单分子证据多巴的适应性绑定到不同的湿表面外文翻译资料

 2022-12-23 14:40:49

Single Molecule Evidence for the Adaptive Binding of DOPA to Different Wet Surfaces

Yiran Li,dagger; Meng Qin,dagger; Ying Li,Dagger; Yi Cao,*,dagger; and Wei Wang*,dagger;

dagger;National Laboratory of Solid State Microstructure, Department of Physics, Nanjing University, 22 Hankou Road, Nanjing, Jiangsu, China 210093 Dagger;Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring amp; Pollution Control, Chemistry Department, School of Environmental Science amp; Engineering, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing, Jiangsu, China 210044 *S Supporting Information

ABSTRACT: 3,4-Dihydroxyphenylalanine (DOPA) is the noncanonical amino acid widely found in mussel holdfast proteins, which is proposed to be responsible for their strong wet adhesion. This feature has also inspired the successful development of a range of DOPA containing synthetic polymers for wet adhesions and surface coating. Despite the increasing applications of DOPA in material science, the underlying mechanism of DOPAminus;wet surface interactions remains unclear. In this work, we studied DOPAminus;surface interactions one bond at a time using atomic force microscope (AFM) based single molecule force spectroscopy. With our recently developed “multiple fishhook” protocol, we were able to perform high-throughput quantification of the binding strength of DOPA to various types of surfaces for the first time. We found that the dissociation forces between DOPA and nine different types of organic and inorganic surfaces are all in the range of 60minus;90 pN at a pulling speed of 1000 nm sminus;1, suggesting the strong and versatile binding capability of DOPA to different types of surfaces. Moreover, by constructing the free energy landscape for the rupture events, we revealed several distinct binding modes between DOPA and different surfaces, which are directly related to the chemistry nature of the surfaces. These results explain the molecular origin of the versatile binding ability of DOPA. Moreover, we could quantitatively predict the relationship between DOPA contents and the binding strength based on the measured rupture kinetics. These serve as the bases for the quantitative prediction of the relationship between DOPA contents and adhesion strength to different wet surfaces, which is important for the design of novel DOPA based materials.

■ INTRODUCTION

A unique feature of marine mussels is their remarkable ability to stick to various wet surfaces.1minus;3 Mussel adhesion is associated with the holdfast proteins secreted in the byssal plaque. Most of these holdfast proteins contain significant amount of 3,4- dihydroxyphenylalanine (DOPA), which is proposed to be responsible for their wet adhesion. This feature has also inspired the successful development of a range of DOPAcontaining synthetic polymers for wet adhesions and surface coating techniques.4minus;17 In spite of increasing applications of DOPA in material science, the underlying mechanism of DOPAminus;wet surface interactions remains unclear. The origin of such strong adhesion has been attributed to DOPA-mediated bidentate hydrogen bonding, coordinate bonding with metal/ metal oxide, or covalent cross-linking.18minus;21 Since the chemical properties of organic and inorganic surfaces are quite distinct, do these proteins utilize different binding mechanism for such diverse types of surfaces? What is the corresponding binding strength? Answering these questions is not only fundamentally important for the understanding of the adhesion mechanism of mussel holdfast proteins but also practically valuable for the design of new generation medical adhesives and coating materials.

In order to address these questions, the interactions of mussel holdfast proteins with various wet surfaces have been extensively studied using surface force apparatus (SFA).17,20,22minus;27 Much information about the adhesion mechanism has been revealed. It was found that DOPA plays an important role in the wet adhesion. The adhesion strength is directly related to the DOPA contents and can be modulated through the protonation/deprotonation, redox, and metal chelation of the catechol group of DOPA. Although SFA can measure the macroscopic dissociation of two surfaces adhered by various mussel proteins, such measurement cannot clearly distinguish between cohesive and adhesive interactions. Moreover, these measurements utilize DOPA-containing proteins. The contribution from other amino acids of the proteins may complicate the interpretation of the DOPAminus;surface interactions. In contrast, atomic force spectroscopy (AFM) based single molecule force spectroscopy could allow the interactions between individual binding pairs being directly measured, from which the binding mechanisms can be inferred.1,28minus;31 Directly measuring the interactions between DOPA and various surfaces at the single molecule level will allow the contributions of DOPA in mussel holdfast proteins to be understood quantitatively. Moreover, such measurements are also helpful for tailoring the DOPA contents of synthetic DOPA-containing polymer for optimum surface adhesions. A few pioneering single molecule AFM studies on DOPAminus;surface interactions have been conducted.18,19 In these studies, DOPA was attached to the cantilever tip through a polymer linker or incorporated in a copolymer. Other amino acids were not included. However, due to the difficulties in performing single molecule force spectroscopy measurements, only titanium (or titanium dioxide) surface has been studies so far, and the results are not consistent probably due to different experimental conditions.18,19 A more systematic study is required to fully address the interaction mechanism between DOPA and various wet surfaces.

