본 연구는 부분적으로 BMWi과 BMBF 프로젝트 &quot;Aptasens&quot;(BMBF / DLR 01RB0805A)에 의해 투자 IGF-프로젝트 &quot;S-체&quot;(490 ZBG / 1)에 의해 투자되었다. AFM 연구 중과 영어를 모국어 스피커로 원고를 읽는 에릭 V. 존스턴에 그의 귀중한 도움을 토비아스 J. 귄터 특별 감사. 또한, 본 논문의 저자 (ICP-MS 측정에 도움을 자원 생태 연구소)에서 알린 리터와 사브리나 Gurlit 감사드립니다, Manja 보겔, 낸시 엉거, 카렌 E. Viacava와 헬름홀츠 연구소의 그룹 생명 공학 자원 기술에 대한 프라이 부르크.

저자가 공개하는 게 없다.

이 연구에서 상이한 분석 방법의 조합을 이용하여 조사 하였다 S 층의 Au 단백질의 결합을 연구 하였다. 특히, 금의 결합은 광산 물 또는 공정 용액에서 금의 회복뿐만 아니라, 물질, 예를 들면, 감각 표면의 건설을위한뿐만 아니라 매우 매력적이다. 금 상호 작용의 연구를 위해 (금 (III) 및 금 (0) -NPs)에 현탁하고 Slp1의 단층을 재결정 화하여, 단백질이 가지고 격리된다. 따라서 본 연구는 그람...

