生物表面的下一代的 Nanoengineering

由寶拉 Mendes 博士

寶拉 Mendes,化學工程學校伯明翰大學博士
對應的作者: P.M.Mendes@bham.ac.uk

Nanoscience 和納米技術介入問題的研究,想像,評定,塑造或者處理在分子和毫微米縮放比例。 納米技術和 nanoscience 的應用對生物系統 - 叫作 bionanotechnology1 - 暫掛承諾解決許多今天挑戰在醫療保健。 嚴重的突破在可能造成一定數量的人力疾病敏感和早檢測,例如癌症、老年癡呆症、多發性硬化症或者風濕性關節炎的生命科學研究預計。

治療域例如藥物發運、組織工程和藥物發現,從在 bionanotechnology 的預付款非常地也將有益於。 雖然經常考慮1 其中一種 21 世紀的關鍵技術, bionanotechnology 仍然在相當萌芽狀態,并且其潛在将認識到。 表面 bionanotechnology - 瞭解的和精密地控制和操作的表面生物屬性科學技術在分子和毫微米縮放比例的 - 是其中一個 bionanotechnology 最扣人心弦和可能地重要區域。

Mendes 博士的研究目的在伯明翰大學的將進一步開發學科表面 bionanotechnology 域在一個根本級別上和往生物和醫療應用。 Mendes 博士的研究小組打算生成與是精密地受控和操作在分子和毫微米長度縮放比例通過連接納米技術與生物系統的生物屬性的表面材料。

此研究領域是其中一個 bionanotechnology 最扣人心弦和可能地重要區域,到目前為止,但是被限制的進展取得了部分由於在設計和製造進程介入的複雜。 為了應付此雄心勃勃的挑戰,我們開發工程被仿造的和刺激響應能力的2 表面的突破3 方法。 在被仿造的生物表面內的域, Mendes 博士的與 Machesky 組 (癌症研究 Beatson 學院,英國) 合作的研究小組4 玻璃表面的特定微型區開發一個方法控制細胞粘合劑 (fibronectin) 和非細胞粘合劑 (遲鈍的乳清蛋白 - BSA) 蛋白質的空間的鉗製為了瞭解重要的到細胞如何測試他們的環境和表單新的黏附力為能動性和分佈接觸。

Mendes 博士為 filopodia 和 filopodial/lamellipodial 轉移的研究使用了 (MEF)微型聯絡打印 (µCP) 和鼠標胚胎成纖維細胞細胞。 µCP 被使用用變化從 10 重新填沒與 BSA 的 µm 到 2.5 µm 和間隔的寬度創建 fibronectin 線性模式在 10 µm 和 0.5 µm 之間。 Fibronectin 地區提供了一個激活的信號和黏著性表面,而 denaturated BSA 地區使我們檢查細胞如何與無粘著力的區配合。 MEF 細胞能分佈在這些被仿造的表面,并且為更寬的 fibronectin 寬度和 BSA 空白 (5 µm x 5 µm 和 10 µm x 10 µm 被仿造的表面) 分佈的取向總是朝條紋圖形 (圖 1) 的方向。

圖 1 : 圖像是從分佈在 10 µm fibronectin 數據條的 MEF 的 timelapse 的唯一框架。

通過使用這些更寬的線性被仿造的表面,注意到也是可能的 lamellipodia 的範圍沒有依靠數據條的寬度,并且 lamellipodia,但是不是 filopodia,為不變伸進要求黏附力。 這些研究也允許我們瞭解更多關於 Arp2/3 在細胞擴散的複雜的介入,和特別是, Arp2/3 對 filopodia 的複雜的本地化是黏附力的獨立。 最近, Mendes 博士開發5 一個協議創建穩健,并且細菌的高分辨率模式在實質面上的,允許一些可行的細胞開發與各種各樣的實驗程序的受控空間的結構包括細胞對細胞通信學習。

在刺激響應能力的表面內的域, Mendes 博士的研究小組開發了6 順利地被使用在原處接通功能的電鍍物品有效的表面,提供一個史無前例的能力操作蛋白質的交往與表面的。 有能力調控生物化子的交往以回應應用的電子潛在可轉換的生物表面7 - 表面局限的電鍍物品可轉換的肽的新的選件類 - 也被生成了。