Herein, we applied our recently developed “multiplefishhook” approach32 to measure the interactions between DOPA and surfaces (Figure 1). In this approach, multiple DOPA molecules are attached on a single polymer chain, hyaluronan (HA). Therefore, stretching each

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单分子证据多巴的适应性绑定到不同的湿表面

摘要:3,4-Dihydroxyphenylalanine(多巴)是普遍存在于贻贝夹蛋白质中的氨基酸,负责提出其湿附着力强。这个特性也激发了一系列的成功发展多巴包含合成聚合物为湿粘连和表面涂层。尽管增加多巴在材料科学中的应用,多巴minus;湿表面相互作用的潜在机制仍不清楚。在这项工作中,我们研究了多巴minus;表面相互作用一次一键使用基于原子力显微镜(AFM)的单分子光谱。我们最近开发的“多个鱼钩”协议,我们能够执行高通量结合强度的量化多巴为第一次各种类型的表面。我们发现之间的分裂势力多巴和九种不同类型的有机和无机表面都在60minus;90 pN的范围在1000海里的速度sminus;1,表明多巴和多才多艺的绑定能力强的不同类型的表面。此外,通过构建的自由能景观破裂事件,我们发现几个不同的绑定模式之间多巴和不同的表面,这是直接关系到表面的化学性质。这些结果解释的分子起源的绑定多巴的能力。此外,我们可以定量地预测二羟基苯丙氨酸含量和结合强度之间的关系基于测量断裂动力学。这些作为基地的定量预测多巴内容和粘附强度之间的关系不同的湿表面,这是重要的设计新颖多巴的基础材料。

引言

海洋贻贝的一个独特的特征是他们的非凡能力坚持各种湿表面。贻贝粘附与其相关蛋白质分泌足丝斑块。大多数这些浩方蛋白质包含大量的3、4 -苯丙氨酸(二羟基苯丙氨酸),负责提出他们湿附着力。这一特性也激发了一系列的成功发展DOPA链接合成聚合物为湿粘连和表面涂层技术。尽管增加多巴在材料科学中的应用,多巴minus;湿表面相互作用的潜在机制仍不清楚。如此强劲的附着力的起源归因于DOPA介导双配位基的氢键,协调焊接用金属/金属氧化物,或共价交联。因为有机和无机表面的化学性质是截然不同的,做这些蛋白质利用不同的绑定机制等不同类型的表面?相应的粘结强度是什么?回答这些问题不仅是至关重要的粘附机理的理解贻贝浩方蛋白质也几乎有价值的设计新一代医疗粘合剂和涂料。

为了解决这些问题,贻贝夹蛋白质的相互作用与各种湿表面都已经被广泛地研究过了使用表面力仪(SFA)。多的信息关于粘附机制被发现。发现湿附着力多巴扮演重要的角色。粘附强度与多巴内容直接相关,可以调制通过质子化作用/去质子化,氧化还原,和金属螯合的儿茶酚群多巴。尽管SFA可以测量两个表面的宏观离解坚持通过各种贻贝蛋白,测量不能明确区分粘性和胶粘剂等交互。此外,这些测量利用DOPA-containing蛋白质。其他氨基酸的蛋白质的贡献可能复杂化的解释多巴minus;表面相互作用。相比之下,原子力基于光谱(AFM)的单分子光谱学可以让个人绑定之间的相互作用对直接测量,绑定机制可以推断。直接测量多巴和各种表面之间的相互作用在单分子水平将使多巴的贡献在贻贝浩方蛋白质定量地理解。此外,这些测量也有利于裁剪的多巴内容合成DOPA-containing聚合物最佳表面粘连。一些开创性的单分子AFM研究多巴minus;表面进行的交互。在这些研究中,多巴是通过聚合物附着在悬臂端连接器或纳入共聚物。其他氨基酸并不包括在内。然而,由于困难在执行单分子光谱测量,只有钛表面(或二氧化钛)到目前为止,研究结果是不一致的可能由于不同的实验条件。更系统的研究是需要完全解决多巴和各种湿表面之间的相互作用机理。

