Nanoengineering der Nächsten Generation der Biologischen Oberflächen

durch Dr. Paula Mendes

Dr. Paula Mendes, Schule der Industriechemie, Universität von Birmingham
Entsprechender Autor: P.M.Mendes@bham.ac.uk

Nanoscience und Nanotechnologie beziehen die Studie, die Darstellung, das Messen, die Formung oder die Manipulation des Stoffes an der molekularen und nmschuppe mit ein. Die Anwendung der Nanotechnologie und des nanoscience zu den biologischen Anlagen - bekannt als bionanotechnology1 - Griffe das Versprechen des Lösens viele von heutigen Herausforderungen im Gesundheitswesen. Drastische Durchbrüche werden in der Biowissenschaftsforschung erwartet, die zu empfindlichem und zur Früherkennung einiger menschlicher Krankheiten, wie Krebs, Alzheimerkrankheit, multiple Sklerose oder rheumatoide Arthritis beitragen könnte.

Therapeutische Bereiche wie Medikamentenverabreichung, Gewebetechnik und Drogenentdeckung, profitieren auch groß von Fortschritten im bionanotechnology. Obgleich häufig betrachtet, 1 ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts, bionanotechnology noch in einem ziemlich embryonalen Zustand und viel seines Potenzials soll schon verwirklicht werden. Oberflächen-bionanotechnology - das Wissenschaft und Technik von Verständnisund genau Steuerungsund manipulierenden biologischen Oberflächeneigenschaften an der molekularen und nmschuppe - ist einer von aufregendsten und möglicherweise wichtigsten Bereichen von bionanotechnology.

Das Lernziel von Forschung Dr. Mendes' an der Universität von Birmingham ist, den interdisziplinären Oberflächen-bionanotechnology Bereich auf einer grundlegenden Stufe und in Richtung zu den biologischen und medizinischen Anwendungen weiter zu entwickeln. Forschungsgruppe Dr. Mendes zielt darauf ab, Oberflächenmaterialien mit biologischen Eigenschaften zu erzeugen, die an den molekularen und nmlänge Schuppen genau esteuert und manipuliert sind, indem sie Nanotechnologie an biologische Anlagen anschließen.

Dieses Forschungsgebiet ist einer von aufregendsten und möglicherweise wichtigsten Bereichen von bionanotechnology, aber bis jetzt begrenzter Fortschritt ist teils wegen der Komplexität gemacht worden, die in die Auslegungs- und Fälschungsprozesse mit einbezogen wird. Um diese ehrgeizige Herausforderung zu bewältigen, haben wir Durchbruchverfahrene für die kopierten und Auslöseimpuls-entgegenkommenden2 Oberflächen der Technik3 entwickelt. Innerhalb des Bereichs von kopierten biologischen Oberflächen, hat Forschungsgruppe Dr. Mendes' gemeinsam mit Machesky-Gruppe (das Beatson-Institut für Krebsforschung, GROSSBRITANNIEN) ein4 Verfahren entwickelt, um die räumliche Immobilisierung von Zellekleber (fibronectin) und Nicht-Zellekleber (Rinderserumalbumin - BSA) Proteinen in den spezifischen Mikrobereichen einer Glasoberfläche zu steuern, um zu gewinnen wertvolle Einblicke in, wie Zellen ihren neuen Beitritt der Umgebung und des Formulars erforschen, in Kontakt bringt für Motilität und das Ausbreiten.

Dr. Mendes verwendete Mikrokontakt Drucken (µCP) und Mäuseembryonale Fibroblast (MEF)zellen für die Studie von filopodia und von filopodial-/lamellipodialübergängen. µCP wurde eingesetzt, um fibronectin lineare Muster mit den Breiten zu erstellen, die von µm 10 zu µm 2,5 und von den Abständen zwischen 10 µm und 0,5 µm, die, schwanken mit BSA nachgefüllt wurden. Fibronectin-Regionen lieferten ein aktivierendes Signal und eine klebende Oberfläche, während denaturated BSA-Regionen uns aktivierten, zu prüfen, wie Zellen auf Nichtkleber Bereiche einwirken. MEF-Zellen waren in der Lage, auf diesen kopierten Oberflächen auszubreiten, und für breitere fibronectin Breiten und BSA-Abstände (5 µm x 5 µm und 10 µm x 10 µm kopierte Oberflächen) war die Orientierung des Ausbreitens immer in Richtung des gestreiften Musters (Abbildung 1).

Abbildung 1: Bilder sind einzelne Felder von einem timelapse eines MEF, der auf 10 µm fibronectin Streifen ausbreitet.

Indem man diese breiteren linearen kopierten Oberflächen verwendete, war es auch möglich, zu beobachten, dass die Größe von lamellipodia nicht von der Breite des Streifens abhängig war und dass lamellipodia, aber nicht filopodia, benötigen Beitritt für hartnäckigen Vorsprung. Diese Studien erlaubten uns auch, mehr über die Beteiligung des Komplexes Arp2/3 beim Zellausbreiten zu lernen und insbesondere, dass die Lokolisierung des Komplexes Arp2/3 zum filopodia Unabhängiges des Beitrittes ist-. Vor kurzem, hat Dr. Mendes ein5 Protokoll entwickelt, um robustes zu erstellen und die Muster der hohen Auflösung von Bakterien auf Materialoberflächen, erlaubend, dass Reihen der lebensfähigen Zellen mit esteuerter räumlicher Zelle für eine Vielzahl von experimentellen Prozeduren einschließlich Zelle-zuzellennachrichtenübermittlung studiert entwickelt werden.

Innerhalb des Bereichs von Auslöseimpuls-entgegenkommenden Oberflächen, hat Forschungsgruppe Dr. Mendes' die Galvano-aktiven6 Oberflächen entwickelt, die erfolgreich eingesetzt worden sind, um die Funktionalitäten anzuschalten, die in-situ sind und eine beispiellose Fähigkeit angeboten, die Interaktionen von Proteinen mit Oberflächen zu manipulieren. Eine neue Klasse schaltbare biologische Oberflächen - Oberfläche-begrenzte Galvano-schaltbare Peptide - sind auch erzeugt worden, 7 die die Kapazität haben, biomolekulare Interaktionen in Erwiderung auf ein angewandtes elektrisches Potenzial zu regeln.

Diese Anlage basiert nach der angleichbaren Schaltung positiv - belastete oligolysine Peptide, die zu einer Goldoberfläche begrenzt werden, sodass bioactive molekulare Hälften - des Biotins -, das am Ende der oligolysines enthalten wird, kann freigelegt werden (Bio-aktiver Zustand) oder Bedarfs- verborgen werden (Bio-inaktiv Zustand) (Abbildung 2), als Funktion des Oberflächenpotentials. Die oligolysine Peptidausstellung protonated Aminoseitenketten bei pH =7 und bot die Basis für zugeschaltete "ON" und "OFF" der biologischen Aktivität auf der Oberfläche.

Zum Beispiel nach der Anwendung eines Minuspotenzials, positiv - belastete molekulare Anlage erfährt eine elektrostatische Anziehungskraft zur Oberfläche und führt zu einen mechanischen molekularen Antrag, der die bioactive Hälfte abschirmt (Abbildung 2). Um die Entwicklungsfähigkeit der vorgeschlagenen zugeschalteten Vorrichtung zu prüfen wählten wir ein Ende functionalised biotinylated Peptid als das biorecognition Motiv, vier Lysinrückstände wie der Schaltkasten und Terminalcystein für selbst-zusammengebaute Entstehung (SAM) der monomolekularen Schicht auf Goldoberflächen - Biotin-Lys-Lys-Lys-Lys-Cys aus (Biotin-KKKKC).

Abbildung 2. Vereinfachte Darstellung von der Schaltung Misch-TEGT-biotinylatedpeptids Sams zwischen einem Bio-aktiven und Bio-inaktiv Zustand. Abhängig von dem elektrischen angewendeten Potenzial, kann das Peptid die Biotinsite freilegen oder verbergen und seine Schwergängigkeit zu NeutrAvidin regeln.

Um genügende räumliche Freiheit für jedes biotinylated Peptid auf der Oberfläche zur Verfügung zu stellen, functionalised sodass es angleichbare Änderungen nach Schaltung ohne sterische Behinderung durchmachen kann von den Nachbarmolekülen, Goldoberflächen mit einem Zweibauteil, Misch-SAM des Biotin-KKKKC Peptids und Tri (Ethylenglycol) - abgebrochener Thiolalkohol (TEGT) (Abbildung 2).

Abgesehen von dem Sicherstellen der genügenden räumlichen Freiheit für synergistische molekulare Neuausrichtung des Oberfläche-gehenden biotinylated Peptids, verhindern die kurzen Oligo (Ethylenglycol) Gruppen unspezifische Interaktion an den Proteinen. Wie eine Regelung, ein Zweibauteil, Misch-SAM auch unter Verwendung TEGT und eines Peptids ohne die Biotinhälfte - KKKKC vorbereitet wurde. Die Dynamik des Schaltens der biologischen Eigenschaften wurde studiert, indem man die verbindlichen Ereignisse zwischen Biotin und Leuchtstoff beschriftetem NeutrAvidin beobachtete.

Fluoreszenzmikroskopbilder und aufgedeckte Schwergängigkeit SPR-Spektraldaten offenbar an + 0,3 V, verringertes Binden an - 0,4 V und Zwischenschwergängigkeit in an den Zuständen der offenen (OC) Schaltung (kein angewandtes Potenzial). Abhängig von dem elektrischen Potenzial, das an Misch-Sams angewendet wird, können die bioactive Moleküle, die auf die SAM enthalten werden, für das Binden völlig freigelegt werden (+ 0,3 V, Bio-aktiver Zustand) oder verborgen werden (- 0,4 V, Bio-inaktiv Zustand) soweit, dass verbindliche Affinität bis über 90% seines Bio-aktiven Zustands verringert werden kann (Abbildung 3). Außerdem studiert Umkehrbarkeit durch SPR zeigte auch, dass die entwickelte schaltbare Oberfläche umschaltbare Regelung von biomolekularen Interaktionen erlaubt.

Abbildung 3. SPR-sensorgram Spuren, welche die Schwergängigkeit von NeutrAvidin zum Biotin-KKKKC zeigen: TEGT Misch-Sams und KKKKC: TEGT Misch-Sams unter OC-Bedingungen und einem angewandten Positiv (+ 0,3 V) und Negativ (- 0,4 V) Potenzial.

Diese Oberflächentechnik nutzt die eindeutigen dynamischen Eigenschaften von Oberfläche-begrenzten belasteten Peptidverknüpfungsprogrammen an der nmschuppe, um Ein-Ausschaltung von spezifischen biomolekularen Interaktionen, von Einstellung die Stufe für Fortschritte in der biologischen Forschung, von Medizin, von Biotechnologie und von Biotechnik zu verursachen.


Bezüge

1. C.M. Niemeyer, C.A. Mirkin, Wiley-VCH Verlag GmbH- u. Co. KGaA, Weinheim, 2004.
2. P.M. Mendes, C.L. Yeung, J.A. Preece, Nanoscale-Forschung Bezeichnet 2007, 2, 373 mit Buchstaben.
3. P.M. Mendes, Chemische Gesellschaft Wiederholt 2008, 37, 2512.
4. S.A. Johnston, J.P. Bramble, C.L. Yeung, P.M. Mendes, L.M. Machesky, BMC-Zellbiologie 2008, 9, 65.
5. C. Costello, J. - U. Kreft, C.M. Thomas, P.M. Mendes, Nanoproteomics: Methoden und Protokolle, S. Toms und R. Weil, Eds., in den Springer-Protokollen. Methoden in der Molekularbiologie, Humana-Druckerei. In der Druckerei.
6. P.M. Mendes, K.L. Christman, P. Parthasarathy, E. Schopf, J. Ouyang, Y. Yang, J.A. Preece, H.D. Maynard, Y. Chen, J.F. Stoddart, Bioconjugate-Chemie 2007, 18, 1919.
7. C.L. Yeung, P. Iqbal, M. Allan, M. Lashkor, J.A. Preece, P.M. Mendes, Hoch entwickelte FunktionsMaterialien, 2010, 20, 2657.

Copyright AZoNano.com, Dr. Paula Mendes (Universität von Birmingham)

Date Added: Dec 1, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:12

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