전자 인해, 촉매, 바이오 센서, 또는 의료 기기 등 여러 가지 응용 프로그램에 대한 금의 사용 증가로,이 귀금속의 수요는 최근 몇 년 6-9 시간 동안 성장했다. 무거운 또는 귀금속에 의해 대부분의 환경 오염에 대한 진행 과정이지만 골드뿐만 아니라 많은 다른 귀금속과 중금속, 광업 활동을 통해, 묽은 농도의 산업 폐수를 통해 환경으로 배출, 폐기물 처리 7,8,10된다 주로 과학 기술 활동에 의해 발생. 이는 자연 생태계의 중요한 간섭에 이르게 잠재적으로 인간의 건강 (9)을 위협 할 수 있습니다. 이러한 부정적인 결과를 아는 것은 새로운 기술은 산업 폐수에서 금속을 재활용 오염 된 생태계와 개선에서 금속을 제거하는 대한 검색을 촉진합니다. 침전 또는 이온 교환 등의 노포 물리 화학적 방법은 특히 높은에서, 그렇게 효과적이지 않다LY 솔루션 7,8,11 희석. Biosorption는 하나의 생활 또는 죽은 바이오 매스로, 폐수 처리 (10, 12)에 대한 매력적인 대안이다. 생물학적 물질의 사용은 독성 화학 물질의 소비를 줄일 수있다. 많은 미생물이 축적 또는 금속을 고정화 기술되었다. 예를 들어, Lysinibacillus 스패 리 쿠스의 셀 (L. 스패) JG-A12은 귀금속, 높은 결합능을 도시 한 예를 들면, 팔라듐 (II), 백금 (II), 금 (III), 및 납과 같은 다른 독성 금속 (II) 또는 U (VI) 4,13, CR (VI) 14 바실러스 메가 테 리움의 세포), 금 (Au에 대한 백금 (II) 및 Pd (II) (15), 그리고 클로렐라 저속한위한 사카로 마이 세스 세레 비지에의 세포 (III)과 U (VI) (16) 17. 금과 같은 금속의 결합 이전 (III), (II)도 Desulfovibrio보고 된 팔라듐 (II), 및 Pt는 18 L.를위한 desulfuricans 스패 리 쿠스 JG-B53 (19, 20). 그럼에도 불구하고,하지 등L 미생물은 금속의 높은 금액을 결합하여 흡착 물질로서의 응용이 제한 12,21입니다. 또한, 용량을 결합 금속은 예를 들어, 다른 매개 변수, 세포 구성, 사용 된 바이오 구성 요소, 또는 환경 및 실험 조건 (PH, 이온 강도, 온도 등)에 따라 달라집니다. 고립 된 세포 벽 조각 (22, 23)의 연구는 막 지질, 펩티도 글리, 단백질, 또는 다른 구성 요소와 같이 복잡한 구성 전체 세포 8,21의 프로세스를 결합 금속을 이해하는 데 도움이됩니다. 이 연구에 초점을 맞추고 세포 구성 요소는 S-층 단백질이다. S-층 단백질은 많은 박테리아 및 고세균의 외부 세포 외피의 일부이며, 이들은 약 15 구성 - 이들 유기체의 총 단백질 질량의 20 %. 환경에 대한 제 1 인터페이스로서, 이러한 화합물은 세포 강하게 세균성 흡착 특성 (3)에 영향을 미친다. 분자량이 마흔에 이르기까지와 S-층 단백질kDa의 수백 개의 셀 내에서 발생되지만, 외부의 조립에 그들은 지질 또는 폴리머 막 세포벽 성분에 층을 형성 할 수있게한다. 고립되면, 거의 모든 S 계층 단백질이 자발적으로 인터페이스에서, 또는 평면 또는 튜브와 같은 구조 (3)을 형성하는 표면에, 정지에 자기 조립 고유 속성이 있습니다. 단백질 단일 층의 두께는, 세균에 따라, 5의 범위 내에 - 25 내지 24. 일반적으로, S-층 형성 단백질 구조는 35 내지 3,24에 경사 (P1 또는 P2), 정사각형 (P4), 또는 육방 정 (P3 또는 P6) 2.5의 격자 상수와 대칭을 가질 수있다. 격자 형성은 이가 양이온에 의존하고, 주로 칼슘 25, 26, 라프, J. 등의 많은 경우에 보인다. S-층 단백질을 기반으로 설계된 나노 구조의 산업용 애플리케이션에 기반 나노 복합체. (EDS Tijana (Z) 그 로브 및 Aitziber L. Cortajarena) (스프링, 2016 (제출)). 그럼에도 불구하고, 특히 칼슘 및 마그네슘 2+와 같은 이가 양이온 단량체 폴딩, 단량체 단량체의 상호 작용, 격자의 형성, 및 다른 금속의 역할의 전체 반응 캐스케이드는 아직 완전히 이해되지 않는다. 그람 양성 균주 L. 27 (새로운 계통 분류 후 바실러스 스패 리 쿠스에서 이름) 스패 리 쿠스 JG-B53는 우라늄 광산 폐기물 더미 &quot;Haberland&quot;(Johanngeorgenstadt, 작센, 독일) 4,28,29에서 분리 하였다. 기능적 S 층 단백질 (Slp1)가 정사각형 격자 116 30 kDa의 분자량, 및 박테리아 세포를 살아있는 31 ≈에 10 nm의 두께를 갖는다. 이전 연구에서, 약 10 nm의 두께를 가진 닫힌 안정된 단백질 층의 형성은 시험 관내에서 10 미만 19 분에서 달성되었다. 관련 균주 L. 스패 리 쿠스 JG-A12은, 또한 &quot;Haberland&quot;더미로부터 분리가 높은 금속 결합 능력을 보유하고 그 격리 S 층 단백질은 금과 같은 귀금속에 대한 높은 화학적, 기계적 안정성 및 우수한 수착 속도를 보여 주었다 (III), 백금 (II), 및 Pd (II) 4,32,33를. 귀금속의 결합이 어느 정도 특정 금속의 일부이고, 중합체의 외측 및 내측 표면에 단백질 및 기공의 관능기, 이온 강도의 가용성 및 pH 값에 의존한다. , OH-, PO 4 - -, SO 4 -, 및 SO-단백질에 의해 금속의 상호 작용을위한 관련 기능 그룹은 COOH-, NH 2이다. 원칙적으로, 금속 결합 용량은 응용 프로그램, 라프, 제이 등의 다양한 스펙트럼을 엽니 다. S-층 단백질을 기반으로 설계된 나노 구조의 산업용 애플리케이션에 기반 나노 복합체. (EDS Tijana (Z) 그 로브 및 Aitziber L. Cortajarena) (스프링 2016 (제출)). 예를 들어, 같은 제거 또는 복구를위한 biosorptive 구성 요소용해 독성 또는 유가 금속의 합성 또는 정기적으로 구조화 된 금속 나노 입자 NPS () 촉매를 들어, 바이오 감각 층 3,5,18,33 같은 다른 생물 공학 물질의 정의 증착을위한 템플릿. 금 등을 규칙적으로 배열 NP 어레이 (0) -NPs는 CO 산화 34-37위한 분자 전자 및 바이오 센서, 초 고밀도 저장 장치 등이 있으며, 촉매에서부터 주요 애플리케이션에 사용될 수있다. 이러한 응용 프로그램 및 이들 재료의 세련된 디자인의 개발은 기본 금속 바인딩 메커니즘의 깊은 이해를 필요로한다. 이러한 바이오 기초 물질의 개발을위한 전제 조건은 상기 생체 분자와 기술 (38, 39) 표면 사이의 계면 층의 신뢰성 구현이다. 예를 들어, 고분자 전해질 층은 S-39 단백질의 재결정 계면 층으로 사용 된 층별 (LBL) 기술 40,41 조립 </&gt; SUP. 이러한 인터페이스는 재현성 및 정량 방법으로 단백질 코팅을 수행하는 비교적 쉬운 방법을 제공한다. 접착 촉진제와 함께 수정없이 상이한 실험을 수행함으로써, 코팅 동력학, 층의 안정성 및 생 분자 19,42, 라프, J. 등의 금속과의 상호 작용에 관한 설명은 할 수있다. S-층 단백질을 기반으로 설계된 나노 구조의 산업용 애플리케이션에 기반 나노 복합체. (EDS Tijana (Z) 그 로브 및 Aitziber L. Cortajarena) (스프링 2016 (제출)). 그러나, 단백질 흡착 단백질과 표면의 복잡한 상호 작용 메커니즘은 완전히 이해되지 않는다. 특히, 형태, 패턴 방향 및 코팅 밀도에 대한 정보는 아직 행방 불명입니다. 분산 모니터링 (QCM-D) 기술로 수정 진동자 마이크로 밸런스는 단백질 흡착, 코팅 동력학 연구를위한 도구와 상호 작용 친로서 최근 주목 받고있다나노 미터 크기 19,43-45에 세 스. 이 기술은 실시간 질량 흡착 상세한 검출을 허용하고, 단백질에 격자 19,20,42,46-48 단백질 자기 조립 공정 및 기능성 분자의 결합을위한 지표로 사용될 수있다. 또한, QCM-D 측정은 천연 생물학적 조건 하에서 단백질 성 금속 층 상호 작용 과정을 연구 할 수있는 가능성을 연다. 최근의 한 연구에있어서, Eu와 같은 선택된 금속과 S 층 단백질의 상호 작용 (III), 금 (III), 팔라듐 (II), 및 Pt가 (II) QCM-D (19, 20)과 함께 연구되어왔다. 흡착 된 단백질 층은 그람 양성 박테리아의 세포벽의 단순화 된 모델이 될 수있다. 이 단일 성분의 연구는 금속의 상호 작용에 대한 깊은 이해에 기여할 수있다. 그러나 전적으로 QCM-D 실험은 표면 구조와 단백질에 금속의 영향에 관한 진술을 허용하지 않습니다. 다른 기술들이 이러한 정보를 얻기 위해 필요하다. 하나의 POS구조적 특성에 촬상을위한 바이오 나노 대한 접근성 및 취득 정보는 원자력 현미경 (AFM)이다. 제시된 연구의 목적은 L.의 특정 Slp1에서 ((0) -NPs을 금 (III) 및 금) S-층 단백질에 금의 흡착을 조사했다 스패 리 쿠스 JG-B53. ICP-MS를 사용하여 5.0 QCM-D를 사용하여 고정화 S-레이어 - 실험은 2.0의 pH 범위에서 배치 규모에 현탁 단백질로 이루어졌다. 또한, 격자의 안정성에 금속염 용액의 영향이 후속 AFM 연구하여 조사 하였다. 이러한 기술들의 조합은 특정 금속 친화 관한 전체 박테리아 세포에 대한 이벤트를 바인딩에 대해 더 학습하기위한 도구로서 시험관 금속 상호 작용 과정의 이해에 기여한다. 이 기술뿐만 아니라 환경 보호를위한 금속의 회수를위한 적용 가능한 필터 재료의 개발 및 재의 보존을위한 중요(49)뿐만 아니라, 다양한 애플리케이션을위한 고도의 기술 순서 금속 NP에 어레이의 개발을위한 소스.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;equiment and software&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bioreactor, Steam In Place 70L Pilot System</td><td>Applikon Biotechnology, Netherlands</td><td>Z6X</td><td>Including dO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, pH sensors of Applikon Biotechnology and BioXpert software V2</td></tr><tr><td>Noninvasive Biomass Monitor BugEye 2100</td><td>BugLab, Concord (CA), USA</td><td>Z9X</td><td>---</td></tr><tr><td>Spectrometer Ultrospec 1000</td><td>Amersham Pharmacia Biotech, Great Britain</td><td>80-2109-10</td><td>Company now GE Healthcare Life Sciences</td></tr><tr><td>MiniStar micro centrifuge</td><td>VWR, Germany</td><td>521-2844</td><td>For centrifugation of cultivation samples</td></tr><tr><td>Research system microscope BX-61</td><td>Olympus Germany LLC, Germany</td><td>037006</td><td>Microscope in combination with imaging software</td></tr><tr><td>Cell^P (version 3.1)</td><td>Olympus Soft Imaging Solutions LLC, M&amp;uuml;nster, Germany</td><td>---</td><td>together with microscope</td></tr><tr><td>Powerfuge Pilot Separation System Serie 9010-S</td><td>Carr Centritech, Florida, USA</td><td>9010PLT</td><td>For biomasse harvesting</td></tr><tr><td>T18 basic Ultra Turrax</td><td>IKA Labortechnik, Germany</td><td>431-2601</td><td>For flagella removal and sample homogenization</td></tr><tr><td>Sorvall Evolution RC Superspeed Centrifuge</td><td>Thermo Fisher Scientific, USA</td><td>728411</td><td>Used within protein isolation</td></tr><tr><td>Mobile high shear fluid processor, M-110EH-30 Pilot</td><td>Microfluidics, Massachusetts, USA</td><td>M110EH30K</td><td>Used for cell rupture</td></tr><tr><td>Alpha 1-4 LSC Freeze dryer</td><td>Martin Christ Freeze dryers LLC, Osterode, Germany</td><td>102041</td><td>---</td></tr><tr><td>UV-VIS spectrophotometry (NanoDrop 2000c)</td><td>Thermo Fisher Scientific, USA</td><td>91-ND-2000C-L</td><td>For determination of protein concentration</td></tr><tr><td>Mini-PROTEAN vertical electrophoresis chamber</td><td>Bio-Rad Laboratories GmbH, Munich, Germany</td><td>165-3322</td><td>For SDS-PAGE</td></tr><tr><td>VersaDoc Imaging System 3000</td><td>Bio-Rad Laboratories GmbH, Munich, Germany</td><td>1708030</td><td>Used for imaging of SDS-PAGE gels</td></tr><tr><td>ICP-MS Elan 9000</td><td>PerkinElmer, Waltham (MA), USA</td><td>N8120536</td><td>For determination of metal concentration</td></tr><tr><td>Zetasizer Nano ZS</td><td>Malvern Instruments, Worcestershire United Kingdom</td><td>ZEN3600</td><td>For determination of nanoparticle size</td></tr><tr><td>Q-Sense E4 device&amp;nbsp;</td><td>Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden</td><td>QS-E4</td><td>ordered via LOT quantum design (software included with E4 platform)</td></tr><tr><td>Q-Soft 401 (data recording)</td><td>Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Q-Tools 3 (data evaluation and modelling)</td><td>Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden</td><td></td><td></td></tr><tr><td>QCM-D flow modules QFM&amp;nbsp;401&amp;nbsp;</td><td>Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden</td><td>QS-QFM401</td><td>ordered via LOT quantum design</td></tr><tr><td>QSX&amp;nbsp;303 SiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; piezoelectric AT-cut quartz sensors</td><td>Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden</td><td>QS-QSX303</td><td>ordered via LOT quantum design</td></tr><tr><td>Ozone cleaning chamber</td><td>Bioforce Nanoscience, Ames (IA), USA</td><td>QS-ESA006</td><td>ordered via LOT quantum design</td></tr><tr><td>Atomic Force Microscope MFP-3D Bio AFM</td><td>Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA</td><td>MFP-3DBio</td><td>AFM measurements and imaging software</td></tr><tr><td>Asylum Research AFM Software AR Version 120804+1223</td><td>Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA</td><td>---</td><td>imaging software included in Cat. No. MFP-3DBio</td></tr><tr><td>Igor Version Pro 6.3.2.3 Software</td><td>WaveMetrics, Inc., USA</td><td>---</td><td>imaging software included in Cat. No. MFP-3DBio</td></tr><tr><td>BioHeater</td><td>Asylum Research, Santa Barbara (CA), USA</td><td>Bioheater</td><td>Sample heater for AFM measurements</td></tr><tr><td>Biolever mini cantilever,&amp;nbsp; BL-AC40TS-C2</td><td>Olympus Germany LLC, Germany</td><td>&amp;nbsp;BL-AC40TS-C2</td><td>Prefered cantilever for AFM measurements</td></tr><tr><td>WSxM 5.0 Develop 6.5 (2013)</td><td>Nanotec Electronica S.L. , Spain</td><td>freeware</td><td>Software for AFM analysis</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Name&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Company&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Catalog Number&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;Comments&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Detergents and other equiment&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>acidic acid, 100 %, p.A.</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>3738.5</td><td>Danger, flammable and corrosive liquid and vapour. Causes severe skin burns and eye damage.</td></tr><tr><td>Antifoam 204</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>A6426</td><td>For foam suppression</td></tr><tr><td>bromophenol blue, sodium salt</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>B5525</td><td>---</td></tr><tr><td>Coomassie Brilliant Blue R (C&lt;sub&gt;45&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;44&lt;/sub&gt;N&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;NaO&lt;sub&gt;7&lt;/sub&gt;S&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>3862.1</td><td>---</td></tr><tr><td>Deoxyribonuclease II from porcine spleen</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>D4138</td><td>Typ IV , 2,000 - 6,000&amp;nbsp;Kunitz units/mg protein</td></tr><tr><td>Ethanol, 95%</td><td>VWR, Germany</td><td>20827.467</td><td>Danger, flammable</td></tr><tr><td>glycerine, p.A.</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>3783.1</td><td>---</td></tr><tr><td>Guanidine hydrochloride (GuHCl)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>0037.1</td><td>---</td></tr><tr><td>Hellmanex III</td><td>Hellma GmbH &amp;amp; Co. KG</td><td>9-307-011-4-507</td><td>---</td></tr><tr><td>Hydrochloric acid (HCl) (37%)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>4625.2</td><td>Danger; Corrosive, used for pH adjustment</td></tr><tr><td>Lysozyme from chicken egg white</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>L6876&amp;nbsp;</td><td>Lyophilized powder, protein = 90 %, = 40,000 units/mg protein (Sigma)&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Magnetic stirrer with heating,&amp;nbsp; MR 3000K</td><td>Heidolph Instruments GmbH &amp;amp; Co.KG, Germany</td><td>504.10100.00</td><td>Standard stirrer within experiment</td></tr><tr><td>NB-Media DM180</td><td>Mast Diagnostica GmbH</td><td>121800</td><td>---</td></tr><tr><td>Nitric acid (HNO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>HN50.1</td><td>Danger; Oxidizing, Corrosing</td></tr><tr><td>PageRuler Unstained Protein Ladder</td><td>ThermoScientific-Pierce</td><td>26614</td><td>---</td></tr><tr><td>Poly(sodium 4-styrenesulfonat) (PSS)</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>243051</td><td>Average Mw ~70,000</td></tr><tr><td>Polyethylenimine (PEI), branched</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>408727</td><td>Warning; Harmful, Irritant, Dangerous for the environment; average Mw ~25,000</td></tr><tr><td>Potassium carbonate anhydrous (K&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;CO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>60108</td><td>Warning; Harmful</td></tr><tr><td>Ribonuclease A from bovine pancreas&amp;nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>R5503</td><td>Type I-AS, 50 - 100 Kunitz units/mg protein&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Sodium azide (NaN&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)</td><td>Merck KGaA</td><td>106688</td><td>Danger; very toxic and Dangerous for the environment</td></tr><tr><td>Sodium chloride (NaCl)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>3957.2</td><td>---</td></tr><tr><td>Sodium dodecyl sulfate (SDS)</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>L-5750</td><td>Danger; toxic</td></tr><tr><td>Sodium hydroxide (NaOH)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>6771.1</td><td>Danger; Corrosive, used for pH regulation within cultivation and pH adjustment</td></tr><tr><td>Spectra/Por 6, Dialysis membrane, MWCO 50,000&amp;nbsp;</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>1893.1</td><td>---</td></tr><tr><td>Sulfuric acid (H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;SO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>HN52.2</td><td>Danger; Corrosive, used for pH regulation within cultivation</td></tr><tr><td>Tannic acid (C&lt;sub&gt;76&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;52&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;46&lt;/sub&gt;)</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>16201</td><td>---</td></tr><tr><td>TRIS HCl (C&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;11&lt;/sub&gt;NO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;HCl)</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>9090.2</td><td>---</td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>CARL ROTH GmbH+CO.KG</td><td>3051.3</td><td>Warning; Harmful, Dangerous for the environment</td></tr><tr><td>VIVASPIN 500, 50,000 MWCO Ultrafiltration tubes</td><td>Sartorius AG</td><td>VS0132</td><td>---</td></tr><tr><td>&amp;beta;-mercaptoethanol</td><td>Sigma-Aldrich Co. LLC.</td><td>M6250</td><td>Danger, toxic</td></tr></tbody></table>