这里,我们应用我们最近开发的“多个鱼钩”的方法来测量多巴和表面之间的相互作用(图1)。在这种方法中,多个二羟基苯丙氨酸分子连接在单个高分子链上,透明质酸(HA)。因此,拉伸每个HA-DOPA分子可能导致许多断裂事件单多巴minus;表面交互债券,类似于广泛使用的多蛋白的方法。这种方法极大地提高了效率获得足够的高质量的单分子数据。此外,非特异性相互作用和多个解开事件可以很容易地排除在数据分析。通过这种方法,我们可以定量测量系统多巴和九个不同表面之间的相互作用。我们还执行pulling-speed-dependent实验推出的自由能景观分离不同类型的多巴minus;表面相互作用。在这些结果的基础上,我们发现多巴能形成几种不同类型的相互作用与各种类型的表面,这也解释了它的通用绑定在潮湿条件下的能力。此外,我们可以定量地预测二羟基苯丙氨酸含量之间的关系和结合强度不同的表面基于测量断裂动力学。我们发现绑定强度迅速增加在低多巴内容和达到一半的最大粘结强度一般在7minus;多巴的16%。结合强度的增加变得浅二羟基苯丙氨酸含量更高。不同的多巴贻贝足蛋白质允许定制他们的粘结强度与各种表面和不同环境条件下。这些结果代表了重要的概念设计的多巴包含合成胶粘剂。

实验部分

HA-DOPA的综合。准备HA-DOPA共轭,多巴胺是耦合的羧基EDC HA的耦合反应。首先,60.0毫克的公顷(1.4 MW:150 kDa;多分散性:弗雷达Biopharm,山东,中国)溶解在去离子水。然后46.5毫克的EDC(Sigma-Aldrich)添加到HA解决方案和搅拌0.5 h。接下来,27.3毫克的多巴胺被转移到EDC / HA HA解决方案共轭多巴胺。一夜之间进行的反应是在室温下磁力搅拌。共轭对超额Milli-Q被透析纯化水使用透析管50 kDa的分子量截止。最终产品是冻干,储存在minus;20°C单分子AFM实验。分子中儿茶酚的内容是由1 h NMR。

衬底的准备。基板都是第一次在水和乙醇超声清洗10分钟。然后无机基质通过治疗进一步清理UV-ozone清洁和去除杂质铬酸并生成羟基在衬底表面。接下来,几滴(sim;200minus;mu;L)HA-DOPA解决方案(0.2毫克mLminus;1)蔓延在每个使用移液管提示或spin-coater衬底。基质是存储在三羟甲基氨基甲烷缓冲液在4°C到使用。

AFM力光谱学实验。AFM力光谱学实验进行一个商业AFM(JPK Nanowizard II)。力minus;距离曲线记录由JPK商业软件,另外分析了程序Igor pro 6.0(Wavemetrics,Inc .)。每个力光谱学实验之前,衬底被Milli - Q广泛冲洗水清除浮动HA-DOPA聚合物。第二液体室填写了1.5毫升的缓冲区包含100毫米三羟甲基氨基甲烷·盐酸和50 mM氯化钠液pH值7.2。AFM实验允许系统平衡后30分钟。AFM与氮化硅氮化硅悬臂技巧(MLCT类型,从力量)被用于实验。弹簧常数的技巧,校准热波动的方法,是在0.037minus;0.057 N mminus;1。我们也使用金色涂布AFM悬臂(类型Biolever BLRC150VB,从奥林巴斯)和氮化硅与硅悬臂技巧(SNL类型,从力量)控制实验。AFM力测量都是在25plusmn;1°C

结果与讨论

“多个鱼钩”单分子拉实验。我们首先合成HA聚合物接枝有11%二羟基苯丙氨酸(多巴:羧基组公顷= 11%)力单分子光谱测量(图S1和实验部分)。首次转化为羧基组HA amine-reactive O-acylisourea EDC的中间体。然后,这些中间体与多巴胺反应生成最终HA-DOPA聚合物。二羟基苯丙氨酸的成功结合经1 hnmr(图S2)。二羟基苯丙氨酸在空气中容易被氧化,在每个AFM实验之前,HA-DOPA聚合物是减少使用抗坏血酸和多巴证实了紫外光谱(图S3)。

我们测量了破裂多巴minus;使用单分子AFM表面的相互作用。我们固定化HADOPA聚合物在各种表面prewetted三羟甲基氨基甲烷缓冲液(含50毫米100毫米,pH值7.2,氯化钠和抗坏血酸的1毫米)15minus;30分钟。在一个典型的实验中,悬臂被带到表面以一个恒定的速度1000海里sminus;1,表面上在恒定的力量2minus;3神经网络为1 s允许HA-DOPA分子物理吸收的悬臂小费。我们一直回升率低至sim;0.5%通过调整HA-DOPA表面上的数量。然后悬臂搬回以同样的速度打破多巴minus;表面相互作用。典型的实验场景中描述图S4。代表力量minus;扩展曲线从各种基板如图2所示,左面板。这些痕迹sawtooth-like形状与每个峰对应于破裂事件的个人多巴minus;表面相互作用。红线是蠕虫链(WLC)适合每个峰值。所有山峰在同一个跟踪可以安装使用一个固定的持久性sim;0.4 nm的长度,这是符合持久性HA在文献中报道的长度。32这证实,只有单一的HA分子捡起。如果多个HA-DOPA分子捡起在实验中,结果持续长度应该更小,这些数据可以很容易地拒绝。个体之间的空间峰值变化在广泛随机因为多巴嫁接公顷。此外,HA-DOPA采用无规卷曲构象在溶液表面的沉积。由于几何障碍,并非所有多巴组访问衬底表面。的基础上的典型峰距离30minus;50 nm singlemolecule痕迹和多巴的接枝密度,我们可以推断sim;1/5的多巴HA-DOPA分子坚持表面在我们的实验。进一步确认锯齿峰从破裂导致多巴minus;表面相互作用,我们进行了控制实验使用修改的哈,HA-tyramine,periodate-treated HADOPA。酪胺只包含一个酚组;因此,与钛表面的相互作用是弱于多巴。同样,氧化后的苯邻二酚组多巴邻醌,结合多巴钛表面是被禁止的。如果测量力峰值对应于非特异性多巴破裂minus;表面相互作用,我们不应该观察类似sawtooth-like模式使用HA-tyramine和periodate-treated HA-DOPA。实际上,在这些实验中,没有这样的sawtooth-like曲线观察(S5minus;S7数据)。在我们的实验设计,我们依赖非特异性粘连HA-DOPA悬臂端接HA-DOPA和破裂多巴minus;表面相互作用。重要的是要确保这样的非特异性吸附比单个DOPA-surface债券。事实上,哈之间的这种非特异性粘附力和悬臂提示可高达sim;300 pN,高于离解力量单一DOPA-surface债券(图S8)。我们已经测试了三种不同类型的悬臂尖端材料(氮化硅,硅,和黄金)。非特异性粘附力HA与悬臂技巧都高于破裂的力量多巴minus;表面债券(图S8)。在我们的实验设计中,多巴原则上也可以形成特定的债券与悬臂小费。然而,由于悬臂提示通常是非常锋利的齿顶圆角半径小于10纳米,这些多巴minus;提示债券是最小化。估计是否痕量多巴minus;提示互动会影响最终结果,我们测量了HA-DOPA破裂与黄金表面使用涂布悬臂端和破裂与硅表面使用硅悬臂HA-DOPA小费。这样的“对称”实验设计确保了破裂事件仅仅对应于多巴minus;黄金或多巴minus;硅交互。我们的实验结果表明,无显著差异数据测量使用氮化硅悬臂技巧和那些从这些“对称”实验(图S9)。此外,我们还使用不同类型的悬臂技巧(氮化、黄金涂层和硅)的破裂HA-DOPA钛表面。破裂部队独立于类型的悬臂提示(图S10)。为了进一步验证我们的方法,我们研究了多巴minus;钛表面交互使用传统的单分子光谱学方法,是一个二羟基苯丙氨酸分子在悬臂顶端的聚(乙二醇)(挂钩)链接器。18日,19日,41代表痕迹和断裂力直方图如图S11。很明显,这两个力直方图是重合的。因此,这种新方法可以提供准确的断裂力测量效率大大提高。

