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Nanoengineering du Prochain Rétablissement des Surfaces Biologiques

par M. Paula Mendes

M. Paula Mendes, École du Génie Chimique, Université de Birmingham
Auteur Correspondant : P.M.Mendes@bham.ac.uk

Nanoscience et nanotechnologie comportent l'étude, la représentation, la mesure, la modélisation, ou la manipulation de la substance à l'échelle moléculaire et de nanomètre. L'application de la nanotechnologie et du nanoscience aux systèmes biologiques - connus sous le nom de bionanotechnology1 - prises la promesse de résoudre plusieurs de défis d'aujourd'hui dans la santé. Des découvertes Excessives sont prévues dans la recherche en matière des sciences de la vie qui pourrait contribuer à sensible et au dépistage précoce d'un certain nombre de maladies humaines, telles que le cancer, la Maladie d'Alzheimer, la sclérose en plaques ou l'arthrite rhumatoïde.

Les zones Thérapeutiques telles que l'accouchement de médicament, le bureau d'études de tissu, et la découverte de médicaments, bénéficieront également grand des avances dans le bionanotechnology. Bien Que souvent considéré1 une des technologies clé du 21ème siècle, bionanotechnology est toujours dans une condition assez embryonnaire et beaucoup de son potentiel doit être réalisé encore. Le bionanotechnology Extérieur - la science et technologie des propriétés biologiques extérieures de compréhension et avec précision de réglage et manipulantes à l'échelle moléculaire et de nanomètre - est l'un de la plupart des exciter et domaines potentiellement importants de bionanotechnology.

L'objectif de la recherche de M. Mendes'à l'Université de Birmingham est de développer davantage la zone extérieure interdisciplinaire de bionanotechnology à un niveau principal et vers biologique et des applications médicales. L'organisme de recherche de M. Mendes vise à produire des matériaux extérieurs avec les propriétés biologiques qui sont avec précision réglées et manipulées aux échelles moléculaires et de nanomètre de longueur en reliant la nanotechnologie avec des systèmes biologiques.

Ce domaine de la recherche est l'un de la plupart des exciter et domaines potentiellement importants de bionanotechnology, mais le progrès jusqu'ici limité a été accompli partiellement dû à la complexité concernée dans les procédés de design et de fabrication. Afin d'aborder ce défi ambitieux, nous avions développé des méthodologies de découverte pour les surfaces modelées2 et stimulus-sensibles3 de concevoir. Dans la zone des surfaces biologiques modelées, l'organisme de recherche de M. Mendes'en collaboration avec le groupe de Machesky (L'Institut de Beatson pour la Cancérologie, R-U) a développé4 une méthodologie pour régler l'immobilisation spatiale des protéines de cellule-adhésif (fibronectine) et de non-cellule-adhésif (albumine de sérum de boeuf - BSA) dans des micro-zones particulières d'une surface en verre afin de gagner des analyses précieuses dans la façon dont les cellules explorent leur adhérence neuve d'environnement et de forme entre en contact pour la motilité et la propagation.

M. Mendes a utilisé l'impression de micro-contact (µCP) et les cellules embryonnaires de fibroblaste (MEF) de souris pour l'étude du filopodia et des passages de filopodial/lamellipodial. le µCP a été utilisé pour produire les configurations linéaires de fibronectine avec des largeurs variant du µm 10 au µm 2,5 et des écartements entre 10 µm et 0,5 µm qui ont été remblayés avec BSA. Les régions de Fibronectine ont fourni un signe de lancement et une surface adhésive, alors que les régions denaturated de BSA nous permettaient d'examiner comment les cellules agissent l'un sur l'autre avec des zones non adhésives. Les cellules de FORCE EXPÉDITIONNAIRE DES MARINES pouvaient écarter sur ces surfaces modelées, et pour des largeurs plus larges de fibronectine et des lacunes de BSA (5 µm 5 et 10 µm X de µm X 10 surfaces modelées par µm) l'orientation de la propagation était toujours en direction de la configuration rayée (le Schéma 1).

Le Schéma 1 : Les Images sont les cadres uniques d'un timelapse d'une FORCE EXPÉDITIONNAIRE DES MARINES écartant sur 10 pistes de fibronectine de µm.

À l'aide de ces surfaces modelées linéaires plus larges, il était également possible d'observer que la taille du lamellipodia n'était pas à la charge de la largeur de la piste et que lamellipodia, mais pas le filopodia, exigent l'adhérence pour la protrusion persistante. Ces études nous ont également permises d'apprendre plus au sujet de la participation du composé Arp2/3 dans la propagation de cellules, et en particulier, que la localisation du composé Arp2/3 au filopodia est indépendant d'adhérence. Plus récent, M. Mendes a développé5 un protocole pour produire robuste et les configurations de haute résolution des bactéries sur les surfaces du matériau, permettant à des choix de cellules viables d'être développés avec la structure spatiale réglée pour un grand choix de méthodes expérimentales comprenant la transmission de cellule-à-cellule étudie.

Dans la zone des surfaces stimulus-sensibles, l'organisme de recherche de M. Mendes'a développé6 les surfaces électro-actives qui ont été avec succès utilisées pour brancher des fonctionnalités in situ, offrant une capacité sans précédent de manipuler les interactions des protéines avec des surfaces. On a également produit d'une une classe neuve des surfaces biologiques permutables - peptides électro-permutables surface-logés -7 qui ont la capacité de régler des interactions biomoléculaires en réponse à un potentiel électrique appliqué.