au-interaction of slp1 polymers and monolayer from lysinibacillus sphaericus jg-b53 - qcm-d, icp-ms and afm as tools for biomolecule-metal studies

In this publication the gold sorption behavior of surface layer (S-layer) proteins (Slp1) of Lysinibacillus sphaericus JG-B53 is described. These biomolecules arrange in paracrystalline two-dimensional arrays on surfaces, bind metals, and are thus interesting for several biotechnical applications, such as biosorptive materials for the removal or recovery of different elements from the environment and industrial processes. The deposition of Au(0) nanoparticles on S-layers, either by S-layer directed synthesis 1 or adsorption of nanoparticles, opens new possibilities for diverse sensory applications. Although numerous studies have described the biosorptive properties of S-layers 2-5, a deeper understanding of protein-protein and protein-metal interaction still remains challenging. In the following study, inductively coupled mass spectrometry (ICP-MS) was used for the detection of metal sorption by suspended S-layers. This was correlated to measurements of quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), which allows the online detection of proteinaceous monolayer formation and metal deposition, and thus, a more detailed understanding on metal binding.
The ICP-MS results indicated that the binding of Au(III) to the suspended S-layer polymers is pH dependent. The maximum binding of Au(III) was obtained at pH 4.0. The QCM-D investigations enabled the detection of Au(III) sorption as well as the deposition of Au(0)-NPs in real-time during the in situ experiments. Further, this method allowed studying the influence of metal binding on the protein lattice stability of Slp1. Structural properties and protein layer stability could be visualized directly after QCM-D experiment using atomic force microscopy (AFM). In conclusion, the combination of these different methods provides a deeper understanding of metal binding by bacterial S-layer proteins in suspension or as monolayers on either bacterial cells or recrystallized surfaces.