随后,我们分析了断裂力不同的表面。这可能会提供一个直接比较多巴的相互作用强度的不同类型的表面。断裂力的牵引速度直方图1000海里sminus;1如图2所示,正确的面板。根据不同的表面,破裂部队在200minus;pN的范围广泛的分布。硅表面断裂力是最高的,最低的是polytetrafluoroethene(聚四氟乙烯)。似乎破裂部队的金属/金属氧化物表面和其他无机表面非常相似,表明多巴是适应不同类型的表面的吸附。然而,如此强烈和自适应机制的绑定是有趣的。自由能景观不同的断裂多巴minus;表面债券。破译绑定机制,我们进一步研究了不同多巴的自由能景观潜在破裂minus;表面相互作用。因为多巴的破裂minus;表面成键是一个非平衡过程,断裂力取决于加载速率,r。42力加载速率越高,断裂力越大。只是比较断裂力的牵引速度不能产生每个交互强度的信息。到这个程度,我们测量了断裂力不同的表面在不同加载率仅仅通过调节牵引速度(图3)。使用广泛使用贝尔minus;埃文斯模型中,43岁的44我们量化自由能量势垒(Delta;G)解脱和过渡态的距离或断裂的距离

在气体常数R和阿伦尼乌斯前因子或频率因子。我们选择了一个106年代minus;1计算。破裂的动力学参数多巴和各种表面之间的相互作用进行了总结在表S1。有趣的是,尽管多巴的破裂部队用塑料表面明显低于那些与无机的1000海里的速度sminus;1,自由能量势垒几乎是相同的。较低的断裂部队主要是由于长途的过渡状态。值得一提的是,这里的断裂距离测量不是相关的键长,Delta;G也不是键的强度。键长之间的平均距离中心两个成键原子的原子核的一个分子。然而,距离是破裂长度保税状态和断裂过渡状态的区别。同样,Delta;G也不是键能的势垒高度破裂水溶液债券的力量。键能的热力学能量,这取决于之间的相对能量保税状态和分裂的状态。然而,Delta;G破裂的债券以武力动能,这取决于债券的自由能不同状态和过渡状态。这样一个屏障取决于反应通路。此外,Delta;G的绝对值在很大程度上是由阿伦尼乌斯前因子的值决定的,,被选为在106minus;109.45的范围,然而,46岁的相对规模Delta;G计算eq 2是独立的。

绑定机制多巴与各种表面。的基础上的自由能景观多巴离解和化学性质的不同类型的表面,我们可以推断出可能的绑定机制。许多不同种类的交互的破裂已被广泛的研究使用武力光谱学技术(图4)。31,47minus;59一般,共价键的断裂是最短的断裂的距离约为0.0007 nm但最高的自由能量势垒sim;50 kJ摩尔minus;1。静电相互作用的断裂显示一段时间断裂的距离sim;0.04 nm,表明势阱电荷minus;电荷相互作用也很陡峭。值得一提的是,文献数据为断裂距离minus;充电电荷的相互作用可能有点低估了。典型的电荷minus;电荷相互作用在水中不稳定,容易离解自发。这两个文献数据测量生物分子内部或从强烈的电荷转移复合物。协调债券的破裂显示更长时间断裂距离0.12sim;nm和类似的免费能量势垒。疏水相互作用显示距离更长的破裂而自由能与协调障碍是可比债券。自由能和断裂距离打破氢键的跨度范围广泛,这取决于氢键的化学环境。有大的疏水相互作用和氢键之间的重叠。然而,由于氢键的形成的标准非常严格,氢键只是局限于氢原子绑定到一个高电负性很高的原子,如氮、氧、氟。表面的化学性质的知识,我们应该能够明确区分它们。因此,这个情节为我们理解的本质提供了一个口径多巴minus;表面相互作用。

我们还阴谋多巴的自由能和断裂距离不同的表面如图4所示。显然,这些相互作用在共价键或静电相互作用。因此,我们认为,协调债券,氢键和疏水相互作用的三种可能的机制多巴

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