Makromoleküle in verschiedenen Phasen können auf natürlichen Systemen, Verbundmaterialien und Dünnschichtgeräten adsorbiert werden. In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche FortschritteYuma Morimitsu und ein Forschungsteam für angewandte Chemie und Polymergrenzflächen und molekulare Adhäsion verwendeten Rasterkraftmikroskopie (AFM), um gut definierte doppelsträngige DNAs zu visualisieren, und führten Molekulardynamiksimulationen durch, um die Adsorptionsmechanismen von Polymerketten an festen Oberflächen zu identifizieren.
Die Studienergebnisse können zur Entwicklung leichter und haltbarer Polymerverbundstoffe und -folien für eine Vielzahl von industriellen, biomedizinischen und Umweltanwendungen beitragen.
Das Adsorptionsverhalten fadenförmiger Moleküle
Homöostase des Lebens beinhaltet natürliche Systeme von Biomolekülen wie Proteine oder Nukleinsäuren, die an einer festen Grenzfläche adsorbieren können. Dies war ein interessantes Thema in den Bereichen Polymertechnik für die letzten Jahrzehnte. Beispielsweise hat die an eine feste Oberfläche angrenzende Polymerschicht eine andere Struktur als die Masse, wo ihre Aggregatzustände und thermische Molekularbewegung können sich im Vergleich zu denen im Volumen vollständig unterscheiden und sind daher entscheidend für die Leistung von Polymerverbundwerkstoffen und Dünnschichtgeräten.
Tauch- und Schleuderbeschichtungsverfahren sind klassische Beispiele für die Physisorption von Polymerketten aus einem Lösungssystem, um Makromoleküle auf einer Oberfläche zu adsorbieren. In dieser Arbeit betrachteten Morimitsu und Kollegen direkt drei doppelsträngige DNAs mit unterschiedlichen Längen via Rasterkraftmikroskopie (AFM), um Informationen über das Adsorptionsverhalten von fadenförmigen Molekülen aus einer Lösung an eine feste Oberfläche zu liefern.
Die anfängliche Adsorption von doppelsträngigen DNA-Ketten
Während der Studie beobachtete das Forschungsteam einzelne Moleküle direkt, um die Verlängerung von doppelsträngiger DNA (dsDNA) auf einem Festkörper zu verstehen. Dazu untersuchten sie die Kettendimension doppelsträngiger DNA-Ketten von einer Lösung auf einen Festkörper.
In diesem Fall waren die DNA-Ketten zwischen einer harten Wand und flüssigen Molekülen eingeschlossen, wobei eine Seite der Kette in Kontakt mit einem festen Substrat war, während die andere in Kontakt mit einer Lösung war. Die Ergebnisse unterstrichen das Potenzial von DNA-Ketten, auf Glimmer und anderen Substraten zu adsorbieren. Als nächstes beobachtete das Team die Mechanismen der kooperativen Adsorption, bei der sich die teilweise adsorbierten Ketten in einem Zwischenzustand befanden, während einige Segmente nach Adsorptionsstellen auf dem Festkörper suchten.
Bildung der Grenzschicht
Die Forscher untersuchten danach die Bildung einer Grenzflächenschicht auf einem Festkörper und erhielten Rasterkraftmikroskopie(AFM)-Bilder von Proben, nachdem sie doppelsträngige DNA-Lösungen in nickelhaltigen Puffern für unterschiedliche Zeiträume inkubiert hatten. Als sie die Inkubationszeit verlängerten, nahm die Menge an adsorbierten DNA-Ketten zu. Nach 10 bis 60 Minuten war das Glimmersubstrat mit DNA bedeckt, während viele Stränge aufgrund kooperativer Adsorption überlappten. Die Forscher stellten eine erhöhte Kettendichte bei etwa 120 bis 140 Minuten fest.
Das Team quantifizierte die auf Glimmer adsorbierte DNA-Menge, um die Oberflächenbedeckung und Adsorptionsanalyse von DNA als Funktion der Inkubationszeit darzustellen. Sie schätzten die an der Glimmeroberfläche adsorbierte und die in der Pufferlösung schwimmende DNA-Menge. Während der kooperativen Adhäsion wurde der Prozess der Adsorption von fadenförmigen Molekülen an festen Oberflächen schneller. Sie benutzten Grobkörnige Molekulardynamiksimulationen um die Hypothese der DNA-Kettenadsorption zu verifizieren.
Später untersuchte das Team den Einfluss der Aggregatzustände von Grenzflächenschichten auf die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen. Sie erreichten dies über ein Modell aus massiven Filmen aus DNA und hydratisiertem Cholindihydrogenphosphat, das bei Raumtemperatur gummiartig war, und maßen anschließend ihre Zugeigenschaften.
Ausblick
Das Team beobachtete die Dynamik doppelsträngiger DNA in Lösung und bemerkte gleichzeitig ihre freie Existenz. Danach stellten sie fest, wie ein Segment der DNA-Kette mit einer festen Oberfläche interagierte, um ein teilweise adsorbiertes Segment zu erzeugen. Yuma Morimitsu und Kollegen verwendeten AFM (Atomkraftmikroskopie)-basierte direkte Visualisierung, um die Dimension von auf einer Oberfläche adsorbierten Polymerketten aufzudecken, und verglichen die Dynamik mit der in einem Lösungszustand.
Basierend auf den Simulationen zeigten sie, dass sich im Gegensatz zu kleinen Molekülen daran festhielten Langmuirs Hypothese; bei denen eine gegebene Oberfläche eine Reihe von Stellen aufweist, an denen eine Spezies über Chemisorption oder Physisorption haften kann, wobei die DNA-Polymere auf isolierte und kooperative Weise an der Oberfläche adsorbiert werden. Während der Arbeit beobachtete das Team eine enge Streuung doppelsträngiger DNAs, um einen Einblick in das makromolekulare Bild zu geben.
Die Ergebnisse können zum Design von Grenzflächenschichten und zur Bildung von Verbundmaterialien auf Polymerbasis für Anwendungen in den Bereichen Industrie, Umwelt und Biomedizin führen.
Mehr Informationen:
Yuma Morimitsu et al, Direkte Visualisierung der kooperativen Adsorption eines fadenartigen Moleküls auf einem Festkörper, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn6349
Kumaran S. Ramamurthi et al, Geometric Cue for Protein Localization in a Bacterium, Wissenschaft (2009). DOI: 10.1126/science.1169218
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