生物表面的下一代的 Nanoengineering

由宝拉 Mendes 博士

宝拉 Mendes,化学工程学校伯明翰大学博士
对应的作者: P.M.Mendes@bham.ac.uk

Nanoscience 和纳米技术介入问题的研究,想象,评定,塑造或者处理在分子和毫微米缩放比例。 纳米技术和 nanoscience 的应用对生物系统 - 叫作 bionanotechnology1 - 暂挂承诺解决许多今天挑战在医疗保健。 严重的突破在可能造成一定数量的人力疾病敏感和早检测,例如癌症、老年痴呆症、多发性硬化症或者风湿性关节炎的生命科学研究预计。

治疗域例如药物发运、组织工程和药物发现,从在 bionanotechnology 的预付款非常地也将有益于。 虽然经常考虑1 其中一种 21 世纪的关键技术, bionanotechnology 仍然在相当萌芽状态,并且其潜在将认识到。 表面 bionanotechnology - 了解的和精密地控制和操作的表面生物属性科学技术在分子和毫微米缩放比例的 - 是其中一个 bionanotechnology 最扣人心弦和可能地重要区域。

Mendes 博士的研究目的在伯明翰大学的将进一步开发学科表面 bionanotechnology 域在一个根本级别上和往生物和医疗应用。 Mendes 博士的研究小组打算生成与是精密地受控和操作在分子和毫微米长度缩放比例通过连接纳米技术与生物系统的生物属性的表面材料。

此研究领域是其中一个 bionanotechnology 最扣人心弦和可能地重要区域,到目前为止,但是被限制的进展取得了部分由于在设计和制造进程介入的复杂。 为了应付此雄心勃勃的挑战,我们开发工程被仿造的和刺激响应能力的2 表面的突破3 方法。 在被仿造的生物表面内的域, Mendes 博士的与 Machesky 组 (癌症研究 Beatson 学院,英国) 合作的研究小组4 玻璃表面的特定微型区开发一个方法控制细胞粘合剂 (fibronectin) 和非细胞粘合剂 (迟钝的乳清蛋白 - BSA) 蛋白质的空间的钳制为了了解重要的到细胞如何测试他们的环境和表单新的黏附力为能动性和分布接触。

Mendes 博士为 filopodia 和 filopodial/lamellipodial 转移的研究使用了 (MEF)微型联络打印 (µCP) 和鼠标胚胎成纤维细胞细胞。 µCP 被使用用变化从 10 重新填没与 BSA 的 µm 到 2.5 µm 和间隔的宽度创建 fibronectin 线性模式在 10 µm 和 0.5 µm 之间。 Fibronectin 地区提供了一个激活的信号和黏着性表面,而 denaturated BSA 地区使我们检查细胞如何与无粘着力的区配合。 MEF 细胞能分布在这些被仿造的表面,并且为更宽的 fibronectin 宽度和 BSA 空白 (5 µm x 5 µm 和 10 µm x 10 µm 被仿造的表面) 分布的取向总是朝条纹图形 (图 1) 的方向。

图 1 : 图象是从分布在 10 µm fibronectin 数据条的 MEF 的 timelapse 的唯一框架。

通过使用这些更宽的线性被仿造的表面,注意到也是可能的 lamellipodia 的范围没有依靠数据条的宽度,并且 lamellipodia,但是不是 filopodia,为不变伸进要求黏附力。 这些研究也允许我们了解更多关于 Arp2/3 在细胞扩散的复杂的介入,和特别是, Arp2/3 对 filopodia 的复杂的本地化是黏附力的独立。 最近, Mendes 博士开发5 一个协议创建稳健,并且细菌的高分辨率模式在实质面上的,允许一些可行的细胞开发与各种各样的实验程序的受控空间的结构包括细胞对细胞通信学习。

在刺激响应能力的表面内的域, Mendes 博士的研究小组开发了6 顺利地被使用在原处接通功能的电镀物品有效的表面,提供一个史无前例的能力操作蛋白质的交往与表面的。 有能力调控生物化子的交往以回应应用的电子潜在可转换的生物表面7 - 表面局限的电镀物品可转换的肽的新的选件类 - 也被生成了。

