Nanoengineering di Next Generation delle Superfici Biologiche

da Dott. Paula Mendes

Dott. Paula Mendes, Banco di Ingegneria Chimica, Università di Birmingham
Autore Corrispondente: P.M.Mendes@bham.ac.uk

Nanoscience e la nanotecnologia comprendono lo studio, la rappresentazione, la misurazione, la modellistica, o la manipolazione della materia al disgaggio di nanometro e molecolare. L'applicazione di nanotecnologia e del nanoscience ai sistemi biologici - conosciuti come il bionanotechnology1 - tenute la promessa di soluzione delle molte delle sfide odierne nella sanità. Le innovazioni Drammatiche sono prevedute nella ricerca di scienze biologiche che potrebbe contribuire ad individuazione tempestiva sensibile e di una serie di malattie umane, quali cancro, il Morbo di Alzheimer, la sclerosi a placche o l'artrite reumatoide.

I campi Terapeutici quali la consegna della droga, l'assistenza tecnica del tessuto e la scoperta della droga, egualmente trarranno giovamento notevolmente dagli avanzamenti in bionanotechnology. Sebbene considerato spesso1 una delle tecnologie chiave del XXI secolo, bionanotechnology sia ancora in uno stato equo embrionale e molto del suo potenziale deve ancora essere realizzato. Il bionanotechnology Di Superficie - la scienza e tecnologia dei beni biologici di superficie di comprensione e precisamente gestenti e di manipolazioni al disgaggio di nanometro e molecolare - è una di più emozionante e potenzialmente di aree importanti del bionanotechnology.

L'obiettivo della ricerca del Dott. Mendes all'Università di Birmingham è più ulteriormente di sviluppare il campo di superficie interdisciplinare di bionanotechnology sia ad un livello fondamentale che verso le applicazioni biologiche e mediche. Il gruppo di ricerca del Dott. Mendes mira a generare i materiali di superficie con i beni biologici che sono precisamente controllati e manipolati ai disgaggi di nanometro e molecolari di lunghezza collegando la nanotecnologia con i sistemi biologici.

Questo campo di ricerca è una di più emozionante e potenzialmente di aree importanti del bionanotechnology, ma i progressi finora limitati sono stati realizzati parzialmente dovuto la complessità in questione nei trattamenti di montaggio e di progettazione. Per affrontare questa sfida ambiziosa, stiamo sviluppando le metodologie dell'innovazione per le superfici del modellate di2 e stimolo-rispondenti3 di organizzazione. All'interno del campo delle superfici biologiche modellate, il gruppo di ricerca del Dott. Mendes in collaborazione con il gruppo di Machesky (L'Istituto per Ricerca Sul Cancro, REGNO UNITO di Beatson) ha sviluppato4 una metodologia per gestire l'immobilizzazione spaziale delle proteine del cella-collante (fibronectin) e del non cella collante (albumina di siero bovino - BSA) nelle micro-aree specifiche di una superficie di vetro per guadagnare le comprensioni apprezzate in come le celle esplorano la loro nuova aderenza del modulo e dell'ambiente contatta per motilità e spargersi.

Il Dott. Mendes ha usato la stampa del micro-contatto (µCP) e le celle embrionali del fibroblasto (MEF) del mouse per lo studio sia sul filopodia che sulle transizioni di filopodial/lamellipodial. il µCP è stato impiegato per creare i reticoli lineari di fibronectin con le larghezze che variano dal µm 10 al µm 2,5 e dai giochi fra 10 µm e 0,5 µm che sono stati riempiti con BSA. Le regioni di Fibronectin hanno fornito un segnale d'attivazione e una superficie adesiva, mentre le regioni denaturated di BSA ci hanno permesso di esaminare come le celle interagiscono con le aree non adesive. Le celle del MEF potevano spargersi su queste superfici modellate e per le più ampie larghezze di fibronectin e le lacune di BSA (5 µm 5 e 10 µm x del µm x 10 superfici modellate µm) l'orientamento di diffusione era sempre in direzione del reticolo a strisce (Figura 1).

Figura 1: Le Immagini sono scatti singoli da un timelapse di un MEF che si sparge su 10 bande di fibronectin del µm.

Usando queste più ampie superfici modellate lineari, era egualmente possibile osservare che la dimensione del lamellipodia non dipendeva dalla larghezza della banda e che lamellipodia, ma non il filopodia, richiede l'aderenza per la sporgenza persistente. Questi studi egualmente hanno permesso che noi imparassimo più circa la partecipazione del complesso Arp2/3 nell'espansione cellulare ed in particolare, che la localizzazione del complesso Arp2/3 al filopodia fosse indipendente da aderenza. Più recentemente, il Dott. Mendes ha sviluppato5 un protocollo per creare robusto ed i reticoli di alta risoluzione dei batteri sulle superfici del materiale, permettenti che le schiere delle celle possibili siano sviluppate con la struttura spaziale controllata per varie procedure sperimentali compreso la comunicazione della cella--cella studia.

All'interno del campo delle superfici stimolo-rispondenti, il gruppo di ricerca del Dott. Mendes ha sviluppato6 le superfici dell'elettrotipia-attivo che sono state impiegate con successo per inserire le funzionalità in situ, offrenti una capacità senza precedenti di manipolare le interazioni delle proteine con le superfici. Una nuova classe di superfici biologiche scambiabili - peptidi elettrotipia-scambiabili superficie-limitati - egualmente è stata generata7 che hanno la capacità di regolamentare le interazioni biomolecolari in risposta ad un potenziale elettrico applicato.

