri risciacquata per far cadere da tre a cinque microlitri della soluzione ibrida sulla superficie dell'acqua formando una membrana lipidica ibrida galleggiante.Per trasferire la membrana sul substrato di silicio, evaporare il solvente organico e pompare l'acqua dal becher con una pompa peristaltica ad una velocità di tre millilitri al minuto. Al termine del processo di trasferimento, posizionare il substrato di silicio su un tergicristallo della camera pulita e lasciare evaporare tutta l'acqua residua. La membrana lipidica ibrida as formata ha un colore azzurro uniforme a causa della presenza di molecole di ftatocianina di rame e un'area di diversi centimetri quadrati.Qui sono mostrate immagini di microscopia confocale e immagini di microscopia a forza atomica della membrana su un substrato di silicio. Nell'immagine AFM, la membrana in alto a sinistra è spessa con uno spessore di 79,4 nanometri, e quella in basso a destra è sottile con uno spessore di 4,9 nanometri. La membrana sottile mostra una rugosità superficiale di 0,4 nanometri, che è vicina a quella del substrato di silicio pulito.L'analisi a raggi X dispersiva di energia è stata utilizzata per indagare ulteriormente la composizione della membrana ibrida sul substrato di silicio. I rapporti atomici degli elementi rappresentativi, come rame, fosforo, azoto e carbonio sono rispettivamente 0,33, 0,97, 4,06 e 68,56%. Il rapporto molare teorico tra rame, fosforo, azoto, e carbonio dovrebbe essere uno, a tre, a 11, a 192, che è vicino al rapporto elemento misurato nella membrana ibrida, indicando che il rapporto tra i lipidi e le molecole di ftatocianina di rame viene mantenuto dopo i processi di formazione e trasferimento del film.Doping le membrane lipidiche con altri nanomateriali, come nanoparticelle di grafene o mentolo, le membrane nanoibride con varie funzioni possono essere facilmente formate.

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