此系统根据被束缚对金表面的构象的切换带阳电荷的 oligolysine 肽,这样在 oligolysines 的结尾 - 生物素 - 合并的生物活性的分子份额可以显示 (生物活性的状态) 或被隐瞒 (生物非活动状态) 在要求时 (作为表面潜在功能的图 2)。 oligolysine 肽展览 protonated 氨基侧链在酸碱度 =7,提供这个基本类型为生物活动的切换的 " on " 和 " off " 在表面。

例如,在一个负电位的应用,这个带阳电荷的分子系统体验一种静电吸引力对表面,导致保护生物活性的份额的一个机械分子运动 (图 2)。 为了测试这个提出的切换的结构的生活能力我们选择末端 functionalised biotinylated 肽作为 biorecognition 主题,四赖氨酸残滓作为切换单元和最终半胱氨酸为在金 (SAM)表面的自被汇编的单层形成 - 生物素Lys Lys Lys Lys Cys (生物素KKKKC)。

图 2. 图示混杂的 TEGT-biotinylated 肽 SAMs 切换在一个生物活性和生物非活动状态之间的。 根据适用的电子潜在,肽可能显示或隐瞒生物素站点和调控其捆绑到 NeutrAvidin。

为了为每 biotinylated 肽提供满足的空间的自由在表面,这样它可能进行构象的更改在切换,不用位的妨碍从附近分子,金表面 functionalised 与二要素,生物素KKKKC 肽的混杂 SAM 和三 (1,2-亚乙基二醇) - 被终止的硫烃 (TEGT) (图 2)。

除保证表面 biotinylated 肽的协同作用的分子再定位的满足的空间的自由外,短的 oligo (1,2-亚乙基二醇) 组防止未指明的交往蛋白质。 控制,二要素,混杂的 SAM 也准备使用 TEGT 和肽,不用生物素份额 - KKKKC。 切换生物属性动力通过观察在生物素和萤光被标记的 NeutrAvidin 之间的约束活动学习。

荧光显微镜图象和在 + 0.3 V 的 SPR 光谱数据明显地显示的捆绑,减少的束缚在 - 0.4 V 和在的半成品捆绑在开放电路 (OC)情况 (没有应用的潜在)。 根据电子潜在适用于混杂的 SAMs,生物活性的分子合并在 SAM 上可以为束缚充分地显示 (+ 0.3 V,生物活性的状态) 或被隐瞒 (- 0.4 V,生物非活动状态),在某种程度上吸附亲和性可以减少到超过 90% 其生物活性的状态 (图 3)。 此外,反演性由 SPR 学习也显示出,被开发的可转换的表面允许生物化子的交往可逆控制。

图 3. SPR 显示 NeutrAvidin 的捆绑 sensorgram 跟踪对生物素KKKKC :TEGT 混杂的 SAMs 和 KKKKC :TEGT 混杂的 SAMs 在 OC 情况和应用的正下 (+ 0.3 V) 和负的 (- 0.4 V) 潜在。

此表面技术利用表面局限的被充电的肽连接器唯一动态属性在毫微米缩放比例导致特定生物化子的交往开-关切换,为在生物研究的预付款,医学、生物工艺学和生物工艺学准备条件。


参考

1. C.M. Niemeyer, C.A. Mirkin,威里VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, Weinheim, 2004年。
2. P.M. Mendes, C.L. Yeung, J.A. Preece, Nanoscale 研究在 2007年, 2, 373 上写字。
3. P.M. Mendes,化工社团复核 2008年, 37, 2512。
4. S.A. 约翰斯顿, J.P. Bramble, C.L. Yeung, P.M. Mendes, L.M. Machesky, BMC 细胞生物学 2008年, 9, 65。
5. C. Costello, J。 - U。 Kreft, C.M. 托马斯, P.M. Mendes, Nanoproteomics : 方法和协议、 S. Toms 和 R. Weil,编辑。,在蹦跳的人协议。 在分子生物学, Humana 新闻的方法。 在新闻中。
6. P.M. Mendes, K.L. Christman, P. Parthasarathy, E. Schopf, J. Ouyang, Y. 杨, J.A. Preece, H.D. Maynard, Y. 陈, J.F. Stoddart, Bioconjugate 化学 2007年, 18日 1919年。
7. C.L. Yeung, P. Iqbal, M. 亚伦, M. Lashkor, J.A. Preece, P.M. Mendes,先进的功能材料, 2010年, 20, 2657。

版权 AZoNano.com,宝拉 Mendes (伯明翰大学博士)

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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