此系統根據被束縛對金表面的構像的切換帶陽電荷的 oligolysine 肽,這樣在 oligolysines 的結尾 - 生物素 - 合併的生物活性的分子份額可以顯示 (生物活性的狀態) 或被隱瞞 (生物非活動狀態) 在要求時 (作為表面潛在功能的圖 2)。 oligolysine 肽展覽 protonated 氨基側鏈在酸碱度 =7,提供這個基本類型為生物活動的切換的 " on " 和 " off " 在表面。

例如,在一個負電位的應用,這個帶陽電荷的分子系統體驗一種靜電吸引力對表面,導致保護生物活性的份額的一個機械分子運動 (圖 2)。 為了測試這個提出的切換的結構的生活能力我們選擇末端 functionalised biotinylated 肽作為 biorecognition 主題,四賴氨酸殘滓作為切換單元和最終半胱氨酸為在金 (SAM)表面的自被彙編的單層形成 - 生物素Lys Lys Lys Lys Cys (生物素KKKKC)。

圖 2. 圖示混雜的 TEGT-biotinylated 肽 SAMs 切換在一個生物活性和生物非活動狀態之間的。 根據適用的電子潛在,肽可能顯示或隱瞞生物素站點和調控其捆綁到 NeutrAvidin。

為了為每 biotinylated 肽提供滿足的空間的自由在表面,這樣它可能進行構像的更改在切換,不用位的妨礙從附近分子,金表面 functionalised 與二要素,生物素KKKKC 肽的混雜 SAM 和三 (1,2-亞乙基二醇) - 被終止的硫烴 (TEGT) (圖 2)。

除保證表面 biotinylated 肽的協同作用的分子再定位的滿足的空間的自由外,短的 oligo (1,2-亞乙基二醇) 組防止未指明的交往蛋白質。 控制,二要素,混雜的 SAM 也準備使用 TEGT 和肽,不用生物素份額 - KKKKC。 切換生物屬性動力通過觀察在生物素和螢光被標記的 NeutrAvidin 之間的約束活動學習。

熒光顯微鏡圖像和在 + 0.3 V 的 SPR 光譜數據明顯地顯示的捆綁,減少的束縛在 - 0.4 V 和在的半成品捆綁在開放電路 (OC)情況 (沒有應用的潛在)。 根據電子潛在適用於混雜的 SAMs,生物活性的分子合併在 SAM 上可以為束縛充分地顯示 (+ 0.3 V,生物活性的狀態) 或被隱瞞 (- 0.4 V,生物非活動狀態),在某種程度上吸附親和性可以減少到超過 90% 其生物活性的狀態 (圖 3)。 此外,反演性由 SPR 學習也顯示出,被開發的可轉換的表面允許生物化子的交往可逆控制。

圖 3. SPR 顯示 NeutrAvidin 的捆綁 sensorgram 跟蹤對生物素KKKKC :TEGT 混雜的 SAMs 和 KKKKC :TEGT 混雜的 SAMs 在 OC 情況和應用的正下 (+ 0.3 V) 和負的 (- 0.4 V) 潛在。

此表面技術利用表面局限的被充電的肽連接器唯一動態屬性在毫微米縮放比例導致特定生物化子的交往開-關切換,為在生物研究的預付款,醫學、生物工藝學和生物工藝學準備條件。


參考

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 上寫字。
3. P.M. Mendes,化工社團覆核 2008年, 37, 2512。
4. S.A. 約翰斯頓, J.P. Bramble, C.L. Yeung, P.M. Mendes, L.M. Machesky, BMC 細胞生物學 2008年, 9, 65。
5. C. Costello, J。 - U。 Kreft, C.M. 托馬斯, P.M. Mendes, Nanoproteomics : 方法和協議、 S. Toms 和 R. Weil,編輯。,在蹦跳的人協議。 在分子生物學, Humana 新聞的方法。 在新聞中。
6. P.M. Mendes, K.L. Christman, P. Parthasarathy, E. Schopf, J. Ouyang, Y. 楊, J.A. Preece, H.D. Maynard, Y. 陳, J.F. Stoddart, Bioconjugate 化學 2007年, 18日 1919年。
7. C.L. Yeung, P. Iqbal, M. 亞倫, M. Lashkor, J.A. Preece, P.M. Mendes,先進的功能材料, 2010年, 20, 2657。

版權 AZoNano.com,寶拉 Mendes (伯明翰大學博士)

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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