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Nanoengineering da Próxima Geração de Superfícies Biológicas

pelo Dr. Paula Mendes

Dr. Paula Mendes, Escola da Engenharia Química, Universidade de Birmingham
Autor Correspondente: P.M.Mendes@bham.ac.uk

Nanoscience e a nanotecnologia envolvem o estudo, a imagem lactente, a medição, a modelagem, ou a manipulação da matéria na escala molecular e dos nanômetros. A aplicação da nanotecnologia e do nanoscience aos sistemas biológicos - conhecidos como o bionanotechnology1 - posses a promessa de resolver muitos de desafios de hoje nos cuidados médicos. As descobertas Dramáticas são esperadas na pesquisa das ciências da vida que poderia contribuir a sensível e à detecção atempada de um número de doenças humanas, tais como o cancro, a Doença de Alzheimer, a esclerose múltipla ou a artrite reumatóide.

Os campos Terapêuticos tais como a entrega da droga, a engenharia do tecido, e a descoberta da droga, igualmente tirarão proveito extremamente dos avanços no bionanotechnology. Embora considerado frequentemente1 uma das tecnologias chaves do século XXI, bionanotechnology está ainda em um estado razoavelmente embrionário e muito de seu potencial deve ser realizado ainda. O bionanotechnology De Superfície - a ciência e a tecnologia de propriedades biológicas de superfície compreensivas e precisamente de controlos e de manipulações na escala molecular e dos nanômetros - é uma das áreas as mais emocionantes e potencial as mais importantes do bionanotechnology.

O objetivo da pesquisa do Dr. Mendes' na Universidade de Birmingham é desenvolver mais o campo de superfície interdisciplinar do bionanotechnology em um nível fundamental e para aplicações biológicas e médicas. Os alvos do grupo de investigação do Dr. Mendes para gerar os materiais de superfície com propriedades biológicas que são precisamente controladas e manipuladas no molecular e comprimento dos nanômetros escalam conectando a nanotecnologia com os sistemas biológicos.

Este campo de pesquisa é uma das áreas as mais emocionantes e potencial as mais importantes do bionanotechnology, mas o progresso até agora limitado foi feito em parte devido à complexidade envolvida nos processos do projecto e da fabricação. A fim abordar este desafio ambicioso, nós temos desenvolvido metodologias da descoberta para superfícies do modeladas2 e estímulo-responsivas3 do planejamento. Dentro do campo de superfícies biológicas modeladas, o grupo de investigação do Dr. Mendes' em colaboração com o grupo de Machesky (Instituto para a Investigação do Cancro, REINO UNIDO de Beatson) desenvolveu4 uma metodologia para controlar a imobilização espacial de proteínas do pilha-adesivo (fibronectin) e do não-pilha-adesivo (albumina de soro bovino - BSA) em micro-áreas específicas de uma superfície do vidro a fim ganhar introspecções valiosas em como as pilhas exploram sua adesão nova do ambiente e do formulário contacta para a mobilidade e o espalhamento.

O Dr. Mendes usou a impressão do micro-contacto (µCP) e pilhas embrionárias do fibroblasto (MEF) do rato para o estudo do filopodia e das transições de filopodial/lamellipodial. o µCP foi empregado para criar testes padrões lineares do fibronectin com as larguras que variam do µm 10 ao µm 2,5 e dos afastamentos entre 10 µm e 0,5 µm que foram aterrados com BSA. As regiões de Fibronectin forneceram um sinal de activação e uma superfície do adesivo, quando as regiões denaturated de BSA nos permitiram de examinar como as pilhas interagem com as áreas do não-adesivo. As pilhas do MEF podiam espalhar nestas superfícies modeladas, e para umas larguras mais largas do fibronectin e umas diferenças de BSA (5 µm 5 e 10 µm x do µm x 10 superfícies modeladas µm) a orientação do espalhamento era sempre na direcção do teste padrão listrado (Figura 1).

Figura 1: As Imagens são únicos quadros de um timelapse de um MEF que espalha em 10 listras do fibronectin do µm.

Usando estas superfícies modeladas lineares mais largas, era igualmente possível observar que o tamanho do lamellipodia não era dependente da largura da listra e que lamellipodia, mas não o filopodia, exige a adesão para a saliência persistente. Estes estudos igualmente permitiram que nós aprendessem mais sobre a participação do complexo Arp2/3 no espalhamento de pilha, e em particular, que a localização do complexo Arp2/3 ao filopodia é independente da adesão. Mais recentemente, o Dr. Mendes desenvolveu5 um protocolo para criar robusto e os testes padrões de alta resolução das bactérias em superfícies materiais, permitindo que as disposições de pilhas viáveis sejam desenvolvidas com estrutura espacial controlada para uma variedade de procedimentos experimentais que incluem uma comunicação da pilha-à-pilha estudam.

Dentro do campo de superfícies estímulo-responsivas, o grupo de investigação do Dr. Mendes' desenvolveu6 as superfícies electro-activas que foram empregadas com sucesso para ligar as funcionalidades in situ, oferecendo uma capacidade inaudita para manipular as interacções das proteínas com superfícies. Uma classe nova de superfícies biológicas switchable - peptides electro-switchable superfície-limitados - foi gerada igualmente7 que têm a capacidade regular interacções biomoleculares em resposta a um potencial elétrico aplicado.

Este sistema é baseado no interruptor conformational positivamente - os peptides cobrados que tethered a uma superfície do ouro, tais do oligolysine que as partes moleculars bioactive - da biotina - incorporada no fim dos oligolysines pode ser expor (estado bio-activo) ou (estado bio-inactivo) por encomenda escondido (Figura 2), em função do potencial de superfície. A exibição dos peptides do oligolysine protonated amino correntes laterais no pH =7, fornecendo a base para "ON" e "OFF" de comutação da actividade biológica na superfície.

Por exemplo, em cima da aplicação de um potencial negativo, positivamente - o sistema molecular cobrado experimenta uma atracção electrostática à superfície, conduzindo a um movimento molecular mecânico que proteja a parte bioactive (Figura 2). A fim testar a viabilidade do mecanismo de comutação propor nós seleccionamos um peptide biotinylated functionalised extremidade como o motivo do biorecognition, quatro resíduos da lisina como a unidade de interruptor e um cysteine terminal para a formação auto-montada (SAM) em superfícies do ouro - biotina-Lys-Lys-Lys-Lys-Cys do monolayer (Biotina-KKKKC).

Figura 2. representação Esquemática do interruptor de peptide misturado Sams de TEGT-biotinylated entre um estado bio-activo e bio-inactivo. Segundo o potencial elétrico aplicado, o peptide pode expr ou esconder o local da biotina e regular seu emperramento a NeutrAvidin.

A fim fornecer a suficiente liberdade espacial para cada peptide biotinylated na superfície, tais que podem se submeter a mudanças conformational em cima do interruptor sem obstáculo steric das moléculas vizinhas, superfícies do ouro functionalised com um dois-componente, SAM do peptide da biotina-KKKKC e tri misturados (glicol de etileno) - tiolato terminado (TEGT) (Figura 2).

Independentemente de assegurar a suficiente liberdade espacial da reorientação molecular sinérgico do peptide biotinylated superfície-limite, (os grupos oligo curtos do glicol de etileno) impedem a interacção não específica das proteínas. Como um controle, um dois-componente, SAM misturado foi preparado igualmente usando TEGT e um peptide sem a parte da biotina - KKKKC. A dinâmica de comutar as propriedades biológicas foi estudada observando os eventos obrigatórios entre a biotina e NeutrAvidin fluorescente etiquetado.

Imagens do microscópio de Fluorescência e de dados de SPR emperramento claramente revelado espectral + em 0,3 V, ligação reduzida - em 0,4 V, e emperramento intermediário no em condições do circuito (OC) aberto (nenhum potencial aplicado). Segundo o potencial elétrico aplicado a Sams misturado, as moléculas bioactive incorporadas no SAM podem inteiramente ser expor ligando (+ 0,3 V, estado bio-activo) ou ser escondidas (- 0,4 V, estado bio-inactivo) até ao ponto em que a afinidade obrigatória pode ser reduzida sobre a 90% de seu estado bio-activo (Figura 3). Além Disso, o reversibility estuda por SPR igualmente demonstrou que a superfície switchable desenvolvida permite o controle reversível de interacções biomoleculares.

Figura 3. traços do sensorgram de SPR que mostram o emperramento de NeutrAvidin à Biotina-KKKKC: TEGT Sams misturado e KKKKC: TEGT Sams misturado sob circunstâncias de OC e um positivo aplicado (+ 0,3 V) e negativos (- 0,4 V) potenciais.

Esta tecnologia de superfície aproveita-se das propriedades dinâmicas originais de linkers cobrados superfície-limitados do peptide na escala do nanômetro para induzir -Fora no interruptor de interacções, do ajuste a fase para avanços na pesquisa biológica, da medicina, da biotecnologia, e da tecnologia biológica biomoleculares específicos.


Referências

1. C.M. Niemeyer, C.A. Mirkin, GmbH de Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Weinheim, 2004.
2. P.M. Mendes, C.L. Yeung, J.A. Preece, Pesquisa de Nanoscale Rotula 2007, 2, 373.
3. P.M. Mendes, Sociedade Química Revê 2008, 37, 2512.
4. S.A. Johnston, J.P. Amora, C.L. Yeung, P.M. Mendes, L.M. Machesky, Biologia Celular 2008 de BMC, 9, 65.
5. C. Costello, J. - U. Kreft, C.M. Thomas, P.M. Mendes, Nanoproteomics: Métodos e Protocolos, S. Toms e R. Weil, eds., em Protocolos de Springer. Métodos na Biologia Molecular, Imprensa de Humana. Na Imprensa.
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 de Bioconjugate, 18, 1919.
7. C.L. Yeung, P. Iqbal, M. Allan, M. Lashkor, J.A. Preece, P.M. Mendes, Materiais Funcionais Avançados, 2010, 20, 2657.

Copyright AZoNano.com, Dr. Paula Mendes (Universidade de Birmingham)

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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