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Nanoengineering de la Generación Siguiente de Superficies Biológicas

por el Dr. Paula Mendes

El Dr. Paula Mendes, Escuela de la Ingeniería Química, Universidad de Birmingham
Autor Correspondiente: P.M.Mendes@bham.ac.uk

Nanoscience y la nanotecnología implican el estudio, la proyección de imagen, la medición, el modelado, o la manipulación de la materia en la escala molecular y de los nanómetros. La aplicación de la nanotecnología y del nanoscience a los sistemas biológicos - conocidos como bionanotechnology1 - asimientos la promesa de resolver muchos de retos de hoy en atención sanitaria. Los descubrimientos Dramáticos se preveen en la investigación de las ciencias de la vida que podría contribuir a la detección sensible y temprana de varias enfermedades humanas, tales como cáncer, Enfermedad de Alzheimer, esclerosis múltiple o artritis reumatoide.

Los campos Terapéuticos tales como salida de la droga, ingeniería del tejido, y descubrimiento de la droga, también se beneficiarán grandemente de avances en bionanotechnology. Aunque esté considerado a menudo1 una de las tecnologías dominantes del siglo XXI, bionanotechnology todavía esté en un estado bastante embrionario y mucho de su potencial debe todavía ser observado. El bionanotechnology Superficial - la ciencia y la tecnología de propiedades biológicas superficiales de comprensión y exacto que controlan y de manipulaciones en la escala molecular y de los nanómetros - es una de las partes más emocionantes y potencialmente más importantes del bionanotechnology.

El objetivo de la investigación del Dr. Mendes en la Universidad de Birmingham es desarrollar más lejos el campo superficial interdisciplinario del bionanotechnology en un nivel fundamental y hacia aplicaciones biológicas y médicas. El grupo de investigación del Dr. Mendes apunta generar los materiales superficiales con las propiedades biológicas que son exacto controladas y manipuladas en las escalas moleculares y de los nanómetros de longitud interconectando la nanotecnología con los sistemas biológicos.

Este campo de la investigación es una de las partes más emocionantes y potencialmente más importantes del bionanotechnology, pero el progreso hasta ahora limitado se ha hecho en parte debido a la complejidad implicada en los procesos del diseño y de la fabricación. Para abordar este reto ambicioso, hemos estado desarrollando las metodologías del descubrimiento para las superficies modeladas2 y estímulo-responsivas3 dirigir. Dentro del campo de superficies biológicas modeladas, el grupo de investigación del Dr. Mendes en colaboración con el grupo de Machesky (El Instituto para la Investigación de Cáncer, REINO UNIDO de Beatson) ha desarrollado4 una metodología para controlar la inmovilización espacial de las proteínas del célula-adhesivo (fibronectin) y del no-célula-adhesivo (albúmina del suero vacuno - BSA) en micro-áreas específicas de una superficie de cristal para ganar discernimientos valiosos en cómo las células exploran su nueva adherencia del ambiente y del formulario hace contacto con para la movilidad y extenderse.

El Dr. Mendes utilizó la impresión del micro-contacto (µCP) y las células embrionarias del fibroblasto (MEF) del ratón para el estudio del filopodia y de las transiciones de filopodial/lamellipodial. el µCP fue empleado para crear modelos lineales del fibronectin con los anchos que variaban a partir del µm el 10 al µm 2,5 y de las separaciones entre 10 µm y 0,5 µm que fueron rellenadas con BSA. Las regiones de Fibronectin proporcionaron a una señal que activaba y a una superficie adhesiva, mientras que las regiones desnaturalizadas de BSA nos permitieron examinar cómo las células obran recíprocamente con áreas inadhesivas. Las células del MEF podían extenderse en estas superficies modeladas, y para anchos más amplios del fibronectin y las separaciones de BSA (5 el µm 5 y 10 µm x del µm x 10 superficies modeladas µm) la orientación de extenderse estaba siempre en dirección del modelo rayado (Cuadro 1).

Cuadro 1: Las Imágenes son únicos bastidores de un timelapse de un MEF que se extiende en 10 galones del fibronectin del µm.

Usando estas superficies modeladas lineales más anchas, era también posible observar que la talla del lamellipodia no era relacionada en el ancho del galón y que lamellipodia, pero no el filopodia, requiere la adherencia para la protuberancia persistente. Estos estudios también permitieron que aprendiéramos más sobre la implicación del complejo Arp2/3 en la propagación celular, y particularmente, que la localización del complejo Arp2/3 al filopodia es independiente de la adherencia. Más recientemente, el Dr. Mendes ha desarrollado5 un protocolo para crear robusto y los modelos de alta resolución de bacterias sobre superficies materiales, permitiendo que las matrices de células viables sean desarrolladas con la estructura espacial controlada para una variedad de procedimientos experimentales incluyendo la comunicación de la célula-a-célula estudian.

Dentro del campo de superficies estímulo-responsivas, el grupo de investigación del Dr. Mendes ha desarrollado6 las superficies electro-activas que se han empleado con éxito para encender las funciones ines situ, ofreciendo una capacidad sin precedente de manipular las acciones recíprocas de proteínas con las superficies. Una nueva clase de las superficies biológicas cambiables - péptidos electro-cambiables superficie-lindados - también se ha generado7 que tienen la capacidad de regular acciones recíprocas biomoleculares en respuesta a un potencial eléctrico aplicado.