Questo sistema è basato positivamente sopra la commutazione conformazionale - peptidi fatti pagare che sono legati ad una superficie dell'oro, tali di oligolysine che parti molecolari bioactive - della biotina - incorporata sulla conclusione dei oligolysines può essere esposto (stato dell'bio--attivo) o essere celato (stato bio--inattivo) a richiesta (Figura 2), in funzione di potenziale di superficie. La mostra dei peptidi di oligolysine protonated le catene laterali amminiche a pH =7, fornente la base per "ON" e "OFF" di commutazione dell'attività biologica sulla superficie.

Per esempio, sopra l'applicazione di un potenziale negativo, positivamente - il sistema molecolare fatto pagare avverte un'attrazione elettrostatica alla superficie, piombo ad un moto molecolare meccanico che protegge la parte bioactive (Figura 2). Per verificare l'attuabilità del meccanismo di commutazione proposto abbiamo selezionato un peptide biotinylated functionalised estremità come il motivo di biorecognition, quattro residui della lisina come l'unità di commutazione e una cisteina terminale per formazione auto-montata (SAM) sulle superfici dell'oro - la biotina-Lys-Lys-Lys-Lys-Cys (Biotina-KKKKC) dello strato monomolecolare.

Figura 2. rappresentazione Schematica della commutazione del peptide misto Sams di TEGT-biotinylated fra un bio--attivo e uno stato bio--inattivo. Secondo il potenziale elettrico applicato, il peptide può esporre o celare il sito della biotina e regolamentare la sua associazione a NeutrAvidin.

Per fornire la libertà spaziale sufficiente per ogni peptide biotinylated sulla superficie, tali che possono subire i cambiamenti conformazionali sopra la commutazione senza ostacolo sterico dalle molecole vicine, superfici dell'oro functionalised con un SAM del peptide della biotina-KKKKC e tri a due componenti e misti (glicole etilenico) - tiolo terminato (TEGT) (Figura 2).

Oltre ad assicurare la libertà spaziale sufficiente per il riorientamento molecolare sinergico al del peptide biotinylated diretto a superficie, i brevi gruppi oligo (della glicole etilenico) impediscono l'interazione non specifica le proteine. Come un controllo, un SAM a due componenti e misto egualmente è stato preparato facendo uso di TEGT e di un peptide senza la parte della biotina - KKKKC. La dinamica di commutazione dei beni biologici è stata studiata osservando gli eventi obbligatori fra biotina e NeutrAvidin fluorescente contrassegnato.

Le immagini del microscopio di Fluorescenza ed i dati spettrali di SPR hanno rivelato chiaramente l'associazione + a 0,3 V, legare diminuito - a 0,4 V e l'associazione intermedia nel agli stati di circuito (OC) aperto (nessun potenziale applicato). Secondo il potenziale elettrico applicato a Sams misto, le molecole bioactive incorporate sul SAM possono completamente essere esposte per legare (+ 0,3 V, stato dell'bio--attivo) o essere celate (- 0,4 V, stato bio--inattivo) nella misura in cui l'affinità obbligatoria può essere diminuita più a 90% del suo stato dell'bio--attivo (Figura 3). Ancora, la reversibilità studia da SPR egualmente ha dimostrato che la superficie scambiabile sviluppata permette il controllo reversibile delle interazioni biomolecolari.

Figura 3. tracce del sensorgram di SPR che mostrano l'associazione di NeutrAvidin alla Biotina-KKKKC: TEGT Sams misto e KKKKC: TEGT Sams misto nell'ambito delle circostanze di OC e di un positivo applicato (+ 0,3 V) e quantità negative (- 0,4 V) potenziali.

Questa tecnologia di superficie approfitta dei beni dinamici unici dei linker fatti pagare superficie-limitati del peptide al disgaggio di nanometro per indurre la commutazione Di accensione delle interazioni biomolecolari specifiche, dell'impostazione la fase per gli avanzamenti nella ricerca biologica, della medicina, della biotecnologia e della bioingegneria.


Riferimenti

1. C.M. Niemeyer, C.A. Mirkin, Gmbh di Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Weinheim, 2004.
2. P.m. Mendes, C.L. Yeung, J.A. Preece, la Ricerca di Nanoscale Segna 2007 con lettere, 2, 373.
3. P.m. Mendes, la Società Chimica Esamina 2008, 37, 2512.
4. S.A. Johnston, J.P. Bramble, C.L. Yeung, P.m. Mendes, L.M. Machesky, Biologia Cellulare 2008, 9, 65 di BMC.
5. C. Costello, J. - U. Kreft, C.M. Thomas, P.m. Mendes, Nanoproteomics: Metodi e Protocolli, S. Toms e R. Weil, eds., nei Protocolli di Springer. Metodi nella Biologia Molecolare, Stampa di Humana. In Stampa.
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, Chimica 2007, 18, 1919 di Bioconjugate.
7. C.L. Yeung, P. Iqbal, M. Allan, M. Lashkor, J.A. Preece, P.m. Mendes, Materiali Funzionali Avanzati, 2010, 20, 2657.

Copyright AZoNano.com, Dott. Paula Mendes (Università di Birmingham)

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

Last Update: 14. June 2013 04:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit