JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

الخطوة الأولى في فهم التفاعل المرحلة الصلبة اللاعضوية الجزيء الحيوي هو الكشف عن الثوابت الكيميائية الفيزيائية الأساسية التي يمكن تقييمها عن طريق إنشاء isotherms الامتزاز. يتم تقييد الامتزاز من المرحلة السائلة بواسطة الحركية ، والقدرة السطحية ، ودرجة الحموضة ، والامتزاز التنافسي ، والتي يجب النظر فيها جميعًا بحذر قبل وضع تجربة الامتزاز.

Abstract

وتتسم أساسيات التفاعلات غير العضوية العضوية بأهمية حاسمة في اكتشاف وتطوير واجهات بيولوجية جديدة قابلة للاستخدام في التكنولوجيا الأحيائية والطب. تشير الدراسات الحديثة إلى أن البروتينات تتفاعل مع الأسطح من خلال مواقع الامتزاز المحدودة. يمكن استخدام شظايا البروتين مثل الأحماض الأمينية والببتيدات للتفاعل بين الجزيئات البيولوجية المعقدة والأسطح غير العضوية. خلال العقود الثلاثة الماضية، تم تطوير العديد من الأساليب الصالحة والحساسة لقياس أساسيات الكيمياء الفيزيائية لتلك التفاعلات: قياس السعرات الحرارية (ITC)، والرنين السطحي البلازمون (SPR)، والكوارتز الكريستال microbalance (QCM)، وتوازن الانعكاس الداخلي الكلي (TIRF)، والطيف الطيفي الكلي المبطين (ATR).

وأبسط التقنيات وأكثرها يسراً لقياس الامتزاز هي طريقة الاستنفاد، حيث يتم حساب التغير في تركيز سوربات (الاستنفاد) بعد ملامسة المواد الماصة المتناثرة في المحلول ويفترض أن تكون ممتزة. توفر ممتزات الامتصاص المستندة إلى بيانات الاستنفاد جميع البيانات الفيزيائية الكيميائية الأساسية. ومع ذلك، يتطلب الامتزاز من الحلول أوقات توازن أطول بسبب القيود الحركية والمواد الماصة مع مساحة سطح محددة عالية، مما يجعلها غير قابلة للتطبيق تقريبًا على أسطح الطائرة الثابتة العيانية. وعلاوة على ذلك، ينبغي النظر في عوامل مثل عدم استقرار السول، مجاميع الجسيمات النانوية، والبلورية الماصة، وتوزيع حجم الجسيمات النانوية، ودرجة الحموضة للحل، والمنافسة على الامتزاز، أثناء دراسة الببتيدات الممتزة. استنفاد البيانات isotherm البناء يوفر بيانات الكيمياء الفيزيائية الشاملة لكل sorbate القابلة للذوبان حرفيا حتى الآن لا يزال المنهجية الأكثر سهولة، كما أنها لا تتطلب الاجهزة باهظة الثمن. تصف هذه المقالة بروتوكولًا أساسيًا للدراسة التجريبية لممتزاز الببتيد على أكسيد غير عضوي وتغطي جميع النقاط الحرجة التي تؤثر على العملية.

Introduction

على مدى السنوات ال 50 الماضية جذب التفاعل بين الأسطح غير العضوية والببتيدات الكثير من الاهتمام بسبب أهميته العالية في علم المواد والطب. تركز البحوث الطبية الحيوية على توافق واستقرار الأسطح العضوية الحيوية ، والتي لها آثار مباشرة على الطب التجديدي ، وهندسة الأنسجة1،2،3، والزرع4،5،6،7. تعتمد الأجهزة المعاصرة المستجيبة بيولوجياً، مثل أجهزة الاستشعار والأكتورات، على بروتينات وظيفية معطلة على أسطح أشباه أكسيد8،9،10،11،12،13. غالبًا ما تعتمد ممارسات التنقية الحديثة لإنتاج البروتين على خصائص تفاعل الجزيئات الحيوية في تنقية المصب وفصلها14.

من بين أكاسيد غير عضوية متعددة ، لا يزال ثاني أكسيد التيتانيوم الأكثر استخدامًا في تركيبة مع ركائز ذات صلة بيولوجيًا15،16. وقد ركزت البحوث في مجال TiO2القائم على الواجهات الحيوية على إنشاء ربط قوي ومحدد من البروتينات والببتيدات دون تغيير خصائصها البيولوجية والهيكلية. في نهاية المطاف ، فإن الهدف الرئيسي هو طبقة عالية الكثافة السطحية من الجزيئات الحيوية مع استقرار عال وزيادة الوظائف التي من شأنها أن تقدم إنشاء التطبيقات الحيوية القائمة على التيتانيوم والتكنولوجيا الحيوية والطبية17.

وقد استخدمت التيتانيوم وسبائكها على نطاق واسع كمادة زرع الجراحية لمدة ستة عقود على الأقل لأن طبقة TiO2 سطح مع سمك بضعة نانومتر مقاومة للتآكل والمعارض مستوى عال من التوافق البيولوجي في العديد من التطبيقات في الجسم الحي18،19،20. ثاني أكسيد التيتانيوم يعتبر أيضا على نطاق واسع الركيزة غير العضوية المنتجة في التعدين الحيوي، حيث النواة ونمو المرحلة غير العضوية يرافقه البروتينات والببتيدات قد توفر المواد مع خصائص الحفاز والبصرية واعدة21،,22،,23،,24.

نظرا ً للأهمية العالية للتفاعل بين المواد غير العضوية والجزيئات الحيوية بشكل عام وتفاعلات البروتين-TiO2 بشكل خاص ، كان هناك الكثير من الأبحاث لمعالجة التلاعب والسيطرة على امتصاص البروتينات على TiO2. بسبب هذه الدراسات، تم الكشف عن بعض الخصائص الأساسية لهذا التفاعل، مثل حركية الامتزاز، والتغطية السطحية، والتوافق الجزيء الحيوي، مما يعطي دعما كبيرا لمزيد من التقدم في الواجهات الحيوية5،13.

ومع ذلك، يضيف تعقيد البروتين قيودًا كبيرة على التحديد والفهم الكاملين للتفاعل على المستوى الجزيئي للبروتين مع الأسطح غير العضوية. على افتراض أن الجزيئات الحيوية تتفاعل مع الأسطح غير العضوية من خلال مواقع محدودة ، تم تقليل بعض البروتينات ذات الهياكل المعروفة وتسلسل الأحماض الأمينية إلى مكوناتها - الببتيدات والأحماض الأمينية - التي تتم دراستها بشكل منفصل. وقد أظهرت بعض هذه الببتيدات نشاط كبير، مما يجعلها موضوعا فريدا من الدراسات الامتزاز دون الحاجة إلى فصل البروتين السابق25،,26،27،,28،,29،,30.,

يمكن تحقيق التوصيف الكمي لالامتزاز الببتيد على TiO2 أو الأسطح غير العضوية الأخرى عن طريق الطرق الفيزيائية التي تم تكييفها خصيصًا للجزيئات الحيوية على مدى العقود القليلة الماضية. وتشمل هذه الأساليب قياس السعرات الحرارية المعايرة isothermal (ITC)، وصدى البلازمون السطحي (SPR)، والكوارتز الكريستال microbalance (QCM)، ومضان الانعكاس الداخلي الكلي (TIRF)، ومطياف الانعكاس الكلي المخفف (ATR)، وكلها تسمح بالكشف عن قوة الامتزاز من خلال توفير البيانات الحرارية الرئيسية: ثابت ملزم، جيبس الطاقة الحرة، enthalpy، وentropy31.

ويمكن أن يتم امتصاص الجزيئات الحيوية للمواد غير العضوية بطريقتين: 1) مركز الـITC وكذلك طريقة استنفاد استخدام الجسيمات المنتشرة في محلول ملزم للأسطح العيانية الثابتة؛ (2) استخدام الجسيمات المنتشرين في محلول ملزم للأسطح العيانية الثابتة. 2) SPR، QCM، TIRF، وATR استخدام الأسطح العيانية المعدلة مع المواد غير العضوية، مثل الزجاج المغلفة بالذهب أو رقائق معدنية، بلورات الكوارتز، بلورات كبريتيد الزنك، ورقائق PMMA، على التوالي.

قياس السعرات الحرارية (ITC) هو أسلوب مادي خال ٍ من العلامات يقيس الحرارة المنتجة أو المستهلكة عند معايرة المحاليل أو الخلائط غير المتجانسة. تكشف الخلايا الحرارية الحساسة عن تأثيرات حرارية صغيرة مثل 100 نانوجول ، مما يجعل قياس حرارة الامتزاز على أسطح الجسيمات النانوية ممكنًا. السلوك الحراري للسوربات أثناء الإضافة المستمرة - المعايرة ، ويوفر لمحة ديناميكية حرارية كاملة عن التفاعل الذي يكشف عن enthalpy ، ثابت ملزم ، وإنتروبيا في درجة حرارة معينة32،33،34،35،36.

التحليل الطيفي لصدى البلازمون السطحي (SPR) هو تقنية بصرية حساسة للسطح تعتمد على قياس مؤشر الانكسار لوسائل الإعلام على مقربة من السطح المدروس. بل هو وسيلة في الوقت الحقيقي وخالية من التسمية لرصد الامتزاز عكسها وسمك طبقة مالامتداد. يمكن حساب ثابت الربط من معدلات الاقتران والتفكك. قد توفر تجارب الامتزاز التي يتم إجراؤها في درجات حرارة مختلفة معلومات حول اعتماد درجة الحرارة على طاقة التنشيط والمعلمات الحرارية الأخرى بشكل متسلسل37،38،39.

تقيس طريقة الكوارتز الكريستالي (QCM) التغير في التردد المتذبذب للبلورات الكهربية الكهربية خلال عمليات الامتزاز والامتزاز. يمكن تقييم ثابت الربط من نسبة ثوابت معدل الامتزاز والامتزاز. يتم استخدام QCM لقياسات الكتلة النسبية ، وبالتالي ، لا يحتاج إلى معايرة25،27،40. يستخدم QCM للامتزاز من كل من الغاز والسائل. تسمح تقنية السائل استخدام QCM كأداة تحليل لوصف الترسيب على الأسطح المعدلة بشكل مختلف41.

مجموع التفلور الانعكاس الداخلي (TIRF) هو تقنية حساسة بين الوجه البصرية على أساس قياس الفلورسCence من الفلوروبورهورس اتسهات مع موجات إيفانسية تنعكس داخليا. تسمح هذه الطريقة بالكشف عن جزيئات الفلورسنت التي تغطي السطح بسماكات على ترتيب عشرات النانومترات ، وهذا هو السبب في أنها تستخدم في دراسة الامتزاز الجزيئي الكلي على مختلف الأسطح42،43. في رصد الموقع من ديناميات الفلورسينس على الامتزاز والامتزاز توفير حركية الامتزاز وبالتالي البيانات الحرارية42،43.

تم استخدام الانعكاس الكلي المتيني (ATR) من قبل روديك-Lanzilotta لإنشاء isotherms امتصاص الليسين على أساس النطاقات الطيفية الليسين في 1,600 و 1,525 سم-1. هذه هي المرة الأولى التي تم تحديد ثابت ملزم للببتيد على TiO2 باستخدام طريقة الأشعة تحت الحمراء في الموقع44. كانت هذه التقنية فعالة في إنشاء isotherms الامتزاز لببتيدات البوليليسين45 والأحماض الأمينية الحمضية46.

على عكس الطرق المذكورة أعلاه ، حيث يتم قياس معلمة الامتزاز في الموقع ، في تجربة تقليدية يتم قياس كمية الجزيئات الحيوية الممتزة عن طريق تغيير التركيز بعد اتصال السطح بالحل. لأن تركيز سوربات يتحلل في الغالبية العظمى من حالات الامتزاز ، ويشار إلى هذه الطريقة على أنها طريقة الاستنفاد. تتطلب قياسات التركيز مسحتحليلي مصدق عليه ، والذي قد يستند إلى خاصية تحليلية جوهرية للسوربات أو استنادًا إلى وضع العلامات47،48،4949،50 أو اشتقاق51،52 منه.

تتطلب تجارب الامتزاز باستخدام QCM أو SPR أو TIRF أو ATR إعداد سطح خاص للرقائق وأجهزة الاستشعار المستخدمة في دراسات الامتزاز. يجب استخدام الأسطح المعدة مرة واحدة وتتطلب التغيير عند تبديل الممتز ، بسبب الترطيب الحتمي لسطح أكسيد أو الترويسوربتيا يمكن أن يكون من سوربات. ويمكن تشغيل عينة واحدة فقط في كل مرة باستخدام مركز الـITC أو QCM أو SPR أو TIRF أو ATR، في حين أنه في طريقة الاستنفاد يمكن للمرء أن يدير عشرات العينات، التي تقتصر الكمية عليها فقط على سعة ترمساست التربة وتوافر المواد الماصة. وهذا مهم بشكل خاص عند معالجة دفعات عينة كبيرة أو مكتبات من الجزيئات النشطة بيولوجيا. والأهم من ذلك أن طريقة الاستنفاد لا تتطلب معدات مكلفة بل تتطلب فقط جهاز اعادة الرموست.

ومع ذلك، وعلى الرغم من مزاياها الواضحة، فإن طريقة الاستنفاد تتطلب سمات إجرائية معقدة قد تبدو مرهقة. تعرض هذه المقالة كيفية إجراء دراسة فيزيائية كيميائية شاملة لالامتزاز dipeptide على TiO2 باستخدام طريقة الاستنفاد وتتناول القضايا التي قد يواجهها الباحثون عند إجراء التجارب ذات الصلة.

Protocol

1. إعداد حلول الأسهم ديبتيد والتخفيفات

  1. إعداد حل ديبتيد بـ 16 mM
    1. ضع 0.183 غرام من ثنائي الببتيد (إيل-هي) (انظر جدول المواد)في أنبوب اختبار بوليمري معقم، وتمييع إلى 35 مل مع الماء المقطر المزدوج (DDW)، ويذوب في درجة حرارة الغرفة (RT) تحت التحريك القوي.
      ملاحظة: إذا لم يذوب dipeptide في DDW أثناء التحريك، ضع محلول dipeptide في حمام بالموجات فوق الصوتية وسونيكات لبضع دقائق.
    2. إعداد حل 50 mM منN2-(N-morpholino)ethanesulfonic حمض (MES) العازلة عن طريق إذابة 0.533 غرام من الجافة 2-(N-morpholino) حمض ethanesulfonic في 50 مل من DDW في أنبوب الاختبار المعقم.N إعداد محلول هيدروكسيد الصوديوم 50 mM عن طريق إذابة 200 ملغ من هيدروكسيد الصوديوم في 100 مل من DDW.
    3. ضبط درجة الحموضة من محلول dipeptide المذاب مسبقًا إلى 7.4 عن طريق الإضافة بعناية (معايرة ميكرولتر) 50 mM MES ، أو هيدروكسيد الصوديوم 50 mM إلى محلول dipeptide 16 mM ، والتحريك في RT ومراقبة درجة الحموضة مع مقياس درجة الحموضة. بعد ضبط درجة الحموضة، صب الحل في اسطوانة قياس، وشطف أنبوب الاختبار، وملء اسطوانة قياس مع DDW إلى 40 مل لجعل تركيز النهائي من 16 mM.
  2. إعداد تخفيفات الديبتيد من محلول مخزون 16 mM
    1. إعداد تخفيف الببتيد مع تركيزات بين 0.4 و 12.0 mM عن طريق تخفيف 16 م م محلول dipeptide مع DDW. على سبيل المثال، من أجل إعداد حل ديبتيد 8 mM، إضافة 7 مل من DDW إلى 10 مل من 16 mM حل dipeptide. بعد التخفيف، قم بضبط درجة الحموضة إلى 7.4 بإضافة 50 مليون متر في م MES أو 50 mM NaOH قطرة قطرة إلى محلول dipeptide (انظر الخطوة 1.1.3). بعد ضبط درجة الحموضة، صب الحل في اسطوانة قياس، وشطف أنبوب الاختبار، وملء اسطوانة قياس تصل إلى 20 مل مع DDW لجعل تركيز dipeptide 8 mM.
      ملاحظة: يتم إعداد تخفيفات أخرى من محلول مخزون dipeptide 16 mM بتركيزات 0.4 و 0.8 و 1.2 و 1.6 و 2.0 و 3.0 و 4.0 و 8.0 و 12.0 mM ، وفقًا للشكل 1. ويرد في الخطوة 1.1.3 تعديل كل درجة الحموضة في حل الببتيد إلى 7.4.

2. إعداد تيتانيا سول

  1. إعداد حل 10 mM من المخزن المؤقت MES عن طريق حل 1.066 غرام من MES في 500 مل من DDW. ضبط درجة الحموضة إلى 7.4 مع هيدروكسيد الصوديوم الجاف عند تحريك ورصد درجة الحموضة مع متر درجة الحموضة.
  2. طحن 200 ملغ من النانوكريستالين TiO2 في هاون لمدة 5 دقيقة على الأقل (انظر جدول المواد).
  3. وزن 40 ملغ من الجسيمات النانوية ثاني أكسيد التيتانيوم الأرض في قارورة مختبر. وضع قارورة في حمام سونيكيشن (انظر جدول المواد)باستخدام موقف المختبر.
  4. إضافة 20 مل من 10 mM MES المخزن المؤقت في قارورة مع TiO2 وسونيكات في حمام بالموجات فوق الصوتية (5 لتر، 40 كيلو هرتز، 120 W) لمدة 20 دقيقة.

3. خلط والحرارة

  1. تعيين الحرارة (انظر جدول المواد)إلى درجات الحرارة المطلوبة (أي 0.00، 10.00، 20.00، 30.00، أو 40.00 درجة مئوية).
  2. إضافة 1 مل من سول سونيكاتيد من TiO2 إلى قوارير الامتزاز ملحوظ. ضع قوارير الامتزاز المميزة ضد تخفيف ثنائي الببتيد المقابل في جهاز تعويم مؤقت مصنوع من رغوة البوليسترين المقذوفة. ضع جهاز التعويم مع القنينات المميزة وتمييع الديبتيد اتّصالها في الرُموست لمدة 5 دقيقة على الأقل.
  3. أضف 1 مل من كل تخفيف ديبتيد إلى قارورة الامتزاز المميزة المقابلة، مع التأكد من أن جميع حلول الخلط لها نفس درجة الحرارة. الحفاظ على سلسلة من عينات الامتزاز التي تم الحصول عليها على الحرارة في 0.00، 10.00، 20.00، 30.00، أو 40.00 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لتحقيق التوازن الامتزاز.
    ملاحظة: يهز بحذر جميع عينات التشتت التي تم الحصول عليها قبل وضعها في ترمموسات.
  4. أحيانا خلط تشتت TiO2 عن طريق هز يدويا لهم خلال الحرارة.

4. ترشيح العينات الحرارية

  1. من أجل تجنب reequirationration الناجم عن درجة الحرارة إخراج عينة واحدة في وقت واحد من الحرارة للترشيح.
  2. خذ عينة من محلول الديبتيد من كل قارورة زجاجية مع حقنة، من خلال إبرة حقنة. إزالة الإبرة من الحقنة ووضعها على مرشح حقنة (انظر جدول المواد)لتصفية محلول dipeptide في قارورة الزجاج. كرر الترشيح مع عينات أخرى.
  3. تحليل الفيلة وفقا للقسم 5.
    ملاحظة: لا تقم بالطرد المركزي للعينات، لأنها تستغرق بضع دقائق وقد تسبب تغييرًا في توازن التركيز.

5 - اشتقاق وتحليل المجلس الشعبي لتحرير السودان

  1. جعل محلول 50 مل من حمض تريفلورواسيك (TFA) في الأسيتونتريل. إضافة 0.34 مل من TFA في اسطوانة القياس وضبط حجم الحل إلى 50 مل مع الأسيتونتريل في RT.
    تنبيه: العمل مع TFA تحت غطاء الدخان مع تهوية العادم ، لأن حمض تريفلورواسيك ضار عند استنشاقه ، ويسبب حروقًا جلدية شديدة ، ويكون سامًا للكائنات المائية حتى بتركيزات منخفضة53.
  2. إعداد محلول الاشتقاق (أي كاشف Edman54)عن طريق وضع 299 ميكرولتر من ايزوثيوسيات الفينيل و 347 ميكرولتر من ثلاثي الثلاثياتفيلاين في أسطوانة متدرجة وتعديل حجم المحلول إلى 50 مل مع الأسيتونتريل في RT.
  3. قبل تحليل الكروماتوغرافيا السائلعالي الأداء (HPLC)، قم باشتقاق العينات باستخدام كاشف Edman في قوارير الكروماتوغرافيا. اخلط يُمزج 400 ميكرولتر من العينة مع 400 ميكرولتر من كاشف أدمان. سخني العينة على حرارة 60 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. بعد التدفئة، تحييد العينة مع 225 ميكرولتر من محلول TFA وانتظر لبضع دقائق لتبريد العينة إلى RT.
  4. استخدم تحليل HPLC (انظر جدول المواد)لتحديد تركيز محلول dipeptide قبل وبعد الامتزاز. وضع قوارير الكروماتوغرافيا مع الحلول التي تم تحليلها في autosampler HPLC والبدء في تحليل العينات مع الشروط اللازمة، والتي يتم تعيينها من قبل البرنامج (انظر جدول المواد).
    ملاحظة: المرحلة المتنقلة تتكون من 0.1٪ TFA في المياه المجردة من الأيونات والأستونيتريل النقي، مع تدرجات الأسيتونتريل من 20-90٪ في 286 نانومتر لمدة 13 دقيقة. تحليل كل عينة في ثلاثية. قياس تركيز محلول dipeptide باستخدام منحنى المعايرة الذي تم إنشاؤه مسبقًا(الشكل 2). للاطلاع على مواصفات الكروماتوغرافيا انظر شكيلوكوف وآخرون55.

النتائج

تمت دراسة امتصاص ثنائي الببتيد على ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي البلوري في الظروف المتوافقة بيولوجيًا في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 0 و40 درجة مئوية. تم تقييم امتصاص ثنائي الببتيد التجريبي (A، mmol/g) على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم على أنه

figure-results-359

حيث C0 و Ce هي تركيزات بدء dipeptide والتوازن في المليمولات، على التوالي؛ V هو حجم محلول dipeptide في لتر; وm هو وزن الماصة بالجرام.

قياسات امتصاص dipeptide تم تجهيز البيانات باستخدام نموذج هنري. يفترض هذا النموذج isotherm الامتزاز بتركيزات منخفضة نسبيًا مع جزيئات سوربات معزولة عن بعضها البعض على سطح ماصة ومناسب لوصف البيانات التجريبية(الشكل 3). ومع ذلك، لاحظ أنه لا يمكن تطبيق هذا النموذج إلا في حالة الامتزاز القابل للعكس، وهو ما ينبغي تأكيده أيضاً. الأشعة تحت الحمراء الطيفية من المواد شطف عدة مرات هو مناسبة لهذا الغرض. ترتبط كميات الببتيد التوازن التي تم الحصول عليها على TiO2 والحل وفقًا للمعادلة الخطية:

figure-results-1305

حيث KH هو ثابت امتزاز هنري.

تم الحصول على ثابت التوازن الملزم KH من منحدر اعتماد امتصاص dipeptide(A)على تركيز توازن dipeptide(Ce). معيار جيبس الطاقة الحرة(ΟG، kJ / مول) لكل درجة حرارة T تم تحديدها من خلال معادلة Van't Hoff:

figure-results-1841

حيث R هو ثابت الغاز المثالي في J/ mol *K، وT هو درجة حرارة عملية الامتزاز في كلفن.

Dipeptide جيبس الطاقات الحرة المحددة في كل درجة حرارة(الشكل 4)كشف enthalpy(ΟH)كاعتراض للتراجع الخطي مع المحور. تم اشتقاق متغير الانحدار ، إنتروبيا العملية(ΟS)، من المعادلة الأساسية:

figure-results-2422

القيم المحسوبة للتوازن ملزمة ثابت(KH)،والطاقة جيبس القياسية(ΟG)،enthalpy(ΟH)،والانتروبيا(ΟS)لإيل له وترد في الجدول 1.

figure-results-2775
الشكل 1: تخفيف 16 mM محلول الأسهم dipeptide. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3119
الشكل 2: منحنى المعايرة بتركيز مختلف. وكانت تركيزات الديبتيد بين 0.4-16.0 mM. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3496
الشكل 3: isotherms امتزاز dipeptide محسوبة من قبل نموذج هنري لكل درجة حرارة. Dipeptide الامتزة isotherms في (أ) 0 درجة مئوية (ب) 10 درجة مئوية(C)20 درجة مئوية(D)30 درجة مئوية ، و(E)40 درجة مئوية ، على التوالي. معاملات الارتباط المحسوبة (R2)سقطت في نطاق 0.96-0.99 لجميع isotherms نموذج هنري التي تم الحصول عليها. تمثل أشرطة الخطأ فاصل الثقة 95% لكل تركيز عينة يقاس بثلاثية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4264
الشكل 4: الاعتماد على الطاقة الحرة جيبس القياسية من الامتزاز dipeptide على درجة الحرارة. تمثل أشرطة الخطأ فاصل الثقة 95٪ للطاقة الحرة جيبس كقياس غير مباشر على أساس نموذج هنري. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

T, KكH ΟG0، kJ / مولΟH0، kJ / مولΟS0، kJ / مول K
273.150.32 ± 0.012.6 ± 0.0- 41 ± 9- 0.16 ± 0.03
283.150.25 ± 0.013.2 ± 0.1
293.150.17 ± 0.064.3 ± 0.9
303.150.050 ± 0.0027.6 ± 0.1
313.150.037 ± 0.0028.3 ± 0.1

الجدول 1: المعلمات الحرارية لالامتزاز الديبتيد.

Discussion

يتطلب الامتصاص من حلول بناء isotherm وقتًا أطول للتوازن بسبب القيود الحركية والمواد الماصة ذات مساحة سطح محددة عالية. وعلاوة على ذلك، ينبغي النظر في عدم استقرار sols، ومجاميع الجسيمات النانوية، والبلورية، وتوزيع حجم الجسيمات النانوية، ودرجة الحموضة للحل، والمنافسة على الامتزاز أثناء امتصاص الأحماض الأمينية. ومع ذلك ، فإن البناء الإمتزاز isotherm باستخدام طريقة الاستنفاد لا يزال المنهجية الأكثر توفرًا ، لأنه لا يتطلب أجهزة إعداد باهظة الثمن ، ومع ذلك فهو يوفر بيانات كيمياء فيزيائية شاملة لكل سوربات قابل للذوبان حرفيًا.

يجب التمييز بين أوضاع الامتزاز (أي الجسيمات المتناثرة في المحلول أو على سطح ثابت) عند استخدام مادة بلورية كمادة ماصة. وينبغي للمرء أن يتوقع فرقا كبيرا في توزيع الوجوه البلورية على الأسطح المسطحة بمنظار وعلى الجسيمات. قد لا تتوافق المعلمات الحرارية الناتجة المحددة من امتصاص الببتيدات على الجسيمات النانوية مع المعلمات الحرارية لالامتزاز الببتيد إلى الأسطح المسطحة بشكل لا صوتي.

متوسط كمية الببتيدات الممتزة على الأسطح غير العضوية منخفضة للغاية. في درجة حرارة الغرفة، وهذه القيمة حوالي عدة مئات من ميكروغرام لكل متر مربع28. هذه الكمية الصغيرة من الامتصاص تتطلب طرق قياس دقيقة والمواد الصلبة مع الأسطح المتطورة. لذلك ، يجب استخدام مواد الجسيمات الصغيرة ذات السطح المحدد الكبير (مئات الأمتار المربعة) لتجارب الامتزاز43،56،57,،58،59،60.

الببتيدات، مثل البروتينات، غير مستقرة، وتحتفظ بوظائفها في مجموعة ضيقة من الشروط. أجريت تجارب الامتزاز على ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي البلوري في درجات حرارة متوافقة بيولوجيا من 0 درجة مئوية-40 درجة مئوية (273.15 K-313.15 K)، والتي تشبه تلك التي من الطبيعي، تعمل، كائن حي. الامتزاز في درجات حرارة أعلى أو أقل غير ذي صلة ولا ينبغي النظر فيها للتجربة.

مركبات متعددة الوظائف النشطة بيولوجيا أيضا تظهر قابلية عالية لحش من وسائل الإعلام، كما أنه يؤثر على تهمة السطح، وبالتالي التفاعلات كولوم بين المجموعات الوظيفية المشحونة61،62،63. الشحنة الماصة من مواد أكسيد هو أيضا درجة الحموضة تعتمد على نتيجة تبادل البروتون النشط على سطح رطب64. من أجل تحديد شروط مستقرة درجة الحموضة لتوازن الامتزاز استخدام المخزن المؤقت مطلوب. في هذه الدراسة، ويستخدم المخزن المؤقت MES لخاصية غير منسقة65،لذلك فإنه لن تتنافس مع الببتيد للالامتزاز على سطح أكسيد المعادن، على عكس مخازن الفوسفات66.