미생물과 Slp1 특성의 재배 박테리아의 성장의 기록 데이터는 약 5 시간의 지수 성장기의 끝을 나타낸다. 이전 조사는 Slp1 수확의이 점 (4.36 G / L 젖은 바이오 매스 (≈ 1.45 그램 / 리터 (BDW)) 최대 수율 (19)와 분리 될 수 있음을 보여 주었다. 그럼에도 불구하고, 정의 된 미디어 구성 요소 또는를 사용하여 재배...

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Au-Interaction of Slp1 Polymers and Monolayer from Lysinibacillus sphaericus JG-B53 - QCM-D, ICP-MS and AFM as Tools for Biomolecule-metal Studies

To obtain basic information on the sorption and recycling of gold from aqueous systems the interaction of Au(III) and Au(0) nanoparticles on S-layer proteins were investigated. The sorption of protein polymers was investigated by ICP-MS and that of proteinaceous monolayers by QCM-D. Subsequent AFM enables the imaging of the nanostructures.

Slp1 중합체 및 단층의 AU-상호 작용<em&gt; Lysinibacillus 스패 리 쿠스</em&gt; JG-B53 - QCM-D, 생체 분자 - 금속 연구 도구로서 ICP-MS와 AFM

In this publication the gold sorption behavior of surface layer (S-layer) proteins (Slp1) of Lysinibacillus sphaericus JG-B53 is described. These ...

au-interaction-slp1-polymers-monolayer-from-lysinibacillus-sphaericus

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Chemistry

Au-Interaction of Slp1 Polymers and Monolayer from Lysinibacillus sphaericus JG-B53 - QCM-D, ICP-MS and AFM as Tools for Biomolecule-metal Studies

11.3K 조회수.  Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. To obtain basic information on the sorption and recycling of gold from aqueous systems the interaction of Au(III) and Au(0) nanoparticles on S-layer proteins were investigated. The sorption of protein polymers was investigated by ICP-MS and that of proteinaceous monolayers by QCM-D. Subsequent AFM enables the imaging of the nanostructures.

비디오: Au-Interaction of Slp1 Polymers and Monolayer from Lysinibacillus sphaericus JG-B53 - QCM-D, ICP-MS and AFM as Tools for Biomolecule-metal Studies

In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of materials that are inaccessible using conventional synthesis techniques. Coupling soft landing with in situ characterization using secondary ion mass spectrometry (SIMS) and infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS) enables analysis of well-defined surfaces under clean vacuum conditions. The capabilities of three soft-landing instruments constructed in our laboratory are illustrated for the representative system of surface-bound organometallics prepared by soft landing of mass-selected ruthenium tris(bipyridine) dications, [Ru(bpy)3]2+ (bpy = bipyridine), onto carboxylic acid terminated self-assembled monolayer surfaces on gold (COOH-SAMs). In situ time-of-flight (TOF)-SIMS provides insight into the reactivity of the soft-landed ions. In addition, the kinetics of charge reduction, neutralization and desorption occurring on the COOH-SAM both during and after ion soft landing are studied using in situ Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR)-SIMS measurements. In situ IRRAS experiments provide insight into how the structure of organic ligands surrounding metal centers is perturbed through immobilization of organometallic ions on COOH-SAM surfaces by soft landing. Collectively, the three instruments provide complementary information about the chemical composition, reactivity and structure of well-defined species supported on surfaces.

In Situ SIMS and IR Spectroscopy of Well-defined Surfaces Prepared by Soft Landing of Mass-selected Ions

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of novel materials. Coupled with analysis by in situ secondary ion mass spectrometry (SIMS) and infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS), soft landing provides unprecedented insights into the interactions of well-defined species with surfaces.

대량 선택 이온 소프트 랜딩에 의해 준비 잘 정의 된 표면의 제자리 SIMS 및 IR 분광법

Soft landing of mass-selected ions onto surfaces is a powerful approach for the highly-controlled preparation of materials that are inaccessible using ...

연구

화학

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

원자 힘 분광학에 의해 단일 ​​분자 접착 조사

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

공학

Analyzing Dynamic Protein Complexes Assembled On and Released From Biolayer Interferometry Biosensor Using Mass Spectrometry and Electron Microscopy

In vivo, proteins are often part of large macromolecular complexes where binding specificity and dynamics ultimately dictate functional outputs. In this work, the pre-endosomal anthrax toxin is assembled and transitioned into the endosomal complex. First, the N-terminal domain of a cysteine mutant lethal factor (LFN) is attached to a biolayer interferometry (BLI) biosensor through disulfide coupling in an optimal orientation, allowing protective antigen (PA) prepore to bind (Kd 1 nM). The optimally oriented LFN-PAprepore complex then binds to soluble capillary morphogenic gene-2 (CMG2) cell surface receptor (Kd 170 pM), resulting in a representative anthrax pre-endosomal complex, stable at pH 7.5. This assembled complex is then subjected to acidification (pH 5.0) representative of the late endosome environment to transition the PAprepore into the membrane inserted pore state. This PApore state results in a weakened binding between the CMG2 receptor and the LFN-PApore and a substantial dissociation of CMG2 from the transition pore. The thio-attachment of LFN to the biosensor surface is easily reversed by dithiothreitol. Reduction on the BLI biosensor surface releases the LFN-PAprepore-CMG2 ternary complex or the acid transitioned LFN-PApore complexes into microliter volumes. Released complexes are then visualized and identified using electron microscopy and mass spectrometry. These experiments demonstrate how to monitor the kinetic assembly/disassembly of specific protein complexes using label-free BLI methodologies and evaluate the structure and identity of these BLI assembled complexes by electron microscopy and mass spectrometry, respectively, using easy-to-replicate sequential procedures.

Here we present a protocol to monitor the assembly and disassembly of the anthrax toxin using biolayer interferometry (BLI). Following assembly/disassembly on the biosensor surface, the large protein complexes are released from the surface for visualization and identification of components of the complexes using electron microscopy and mass spectrometry, respectively.

동적 단백질 복합물 분석에 조립 하 고 질량 분석 및 전자 현미경을 사용 하 여 Biolayer 간섭계 바이오 센서에서 발표

In vivo, proteins are often part of large macromolecular complexes where binding specificity and dynamics ultimately dictate functional outputs. In this ...

생화학

Dissipative Microgravimetry to Study the Binding Dynamics of the Phospholipid Binding Protein Annexin A2 to Solid-supported Lipid Bilayers Using a Quartz Resonator

The dissipative quartz crystal microbalance technique is a simple and label-free approach to measure simultaneously the mass uptake and viscoelastic properties of the absorbed/immobilized mass on sensor surfaces, allowing the measurements of the interaction of proteins with solid-supported surfaces, such as lipid bilayers, in real-time and with a high sensitivity. Annexins are a highly conserved group of phospholipid-binding proteins that interact reversibly with the negatively charged headgroups via the coordination of calcium ions. Here, we describe a protocol that was employed to quantitatively analyze the binding of annexin A2 (AnxA2) to planar lipid bilayers prepared on the surface of a quartz sensor. This protocol is optimized to obtain robust and reproducible data and includes a detailed step-by-step description. The method can be applied to other membrane-binding proteins and bilayer compositions.

Here, we present an experimental protocol that can be employed to determine the binding affinities and mode of interaction of label-free phospholipid-binding protein annexin A2 with immobilized solid-supported bilayers (SLB) by simultaneously measuring the mass uptake and the viscoelastic properties of the protein annexin A2.

인지질 단백질 Annexin a 2 석 영 공명 기를 사용 하 여 지원 되는 고체 지질 Bilayers에 바인딩의 바인딩 역학 공부 되는 낭비 적인 Microgravimetry

The dissipative quartz crystal microbalance technique is a simple and label-free approach to measure simultaneously the mass uptake and viscoelastic ...

Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy

The interactions between proteins or peptides and inorganic materials lead to several interesting processes. For example, combining proteins with minerals leads to the formation of composite materials with unique properties. In addition, the undesirable process of biofouling is initiated by the adsorption of biomolecules, mainly proteins, on surfaces. This organic layer is an adhesion layer for bacteria and allows them to interact with the surface. Understanding the fundamental forces that govern the interactions at the organic-inorganic interface is therefore important for many areas of research and could lead to the design of new materials for optical, mechanical and biomedical applications. This paper demonstrates a single-molecule force spectroscopy technique that utilizes an AFM to measure the adhesion force between either peptides or amino acids and well-defined inorganic surfaces. This technique involves a protocol for attaching the biomolecule to the AFM tip through a covalent flexible linker and single-molecule force spectroscopy measurements by atomic force microscope. In addition, an analysis of these measurements is included.

Here we present a protocol to measure the force of interactions between a well-defined inorganic surface and either peptides or amino acids by single-molecule force spectroscopy measurements using an atomic force microscope (AFM). The information obtained from the measurement is important to better understand the peptide-inorganic material interphase.

단일 분자 힘 분광학을 사용하여 무기 재료와 아미노산 및 펩타이드의 상호 작용에 대한 통찰력

The interactions between proteins or peptides and inorganic materials lead to several interesting processes. For example, combining proteins with minerals ...

OaAEP1-Mediated Enzymatic Synthesis and Immobilization of Polymerized Protein for Single-Molecule Force Spectroscopy

Chemical and bio-conjugation techniques have been developed rapidly in recent years and allow the building of protein polymers. However, a controlled protein polymerization process is always a challenge. Here, we have developed an enzymatic methodology for constructing polymerized protein step by step in a rationally-controlled sequence. In this method, the C-terminus of a protein monomer is NGL for protein conjugation using OaAEP1 (Oldenlandia affinis asparaginyl endopeptidases) 1) while the N-terminus was a cleavable TEV (tobacco etch virus) cleavage site plus an L (ENLYFQ/GL) for temporary N-terminal protecting. Consequently, OaAEP1 was able to add only one protein monomer at a time, and then the TEV protease cleaved the N-terminus between Q and G to expose the NH2-Gly-Leu. Then the unit is ready for next OaAEP1 ligation. The engineered polyprotein is examined by unfolding individual protein domain using atomic force microscopy-based single-molecule force spectroscopy (AFM-SMFS). Therefore, this study provides a useful strategy for polyprotein engineering and immobilization.

Here, we present a protocol to conjugate protein monomer by enzymes forming protein polymer with a controlled sequence and immobilize it on the surface for single-molecule force spectroscopy studies.

단일 분자 힘 분광학을 위한 OaAEP1 중재된 효소 합성 및 중합단백질의 고정화

Chemical and bio-conjugation techniques have been developed rapidly in recent years and allow the building of protein polymers. However, a controlled ...

Atomic Force Microscopy Imaging and Force Spectroscopy of Supported Lipid Bilayers

Atomic force microscopy (AFM) is a versatile, high-resolution imaging technique that allows visualization of biological membranes. It has sufficient magnification to examine membrane substructures and even individual molecules. AFM can act as a force probe to measure interactions and mechanical properties of membranes. Supported lipid bilayers are conventionally used as membrane models in AFM studies. In this protocol, we demonstrate how to prepare supported bilayers and characterize their structure and mechanical properties using AFM. These include bilayer thickness and breakthrough force. 
The information provided by AFM imaging and force spectroscopy help define mechanical and chemical properties of membranes. These properties play an important role in cellular processes such as maintaining cell hemostasis from environmental stress, bringing membrane proteins together, and stabilizing protein complexes.

We describe a protocol for preparation of supported lipid bilayers and its characterization using atomic force microscopy and force spectroscopy.

원자 힘 현미경 이미징 및 지원 지질 이중층의 힘 분광학

Atomic force microscopy (AFM) is a versatile, high-resolution imaging technique that allows visualization of biological membranes. It has sufficient ...

생체공학

Single Molecule Fluorescence Microscopy on Planar Supported Bilayers

In the course of a single decade single molecule microscopy has changed from being a secluded domain shared merely by physicists with a strong background in optics and laser physics to a discipline that is now enjoying vivid attention by life-scientists of all venues 1. This is because single molecule imaging has the unique potential to reveal protein behavior in situ in living cells and uncover cellular organization with unprecedented resolution below the diffraction limit of visible light 2. Glass-supported planar lipid bilayers (SLBs) are a powerful tool to bring cells otherwise growing in suspension in close enough proximity to the glass slide so that they can be readily imaged in noise-reduced Total Internal Reflection illumination mode 3,4. They are very useful to study the protein dynamics in plasma membrane-associated events as diverse as cell-cell contact formation, endocytosis, exocytosis and immune recognition. Simple procedures are presented how to generate highly mobile protein-functionalized SLBs in a reproducible manner, how to determine protein mobility within and how to measure protein densities with the use of single molecule detection. It is shown how to construct a cost-efficient single molecule microscopy system with TIRF illumination capabilities and how to operate it in the experiment.

Preparation of protein-functionalized planar glass-supported lipid bilayers, determination of protein mobility within and measurement of protein densities is shown here. A roadmap to building a noise-reduced Total Internal Reflection microscope is outlined, which allows visualizing single bilayer-resident fluorochromes with high spatiotemporal resolution.

평면에 단일 분자 형광 현미경은 이중층 지원

In the course of a single decade single molecule microscopy has changed from being a secluded domain shared merely by physicists with a strong background ...

Covalent Attachment of Single Molecules for AFM-based Force Spectroscopy

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and surfaces. For a true single molecule experiment, covalent attachment of the probe molecule is essential because only then can hundreds of force-extension traces with one and the same single molecule be obtained. Many traces are in turn necessary to prove that a single molecule alone is probed. Additionally, passivation is crucial for preventing unwanted interactions between the single probe molecule and the AFM cantilever tip as well as between the AFM cantilever tip and the underlying surface. The functionalization protocol presented here is reliable and can easily be applied to a variety of polymers. Characteristic single molecule events (i.e., stretches and plateaus) are detected in the force-extension traces. From these events, physical parameters such as stretching force, desorption force and desorption length can be obtained. This is particularly important for the precise investigation of stimuli-responsive systems at the single molecule level. As exemplary systems poly(ethylene glycol) (PEG), poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAM) and polystyrene (PS) are stretched and desorbed from SiOx (for PEG and PNiPAM) and from hydrophobic self-assembled monolayer surfaces (for PS) in aqueous environment.

Covalent attachment of probe molecules to atomic force microscopy (AFM) cantilever tips is an essential technique for the investigation of their physical properties. This allows us to determine the stretching force, desorption force and length of polymers via AFM-based single molecule force spectroscopy with high reproducibility.

AFM 기반 힘 분광학을 위한 단일 분자의 공유 부착

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and ...

Ligand Nano-cluster Arrays in a Supported Lipid Bilayer

Currently there is considerable interest in creating ordered arrays of adhesive protein islands in a sea of passivated surface for cell biological studies. In the past years, it has become increasingly clear that living cells respond, not only to the biochemical nature of the molecules presented to them but also to the way these molecules are presented. Creating protein micro-patterns is therefore now standard in many biology laboratories; nano-patterns are also more accessible. However, in the context of cell-cell interactions, there is a need to pattern not only proteins but also lipid bilayers. Such dual proteo-lipidic patterning has so far not been easily accessible. We offer a facile technique to create protein nano-dots supported on glass and propose a method to backfill the inter-dot space with a supported lipid bilayer (SLB). From photo-bleaching of tracer fluorescent lipids included in the SLB, we demonstrate that the bilayer exhibits considerable in-plane fluidity. Functionalizing the protein dots with fluorescent groups allows us to image them and to show that they are ordered in a regular hexagonal lattice. The typical dot size is about 800 nm and the spacing demonstrated here is 2 microns. These substrates are expected to serve as useful platforms for cell adhesion, migration and mechano-sensing studies.

We present a protocol to functionalize glass with nanometric protein patches surrounded by a fluid lipid bilayer. These substrates are compatible with advanced optical microscopy and are expected to serve as platform for cell adhesion and migration studies.

Slp1 중합체 및 단층의 AU-상호 작용

요약

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대량 선택 이온 소프트 랜딩에 의해 준비 잘 정의 된 표면의 제자리 SIMS 및 IR 분광법

원자 힘 분광학에 의해 단일 분자 접착 조사

동적 단백질 복합물 분석에 조립 하 고 질량 분석 및 전자 현미경을 사용 하 여 Biolayer 간섭계 바이오 센서에서 발표

인지질 단백질 Annexin a 2 석 영 공명 기를 사용 하 여 지원 되는 고체 지질 Bilayers에 바인딩의 바인딩 역학 공부 되는 낭비 적인 Microgravimetry

단일 분자 힘 분광학을 사용하여 무기 재료와 아미노산 및 펩타이드의 상호 작용에 대한 통찰력

단일 분자 힘 분광학을 위한 OaAEP1 중재된 효소 합성 및 중합단백질의 고정화

원자 힘 현미경 이미징 및 지원 지질 이중층의 힘 분광학

평면에 단일 분자 형광 현미경은 이중층 지원

AFM 기반 힘 분광학을 위한 단일 분자의 공유 부착

지원되는 지질 이중층에 리간드 나노 클러스터의 배열

Slp1 중합체 및 단층의 AU-상호 작용

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