Este sistema se basa sobre la transferencia conformacional positivo - los péptidos cargados que se atan a una superficie del oro, tales del oligolysine que las mitades moleculares bioactivas - de la biotina - incorporada en el final de los oligolysines puede ser expuesto (estado bioactivo) o ser encubierto (estado bio-inactivo) a pedido (el Cuadro 2), en función del potencial superficial. La pieza de convicción de los péptidos del oligolysine protonated cadenas laterales amino en pH =7, proporcionando a la base para "ON" y "OFF" que cambiaban de la actividad biológica en la superficie.

Por ejemplo, sobre la aplicación de un potencial negativo, positivo - el sistema molecular cargado experimenta una atracción electroestática a la superficie, llevando a un movimiento molecular mecánico que proteja la mitad bioactiva (Cuadro 2). Para probar la viabilidad del mecanismo que cambiaba propuesto seleccionamos un péptido biotinylated functionalised extremo como el adorno del biorecognition, cuatro residuos de la lisina como la unidad de transferencia y una cisteína terminal para la formación uno mismo-ensamblada (SAM) en superficies del oro - biotina-Lys-Lys-Lys-Lys-Cys (Biotina-KKKKC) de la capa monomolecular.

Cuadro 2. representación Esquemática de la transferencia del péptido mezclado Sams de TEGT-biotinylated entre un estado bioactivo y bio-inactivo. Dependiendo del potencial eléctrico aplicado, el péptido puede exponer o encubrir el sitio de la biotina y regular su atascamiento a NeutrAvidin.

Para proporcionar a la suficiente libertad espacial para cada péptido biotinylated en la superficie, tales que pueden experimentar cambios conformacionales sobre la transferencia sin obstáculo estérico de las moléculas vecinas, superficies del oro functionalised con un dos-componente, SAM del péptido de la biotina-KKKKC y tri mezclados (glicol de etileno) - tiol terminado (TEGT) (Cuadro 2).

Aparte de asegurar la suficiente libertad espacial para la reorientación molecular sinérgica del péptido biotinylated superficie-salto, (los grupos oligos cortos del glicol de etileno) previenen la acción recíproca no específica de las proteínas. Como un mando, un dos-componente, SAM mezclado también fue preparado usando TEGT y un péptido sin la mitad de la biotina - KKKKC. La dinámica de cambiar las propiedades biológicas fue estudiada observando las acciones obligatorias entre la biotina y NeutrAvidin fluorescente etiqueta.

Imágenes del microscopio de Fluorescencia y atascamiento sin obstrucción revelador espectral en + 0,3 V, el atar reducido de los datos de SPR en - 0,4 V, y atascamiento intermedio en las condiciones de circuito (OC) abierto (ningún potencial aplicado). Dependiendo del potencial eléctrico aplicado a Sams mezclado, las moléculas bioactivas incorporadas sobre el SAM pueden ser expuestas completo para atar (+ 0,3 V, estado bioactivo) o ser encubiertas (- 0,4 V, estado bio-inactivo) hasta el punto de la afinidad obligatoria se pueda reducir sobre al 90% de su estado bioactivo (Cuadro 3). Además, la reversibilidad estudia por SPR también demostró que la superficie cambiable desarrollada permite el mando reversible de acciones recíprocas biomoleculares.

Cuadro 3. trazos del sensorgram de SPR que muestran el atascamiento de NeutrAvidin a la Biotina-KKKKC: TEGT Sams mezclado y KKKKC: TEGT Sams mezclado bajo las condiciones OC y positivo aplicado (+ 0,3 V) y negativas (- 0,4 V) potenciales.

Esta tecnología superficial se aprovecha de las propiedades dinámicas únicas de las máquinas para hacer chorizos cargadas superficie-lindadas del péptido en la escala del nanómetro para inducir la transferencia Encendido-apagado de acciones recíprocas, de la configuración el escenario para los avances en la investigación biológica, del remedio, de la biotecnología, y de la bioingeniería biomoleculares específicos.


Referencias

1. C.M. Niemeyer, C.A. Mirkin, GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2004 de Wiley-VCH Verlag.
2. P.M. Mendes, C.L. Yeung, J.A. Preece, Investigación de Nanoscale Pone Letras a 2007, 2, 373.
3. P.M. Mendes, Sociedad Química Revisa 2008, 37, 2512.
4. S.A. Johnston, J.P. Bramble, C.L. Yeung, P.M. Mendes, L.M. Machesky, Biología Celular 2008, 9, 65 de BMC.
5. C. Costello, J. - U. Kreft, C.M. Thomas, P.M. Mendes, Nanoproteomics: Métodos y Protocolos, S. Toms y R. Weil, eds., en Protocolos del Saltador. Métodos en la Biología Molecular, Prensa de Humana. En Prensa.
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, Química 2007, 18, 1919 de Bioconjugate.
7. C.L. Yeung, P. Iqbal, M. Allan, M. Lashkor, J.A. Preece, P.M. Mendes, Materiales Funcionales Avanzados, 2010, 20, 2657.

Derechos De Autor AZoNano.com, el Dr. Paula Mendes (Universidad de Birmingham)

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

Last Update: 14. June 2013 04:44

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