هذا الاختبار الأخير من الامتزاز الأحماض الأمينية يظهر أن موقع الربط الرئيسي على الجسيمات النانوية هو عيب السطح55. توزيع العيب على السطح هي واحدة من السمات الأقل قابلية للسيطرة من ركائز النانوكريستالين، وبالتالي ينبغي للمرء أن استخدام المواد الماصة من نفس الدفعة من أجل الحفاظ على الاتساق في دراسات الامتزاز.

QCM، والرنين البلازمون، والITC هي أساليب حقيقية مع حساسية خفية أنه في مزيج من الأساليب الطيفية تكشف عن الخصائص الهيكلية للامتصاص أثناء التفاعل مع السطح. ومع ذلك، فإنها لا تتغلب على القيود الحركية ولا تزال تتطلب وقتا طويلا لتحقيق التوازن بين الامتزاز. وعلاوة على ذلك، يمكن معالجة عينة واحدة فقط في وقت واحد، مما يجعل تحليل عينة دفعة صعبة. ومن ناحية أخرى، فإن طريقة الاستنفاد المعروضة بسيطة وتقتصر فقط على قدرة الرموسسات، مما يجعل تجهيز عدد كبير من العينات ممكنا.

وينبغي تصفية العينات الحرارية بمجرد إزالتها من الحرارة من أجل تجنب المحوّل الناجم عن درجة الحرارة. على الرغم من أن المعادلة في درجة حرارة جديدة قد تستغرق ما يصل إلى بضع ساعات ، يجب تقليل عينات الامتصاص عند درجة حرارة مختلفة. كما لا ينصح بالطرد من العينات لفصل supernatant، لأنه يستغرق ما يصل إلى بضع دقائق، وقد يسبب تغييرا في توازن التركيز. يعتمد اختيار مادة التصفية على طبيعة sorbate وينبغي تقليل إمكانية ربط التصفية لأقصى قدر من الاسترداد. من الأفضل اتباع إرشادات البائعين وتوصياتهم عند اختيار فلاتر محددة.

وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي للمرء أن يضع في اعتباره أنه ينبغي رصد تغير التركيز في دراسات الامتزاز باستخدام طريقة القياس الكمي المصدق عليها باستخدام قياس الطيف الكتلي، أو التحليل الطيفي الراديوي، أو التحليل الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية. التحليل سهل إذا كان المُمزّم نشطًا بمنظار ، وإلا يلزم وضع علامات إضافية أو اشتقاق للامتزاط.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

وقد دعم هذا العمل ماليا المؤسسة الروسية للبحوث الأساسية (المنحة رقم 15-03-07834-أ).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acidTCI Chemicals4432-31-9MES, >98%
AcetonitrilePanreac AppliChemHPLC grade
Chromatography vialsglass
Dipeptide Ile-HisBachem4000894
Double-distilled waterDDW was obtained on spot
Heating cleaning bath "Ultrasons-HD"J.P. Selecta30008655 L, 40 kHz, 120 Watts
High-performance liquid chromatograph system equipped with a UV−vis detectorShimadzu, LC-20 ProminenceHPLC
IsopropanolSigma-Aldrich (Merck)67-63-099.70%
LabSolutions LiteShimadzu223-60410Software for high-performance liquid chromatography system
Nanocrystalline TiO2Pure anatase with at least 99% crystallinity. Average particle size 10.62 ± 3.31 nm. Specific surface 131.9 m2/g (BET). See Langmuir 2019, 35, 538−550, for details.
Phenyl isothiocyanateAcros Organics103-72-0PITC, 98%
Reversed-phase Zorbax columnZORBAX LC150×2.5 mm i.d. with a mean particle size of 5 μm
Syringe filterVladfilter25 mm, 0.2 μm pore, cellulose acetate
Test sterile polymeric tubepolypropylene
Thermostat TC-502BrookfieldRefrigerating/heating circulating bath with the programmable controller for the sample derivatization
TriethylamineSigma-Aldrich (Merck)121-44-8TEA; 99%
Trifluoroacetic acidPanreac AppliChem163317TFA, 99%