Ce système est basé sur la commutation conformationnelle franchement - les peptides chargés d'oligolysine qui sont attachés sur une surface d'or, tels que les parties moléculaires bioactives - de la biotine - comportée sur la fin des oligolysines peut être exposé (condition bioactive) ou être dissimulé (condition bio-inactive) sur demande (le Schéma 2), en fonction du potentiel extérieur. Le document de peptides d'oligolysine protonated les chaînes latérales aminées à pH =7, constituant la base pour "ON" et "OFF" de changement de l'activité biologique sur la surface.

Par exemple, sur l'application d'un potentiel négatif, franchement - le système moléculaire chargé remarque une attraction électrostatique sur la surface, menant à un mouvement moléculaire mécanique qui protège la partie bioactive (le Schéma 2). Afin de tester la viabilité du mécanisme proposé de commutation nous avons sélecté un peptide biotinylated functionalised par extrémité comme motif de biorecognition, quatre résidus de lysine comme ensemble de commutation et une cystéine terminale pour la formation auto-assemblée (SAM) de couche unitaire sur des surfaces d'or - biotine-Lys-Lys-Lys-Lys-Cys (Biotine-KKKKC).

Le Schéma 2. Représentation schématique de la commutation du peptide mélangé Sams de TEGT-biotinylated entre une condition bioactive et bio-inactive. Selon le potentiel électrique appliqué, le peptide peut exposer ou dissimuler le site de biotine et régler son grippement à NeutrAvidin.

Afin de fournir la liberté spatiale suffisante pour chaque peptide biotinylated sur la surface, tels qu'ils peuvent subir les modifications conformationnelles sur la commutation sans obstacle stérique des molécules voisines, surfaces d'or functionalised avec un deux-composant, SAM du peptide de biotine-KKKKC et tri mélangés (éthylèneglycol) - thiol mis fin (TEGT) (le Schéma 2).

Indépendamment d'assurer la liberté spatiale suffisante pour la réorientation moléculaire synergique du peptide biotinylated lié par surface, les groupes oligo courts (d'éthylèneglycol) évitent l'interaction non spécifique des protéines. Comme un contrôle, un deux-composant, SAM mélangé a été également préparé utilisant TEGT et un peptide sans partie de biotine - KKKKC. La dynamique de commuter les propriétés biologiques a été étudiée en observant les événements obligatoires entre la biotine et le NeutrAvidin fluorescent étiqueté.

Les images de microscope de Fluorescence et les données spectrales de SPR ont de manière dégagée indiqué le grippement à + 0,3 V, le grippement réduit - à 0,4 V, et le grippement intermédiaire dans aux états de circuit (OC) ouvert (aucun potentiel appliqué). Selon le potentiel électrique appliqué à Sams mélangé, des molécules bioactives comportées sur le SAM peuvent être entièrement exposées pour gripper (+ 0,3 V, condition bioactive) ou être dissimulées (- 0,4 V, condition bio-inactive) si bien que l'affinité obligatoire peut être réduite à plus de 90% de sa condition bioactive (le Schéma 3). En Outre, la réversibilité étudie par SPR a également expliqué que la surface permutable développée permet le contrôle réversible des interactions biomoléculaires.

Le Schéma 3. traces de sensorgram de SPR affichant le grippement de NeutrAvidin à la Biotine-KKKKC : TEGT Sams mélangé et KKKKC : TEGT Sams mélangé dans des conditions d'OC et un positif appliqué (+ 0,3 V) et négatifs (- 0,4 V) potentiels.

Cette technologie extérieure tire profit des seules propriétés dynamiques des éditeurs de liens chargés surface-logés de peptide à l'échelle de nanomètre pour induire la commutation Marche-arrêt des interactions, de la configuration le stade pour des avances dans la recherche biologique, du médicament, de la biotechnologie, et de la bio-ingénierie biomoléculaires particuliers.


Références

1. C.M. Niemeyer, C.A. Mirkin, Gmbh et Cie. KGaA, Weinheim, 2004 de Wiley-VCH Verlag.
2. P.M. Mendes, C.L. Yeung, J.A. Preece, Recherche de Nanoscale Marque Avec Des Lettres 2007, 2, 373.
3. P.M. Mendes, Société Chimique Révise 2008, 37, 2512.
4. S.A. Johnston, J.P. Bramble, C.L. Yeung, P.M. Mendes, L.M. Machesky, Biologie Cellulaire 2008, 9, 65 de BMC.
5. C. Costello, J. - U. Kreft, C.M. Thomas, P.M. Mendes, Nanoproteomics : Méthodes et Protocoles, S. Toms et R. Weil, eds., dans des Protocoles de Springer. Méthodes en Biologie Moléculaire, Presse de Humana. En Cours D'impression.
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, Chimie 2007, 18, 1919 de Bioconjugate.
7. C.L. Yeung, P. Iqbal, M. Allan, M. Lashkor, J.A. Preece, P.M. Mendes, Matériaux Fonctionnels Avancés, 2010, 20, 2657.

Droit d'auteur AZoNano.com, M. Paula Mendes (Université de Birmingham)

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

Last Update: 14. June 2013 04:06

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