Name: self-assembly of hybrid lipid membranes doped with hydrophobic organic molecules at the water/air interface
Uploaded: 2020-05-01T14:00:00
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Este trabalho foi apoiado pelo programa CREST da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (JPMJCR14F3) e pela Grant in-Aids da Japan Society for the Promotion of Science (19H00846 e 18K14120). Este trabalho foi realizado parcialmente no Laboratório de Nanoeletrônica e Spintronics, Instituto de Pesquisa de Comunicação Elétrica da Universidade de Tohoku.

1. Preparação de uma solução híbrida
<ol><li>Lave quatro frascos de vidro descartáveis de 4 mL e tampas de parafuso (com selos revestidos de PTFE) em um banho ultrassônico por 10 min em água destilada (purificada com um sistema de filtragem), seguida por etanol e clorofórmio, respectivamente. Seque os frascos de vidro e as tampas em um fluxo de gás nitrogênio.</li>
	<li>Em um porta-luvas anaeróbica, prepare uma solução de estoque cupc (10 mg/mL) em um frasco de vidro lavado dissolvendo CuPc em pó em clor...

<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>

Na solução precursora da membrana híbrida, um solvente orgânico misto (clorofórmio e hexano) em vez de clorofórmio puro é usado para dissolver lipídios e CuPc. Se o clorofórmio puro for usado, a densidade da solução precursora seria maior que a água. Portanto, é altamente provável que a solução afundaria no fundo da água em vez de se espalhar na superfície da água. Adicionar hexano, um solvente de baixa densidade, à solução precursora, garante que a solução flutuará sobre a superfície da água e...

Como estruturas essenciais das membranas celulares, o interior das células são separados do exterior por um sistema lipídetivo bicamada. Este sistema consiste em fosfolipídios anfífilicos, que são compostos por ésterso fosfórico hidrofílico "cabeças" e ácidos graxos hidrofóbicos "caudas". Devido à notável fluidez e capacidade de auto-montagem de bicamadas lipídicas em ambiente aquoso1,2, bicamadas lipídicas artificiais podem ser formadas usando métodos simples3,4. Vários tipos de proteínas de membrana, como canais de íons, receptores de membrana e enzimas, foram incorporadas na bicamada lipídica artificial para imitar e estudar as funções das membranas celulares5,6. Mais recentemente, bicamadas lipídicas foram dopadas com nanomateriais (por exemplo, nanopartículas metálicas, grafeno e nanotubos de carbono) para formar membranas híbridas funcionais7,8,9,10,11,12,13. Um método amplamente utilizado para a formação dessas membranas híbridas envolve a formação de vesículas lipídicas dopadas, que contêm materiais hidrofóbicos, como nanotuculas Au-nanopartículasmodificadas 7 ou nanotubos de carbono11,e as vesículas resultantes são então fundidas em bicamadas lipídicas apoiadas por planares. No entanto, essa abordagem é complexa e demorada, o que limita o uso potencial dessas membranas híbridas.
Neste trabalho, as membranas lipídicas foram dopadas com moléculas orgânicas para produzir membranas lipídicas híbridas que se formaram na interface água/ar por auto-montagem. Este protocolo envolve três etapas: preparação da solução mista, formação de uma membrana híbrida na interface água/ar e transferência da membrana para um substrato Si. Comparado com outros métodos relatados anteriormente, o método descrito aqui é mais simples e não requer instrumentação sofisticada. Usando este método, membranas lipídicas híbridas estáveis no ar com uma área maior podem ser formadas em um tempo menor. O nanomaterial utilizado neste estudo é uma molécula orgânica semicondutora, cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-phthalocyanine (CuPc), que é amplamente utilizado em uma série de aplicações, incluindo células solares, fotodetetores, sensores de gás e catálise14,15. CuPc, uma pequena molécula orgânica com uma estrutura planar, tem uma alta afinidade com as "caudas" da dupla de fosfolipídios com suas características hidrofóbicas. Outros grupos relataram que as moléculas de CuPc podem se auto-montar em superfícies de cristal único com a formação de estruturas altamente ordenadas16,17. Portanto, é altamente possível que as moléculas de CuPc possam ser incorporadas aos bicamadas lipídicos através da auto-montagem.
Fornecemos uma descrição detalhada dos procedimentos utilizados para formar membranas e fornecemos algumas sugestões para implementar suavemente este procedimento. Além disso, apresentamos alguns resultados apresentá-inativos das membranas lipídicas híbridas e discutimos possíveis aplicações desse método.

<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

Devido às suas propriedades únicas, incluindo uma espessura ultrathin (3-4 nm), resistividade ultra-alta, fluidez e capacidade de auto-montagem, bicamadas lipídicas podem ser facilmente funcionais e têm sido usadas em várias aplicações, como bio-sensores e bio-dispositivos. Neste estudo, introduzimos uma molécula orgânica planar: cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-phthalocyanine (CuPc) para dopar membranas lipídicas. A membrana híbrida CuPc/lipídica se forma na interface água/ar por auto-montagem. Nesta membrana, as moléculas de CuPc hidrofóbicas estão localizadas entre as caudas hidrofóbicas de moléculas lipídicas, formando uma estrutura de sanduíche lipídico/CuPc/lipídio. Curiosamente, um bicamador lipídado híbrido estável no ar pode ser prontamente formado transferindo a membrana híbrida para um substrato Si. Relatamos um método simples para incorporar nanomateriais em um sistema de bicamadas lipídicas, o que representa uma nova metodologia para a fabricação de biosensores e biodispositivos.

A membrana como formada tem uma cor azul claro uniforme devido à presença de moléculas de CuPc. A área da membrana colorida é normalmente vários centímetros quadrados. Na Figura 1A e Figura 1B,mostramos uma imagem microscópica e uma imagem de microscópio de força atômica (AFM) (incluindo um perfil de altura) da membrana lipídica híbrida em um substrato Si. Na imagem AFM, a membrana no canto superior esquerdo é grossa, com espessura de 79,4 nm e que...

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

Relatamos um protocolo para a produção de uma membrana lipídica híbrida na interface água/ar dopando a bicamada lipídica com moléculas de cobre (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-phthalocyanine (CuPc). A membrana lipídica híbrida resultante tem uma estrutura de sanduíche lipídida/CuPc/lipídio. Este protocolo também pode ser aplicado à formação de outros nanomateriais funcionais.

Auto-montagem de membranas lipídicas híbridas dopadas com moléculas orgânicas hidrofóbicas na interface água/ar

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

Nosso protocolo demonstra um método simples para fabricar moléculas orgânicas dopadas de membranas lipídicas híbridas. A propriedade estável do ar da membrana pode estender a aplicação da estrutura lipídica bicamadas a dispositivos de estado sólido. Usamos um processo de auto-montagem para formar membranas lipídicas híbridas com uma espessura de vários nanômetros.Este protocolo é simples e fácil de seguir e não requer equipamentos complicados. Este método pode ser usado para fabricar outras mesmas membranas lipídicas biohibrificas e pode ser prontamente adotado tanto para sensores quanto para outros dispositivos de sensoriamento. Trabalhando em uma caixa de luvas anaeróbicas, dissolva a phthalocyanina de cobre em clorofórmio dentro de um frasco de vidro lavado para preparar uma solução de estoque de phthalocyanina de cobre de 10 mililitros.Filtre a solução através de uma membrana PTFE de 0,2 micrômetro. Misture a solução DPHPC com um misturador de vórtice a 2.300 RPM por 10 segundos. Em seguida, enxágue uma micro-seringa de vidro com clorofórmio cinco vezes e use-a para transferir 200 microliters da solução para um frasco de vidro pré-lavado.Evaporar o solvente no frasco com um fluxo suave de nitrogênio. Enxágüe outra micro-seringa de vidro com clorofórmio, em seguida, use-a para adicionar 200, 2,6 microliters de clorofórmio ao frasco de vidro com DPHPC. Adicione 47,4 microliters da solução filtrada de estoque de phthalocyanina de cobre na solução DPHPC que deve resultar em uma razão molar de 10 para um DPHPC à phthalocyanine.Use outra seringa limpa para adicionar 250 microliters de hexano à solução. Em seguida, misture-o com um misturador de vórtice a 2.300 RPM por 10 segundos. Filtre a solução preparada através de uma membrana PTFE de 0,2 micrômetro.Corte três por três centímetros substratos de silício de um wafer de silício. Em seguida, limpe-os em um banho ultrassônico por 10 minutos em água purificada, seguido de etanol, e depois clorofórmio. Trate os substratos com plasma de oxigênio por cinco minutos para remover materiais orgânicos adsorvidos da superfície e melhorar a hidrofilialidade.Lave um béquer PTFE com água purificada fluindo por três minutos. Em seguida, coloque o substrato de silício limpo no béquer inclinado com um pequeno ângulo. Despeje uma quantidade suficiente de água purificada no béquer até que todo o substrato de silício esteja submerso.Tire a solução híbrida preparada do congelador e deixe aquecer até a temperatura ambiente. Em seguida, mexa com uma batedeira de vórtice a 2.300 RPM por 15 segundos. Use uma micro seringa microlitra enxaguada de 50 microlitrais para soltar de três a cinco microlitras da solução híbrida na superfície da água formando uma membrana lipídica híbrida flutuante.Para transferir a membrana para o substrato de silício, evaporar o solvente orgânico e bombear a água para fora do béquer com uma bomba peristáltica a uma taxa de três mililitros por minuto. Após a conclusão do processo de transferência, coloque o substrato de silício em um limpador de sala limpo e deixe que toda a água residual evapore. A membrana lipídica híbrida formada tem uma cor azul claro uniforme devido à presença de moléculas de phthalocyanina de cobre, e uma área de vários centímetros quadrados.Aqui são mostradas imagens de microscopia confocal e imagens de microscopia de força atômica da membrana em um substrato de silício. Na imagem AFM, a membrana no canto superior esquerdo é grossa com uma espessura de 79,4 nanômetros, e que no canto inferior direito é fina com uma espessura de 4,9 nanômetros. A membrana fina mostra uma rugosidade superficial de 0,4 nanômetros, que é próxima à do substrato de silício limpo.A análise de raios-X dispersivo de energia foi utilizada para investigar melhor a composição da membrana híbrida no substrato de silício. As proporções atômicas de elementos representativos, como cobre, fósforo, nitrogênio e carbono são 0,33, 0,97, 4,06 e 68,56%, respectivamente. A razão molar teórica de cobre, fósforo, nitrogênio, carbono deve ser de um, para três, para 11, para 192, que está próxima da razão de elementos medidos na membrana híbrida, indicando que a razão entre os lipídios e as moléculas de phthalocyanina de cobre é mantida após os processos de formação e transferência do filme.Dopando as membranas lipídicas com outros nanomateriais, como nanopartículas de grafeno ou mentol, membranas nanohibrificadas com várias funções podem ser prontamente formadas.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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Química

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Formação de Estruturas Biomoleculares Ordenadas pela Automontagem de Peptídeos Pequenos

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