References

  1. Garcia, A. J. Interfaces to Control Cell-Biomaterial Adhesive Interactions. Polymers for Regenerative Medicine. 203, Chapter 71 171-190 (2006).
  2. Mahmood, T. A., et al. Modulation of chondrocyte phenotype for tissue engineering by designing the biologic-polymer carrier interface. Biomacromolecules. 7 (11), 3012-3018 (2006).
  3. Gandavarapu, N. R., Mariner, P. D., Schwartz, M. P., Anseth, K. S. Extracellular matrix protein adsorption to phosphate-functionalized gels from serum promotes osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. Acta Biomaterialia. 9 (1), 4525-4534 (2013).
  4. Horbett, T. Biological Activity of Adsorbed Proteins. Surfactant Science Series. 110, 393-413 (2010).
  5. Ratner, B. D., Hoffman, A. S., Schoen, F. J., Lemons, J. E. Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. , Elsevier Academic Press/Academic Press. San Diego. (2004).
  6. Jahangir, A. R., et al. Fluorinated surface-modifying macromolecules: Modulating adhesive protein and platelet interactions on a polyether-urethane. Journal of Biomedical Materials Research. 60 (1), 135-147 (2002).
  7. Shen, M., et al. PEO-like plasma polymerized tetraglyme surface interactions with leukocytes and proteins: In vitro and in vivo studies. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 13 (4), 367-390 (2002).
  8. Wisniewski, N., Moussy, F., Reichert, W. M. Characterization of implantable biosensor membrane biofouling. Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. 366 (6-7), 611-621 (2000).
  9. Geelhood, S. J., et al. Passivating Protein Coatings for Implantable Glucose Sensors: Evaluation of Protein Retention. Journal of Biomedical Materials Research. Part B, Applied Biomaterials. 81, 251-260 (2007).
  10. Knowles, J. R. Enzyme catalysis: not different, just better. Nature. 350 (6314), 121-124 (1991).
  11. Blankschien, M. D., et al. Light-triggered biocatalysis using thermophilic enzyme - Gold nanoparticle complexes. ACS Nano. 7 (1), 654-663 (2013).
  12. Wu, H., et al. Catechol modification and covalent immobilization of catalase on titania submicrospheres. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 92, 44-50 (2013).
  13. Gray, J. J. The interaction of proteins with solid surfaces. Current Opinion in Structural Biology. 14 (1), 110-115 (2004).
  14. Hlady, V., Buijs, J. Protein adsorption on solid surfaces. Current Opinion in Biotechnology. 7 (1), 72-77 (1996).
  15. Kulkarni, M., et al. Titanium nanostructures for biomedical applications. Nanotechnology. 26 (6), 062002(2015).
  16. Yin, F. Z., Wu, L., Gui Yang, H., Su, H. Y. Recent progress in biomedical applications of titanium dioxide. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (14), 4844-4858 (2013).
  17. Rezania, A., Johnson, R., Lefkow, A. R., Healy, K. E. Bioactivation of metal oxide surfaces. 1. Surface characterization and cell response. Langmuir. 15 (20), 6931-6939 (1999).
  18. Schenk, R. The Corrosion Properties of Titanium and Titanium Alloys. Titanium in Medicine. Brunette, D. M., et al. , Springer-Verlag. Berlin, Germany. 145-170 (2001).
  19. Bozzini, B., et al. An electrochemical impedance investigation of the behaviour of anodically oxidised titanium in human plasma and cognate fluids, relevant to dental applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19 (11), 3443-3453 (2008).
  20. Popa, M. V., et al. Long-term assessment of the implant titanium material - Artificial saliva interface. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 19 (1), 1-9 (2008).
  21. Kim, J. K., et al. Lysozyme-mediated biomineralization of titanium-tungsten oxide hybrid nanoparticles with high photocatalytic activity. Chemical Communications. 50, 12392-12395 (2014).
  22. Suriyaraj, S. P., Selvakumar, R. Room temperature biosynthesis of crystalline TiO2 nanoparticles using Bacillus licheniformis and studies on the effect of calcination on phase structure and optical properties. RSC Advances. 4, 39619-39624 (2014).
  23. Inoue, I., et al. Thermo-stable carbon nanotube-TiO2 nanocompsite as electron highways in dye-sensitized solar cell produced by bio-nano-process. Nanotechnology. 26 (28), 285601(2015).
  24. Gardères, J., et al. Self-assembly and photocatalytic activity of branched silicatein/silintaphin filaments decorated with silicatein-synthesized TiO2 nanoparticles. Bioprocess and Biosystems Engineering. 39 (9), 1477-1486 (2016).
  25. Chen, H., Su, X., Neoh, K. G., Choe, W. S. QCM-D analysis of binding mechanism of phage particles displaying a constrained heptapeptide with specific affinity to SiO2 and TiO2. Analytical Chemistry. 78 (14), 4872-4879 (2006).
  26. Iucci, G., et al. Peptides adsorption on TiO2 and Au: Molecular organization investigated by NEXAFS, XPS and IR. Surface Science. 601 (18), 3843-3849 (2007).
  27. Gronewold, T. M. A., Baumgartner, A., Weckmann, A., Knekties, J., Egler, C. Selection process generating peptide aptamers and analysis of their binding to the TiO2 surface of a surface acoustic wave sensor. Acta Biomaterialia. 5 (2), 794-800 (2009).
  28. Gitelman, A., Rapaport, H. Bifunctional designed peptides induce mineralization and binding to TiO2. Langmuir. 30 (16), 4716-4724 (2014).
  29. Tada, S., Timucin, E., Kitajima, T., Sezerman, O. U., Ito, Y. Direct in vitro selection of titanium-binding epidermal growth factor. Biomaterials. 35 (11), 3497-3503 (2014).
  30. Micksch, T., Liebelt, N., Scharnweber, D., Schwenzer, B. Investigation of the peptide adsorption on ZrO2, TiZr, and TiO2 surfaces as a method for surface modification. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (10), 7408-7416 (2014).
  31. Limo, M. J., Perry, C. C., Thyparambil, A. A., Wei, Y., Latour, R. A. Experimental Characterization of Peptide-Surface Interactions. Bio-Inspired Nanotechnology: From Surface Analysis to Applications. , 37-94 (2013).
  32. Draczkowski, P., Matosiuk, D., Jozwiak, K. Isothermal titration calorimetry in membrane protein research. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 87, 313-325 (2014).
  33. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I., Wilkins, T. Application of isothermal titration calorimetry in evaluation of protein-nanoparticle interactions. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 127, 605-613 (2017).
  34. Jing, X., et al. Interaction of peptidomimetics with bilayer membranes: Biophysical characterization and cellular uptake. Langmuir. 28 (11), 5167-5175 (2012).
  35. Mizuguchi, C., et al. Effect of phosphatidylserine and cholesterol on membrane-mediated fibril formation by the N-terminal amyloidogenic fragment of apolipoprotein A-I. Scientific Reports. 8 (1), 5497(2018).
  36. Bisker, G., et al. Insulin Detection Using a Corona Phase Molecular Recognition Site on Single-Walled Carbon Nanotubes. ACS Sensors. 3 (2), 367-377 (2018).
  37. Singh, N., Husson, S. M. Adsorption thermodynamics of short-chain peptides on charged and uncharged nanothin polymer films. Langmuir. 22 (20), 8443-8451 (2006).
  38. Seker, U. O. S., et al. Thermodynamics of engineered gold binding peptides: Establishing the structure-activity relationships. Biomacromolecules. 15 (7), 2369-2377 (2014).
  39. Beutner, R., Michael, J., Schwenzer, B., Scharnweber, D. Biological nano-functionalization of titanium-based biomaterial surfaces: A flexible toolbox. Journal of the Royal Society Interface. 7 (Suppl 1), S93-S105 (2010).
  40. Sultan, A. M., et al. Aqueous Peptide-TiO2 Interfaces: Isoenergetic Binding via Either Entropically or Enthalpically Driven Mechanisms. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (28), 18620-18630 (2016).
  41. Teichroeb, J. H., Forrest, J. A., Jones, L. W., Chan, J., Dalton, K. Quartz crystal microbalance study of protein adsorption kinetics on poly(2-hydroxyethyl methacrylate). Journal of Colloid and Interface Science. 325 (1), 157-164 (2008).
  42. Lok, B. K., Cheng, Y. L., Robertson, C. R. Protein adsorption on crosslinked polydimethylsiloxane using total internal reflection fluorescence. Journal of Colloid And Interface Science. 91 (1), 104-116 (1983).
  43. Nakanishi, K., Sakiyama, T., Imamura, K. On the Adsorption of Proteins on Solid Surfaces, a Common but Very Complicated Phenomenon. Journal of Bioscience and Bioengineering. 91 (3), 233-244 (2001).
  44. Roddick-Lanzilotta, A. D., Connor, P. A., McQuillan, A. J. An In Situ Infrared Spectroscopic Study of the Adsorption of Lysine to TiO2 from an Aqueous Solution. Langmuir. 14, 6479-6484 (1998).
  45. Roddick-Lanzilotta, A. D., McQuillan, A. J. An in situ infrared spectroscopic investigation of lysine peptide and polylysine adsorption to TiO2 from aqueous solutions. Journal of Colloid and Interface Science. 217 (1), 194-202 (1999).
  46. Roddick-Lanzilotta, A., McQuillan, A. An in situ infrared spectroscopic study of glutamic acid and of aspartic acid adsorbed on TiO2: implications for the biocompatibility of titanium. Journal of Colloid and Interface Science. 227 (1), 48-54 (2000).
  47. Chan, B. M. C., Brash, J. L. Adsorption of fibrinogen on glass: reversibility aspects. Journal of Colloid And Interface Science. 82 (1), 217-225 (1981).
  48. van Enckevort, H. J., Dass, D. V., Langdon, A. G. The adsorption of bovine serum albumin at the stainless-steel/aqueous solution interface. Journal of Colloid And Interface Science. 98 (1), 138-143 (1984).
  49. Arnebrant, T., Nylander, T. Sequential and competitive adsorption of β-lactoglobulin and κ-casein on metal surfaces. Journal of Colloid And Interface Science. 111 (2), 529-533 (1986).
  50. Van Dulm, P., Norde, W. The adsorption of human plasma albumin on solid surfaces, with special attention to the kinetic aspects. Journal of Colloid And Interface Science. 91 (1), 248-255 (1983).
  51. Gonçalves, T. Fluorescent labeling of biomolecules with organic probes. Chemical Reviews. 109 (1), 190-212 (2009).
  52. Roth, K. D. W., Huang, Z. H., Sadagopan, N., Watson, J. T. Charge derivatization of peptides for analysis by mass spectrometry. Mass Spectrometry Reviews. 17 (4), 255-274 (1998).
  53. AppliChem, P. Safety Data Sheet According to Regulation (EU) 830/2015 3317 Trifluoroacetic Acid. , http://pub.panreac.com/msds/ing/3317.htm 112(2018).
  54. Heinrikson, R. L., Meredith, S. C. Amino acid analysis by reverse-phase high-performance liquid chromatography: Precolumn derivatization with phenylisothiocyanate. Analytical Biochemistry. 136 (1), 65-74 (1984).
  55. Shchelokov, A., et al. Adsorption of Native Amino Acids on Nanocrystalline TiO2: Physical Chemistry, QSPR, and Theoretical Modeling. Langmuir. 35 (2), 538-550 (2019).
  56. Fair, B. D., Jamieson, A. M. Studies of Protein Adsorption on Polystyrene Latex Surfaces. Journal of Colloid and Interface Science. 77 (2), 525-534 (1980).
  57. Kim, J. C., Lund, D. B. Adsorption behavior of p-lactoglobulin onto stainless steel surfaces. Journal of Food Processing and Preservation. 21 (607), 303-317 (1997).
  58. Kondo, A., Oku, S., Murakami, F., Higashitani, K. Conformational changes in protein molecules upon adsorption on ultrafine particles. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 1, 197-201 (1993).
  59. Itoh, H., Nagai, T., Saeki, T., Sakiyama, T., Nakanishi, K. Adsorption of Protein onto Stainless Steel Particle Surface and its Desorption Behavior. Developments in Food Engineering. , 811-813 (1994).
  60. Itoh, H., Nagata, A., Toyomasu, T., Sakiyama, T., Nagai, T. Adsorption of β-Lactoglobulin onto the Surface of Stainless Steel Particles. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 59 (9), 1648-1651 (1995).
  61. Mudunkotuwa, I. A., Grassian, V. H. Histidine adsorption on TiO2 nanoparticles: An integrated spectroscopic, thermodynamic, and molecular-based approach toward understanding nano-bio interactions. Langmuir. 30, 8751-8760 (2014).
  62. Pászti, Z., Guczi, L. Amino acid adsorption on hydrophilic TiO2: A sum frequency generation vibrational spectroscopy study. Vibrational Spectroscopy. 50 (1), 48-56 (2009).
  63. Costa, D., Savio, L., Pradier, C. M. Adsorption of Amino Acids and Peptides on Metal and Oxide Surfaces in Water Environment: A Synthetic and Prospective Review. Journal of Physical Chemistry B. 120 (29), 7039-7052 (2016).
  64. Kosmulski, M. The significance of the difference in the point of zero charge between rutile and anatase. Advances in Colloid and Interface Science. 99 (3), 255-264 (2002).
  65. Kandegedara, A., Rorabacher, D. B. Noncomplexing tertiary amines as "better" buffers covering the range of pH 3-11. Temperature dependence of their acid dissociation constants. Analytical Chemistry. 71 (15), 3140-3144 (1999).
  66. Susumu, O., Teruaki, A., Koichi, T. The Adsorption of Basic a-Amino Acids in an Aqeous Solution by Titanium(IV) Oxide. Bulletin of the Chemical Society of Japan. 54, 1595-1599 (1981).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

158

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved