Міжфазна вода в синтетичних і природних ліпідних біслоях за даними коливальної спектроскопії з підсумовуванням частоти

  • F. Cecchet Лабораторія лазерів і спектроскопії, Інститут структурованої речовини Намюра, Науково-дослідний інститут природничих наук Намюра, Університет Намюра, вул. Брюссельська, 61, Намюр, B-5000, Бельгія https://orcid.org/0000-0001-7740-3383
Ключові слова: вода, ліпідні мембрани, нелінійна оптика, підсумовування частоти, коливальна спектроскопія

Анотація

Актуальність. Вода відіграє вирішальну роль в протіканні біологічних процесів на ліпідних міжфазних межах, тому існує величезний інтерес до вивчення поведінки води поблизу поверхні мембран. На заряджених міжфазних межах диполі води утворюють організований шар. Зондування такого тонкого міжфазного шару, що знаходиться між макроскопічним об'ємним оточенням, є реальною проблемою. Коливальна спектроскопія з підсумовуванням частоти (КСПЧ) є по суті специфічною до міжфазних меж і вже довела, що є ідеальним інструментом для дослідження модельних мембран і навколишньої води.

Мета роботи. Мета даної роботи — виміряти методом КСПЧ коливальний відгук міжфазної води навколо різних модельних мембран, від найпростіших синтетичних ліпідів до більш складних природних ліпідів, щоб використовувати його в якості діагностичного сигналу, здатного розрізняти поверхню розділу ліпідного бішару за властивостями її заряду.

Матеріали та методи. Ліпідні бішари, виготовлені з синтетичних або природних ліпідів (Avanti Polar Lipids), були адсорбовані на призмах CaF2 (Crystran) з використанням методу довільного злиття ліпідних везикул з утворенням так званих ліпідних бішарів на твердій основі (SSLBs). Модельні мембрани були досліджені за допомогою КСПЧ на межі розділу тверде тіло/вода.

Результати. Відгук КСПЧ вимірювали між 3600 см-1 і 2800 см-1, де проявляються OH-валентні коливання молекул води. Інтенсивність КСПЧ максимуму піку ОН при 3125 см-1 реєструвалася під час адсорбції ліпідних везикул на поверхні і дозволила дізнатися про зміни заряду на міжфазній межі внаслідок адсорбції модельних мембран. Сигнал КСПЧ вказує на те, що організація води при від’ємному заряді на ліпідних межах була більшою, ніж при позитивному, і досягала найвищого значення у природних кардіоліпінових шарів E. coli. Крім того, коли повний склад природних ліпідів був невідомий, характер відповіді КСПЧ дозволяв встановити характеристики заряду відповідних міжфазних меж ліпідів.

Висновки: КССЧ сигнал води дозволив оцінити заряд синтетичних і природних ліпідних бішарів в чистій воді, тим самим проклавши шлях до використання КСПЧ сигналу води в якості нового діагностичного інструменту для ідентифікації меж ліпідів.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Біографія автора

F. Cecchet, Лабораторія лазерів і спектроскопії, Інститут структурованої речовини Намюра, Науково-дослідний інститут природничих наук Намюра, Університет Намюра, вул. Брюссельська, 61, Намюр, B-5000, Бельгія

 61 rue de Bruxelles, B-5000, Namur, Belgium

Посилання

Disalvo EA, Pinto OA, Martini MF, Bouchet AM, Hollmanna A, Frías MA. Functional role of water in membranes updated: A tribute to Träuble. Biophys Biochim Acta Biomembr. 2015;1848(7):1552–62. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2015.03.031

Ball P. Water as an active constituent in cell biology. Chem Rev. 2008;108(1):74–108. https://doi.org/10.1021/cr068037a

Fayer MD, Levinger NE. Analysis of water in confined geometries and at interfaces. Annu Rev Anal Chem. 2010;3:89−107. https://doi.org/10.1146/annurev-anchem-070109-103410

Gun’ko VM, Turov VV, Bogatyrev VM, Zarko VI, Leboda R, Goncharuk EV, Novza AA, Turov AV, Chuiko AA. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic interfaces. Adv Colloid Interface Sci. 2005;118(1-3):125−72. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003

Sanders SE, Vanselous H, Petersen PB. Water at surfaces with tunable surface chemistries. J Phys Condens Matter. 2018;30:113001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aaacb5

Shen YR. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature. 1989;337:519–25. https://doi.org/10.1038/337519a0

Shen YR. Fundamentals of sum-frequency spectroscopy. Cambridge University Press, Cambridge; 2016. https://doi.org/10.1017/CBO9781316162613

Adhikari A, Re S, Nishima W, Ahmed M, Nihonyanagi S, Klauda JB, еt al. Water orientation at ceramide/water interfaces studied by heterodyne-detected vibrational sum frequency generation spectroscopy and molecular dynamics simulation. J Phys Chem C. 2016;120(41):23692–7. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b08980

Allen HC, Casillas-Ituarte NN, Sierra-Hernández MR, Chen X, Tang CY. Shedding light on water structure at air-aqueous interfaces: Ions, lipids, and hydration. Phys Chem Chem Phys. 2009;11(27):5538–49. https://doi.org/10.1039/b901209e

Cyran JD, Backus EHG, Nagata Y, Bonn M. Structure from dynamics: vibrational dynamics of interfacial water as a probe of aqueous heterogeneity. J Phys Chem B. 2018;122(14):3667–79. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b10574

Ishiyama T, Terada D, Morita A. Hydrogen-bonding structure at zwitterionic lipid/water interface. J Phys Chem Lett. 2016;7(2):216–20. https://doi.org/101021/acsjpclett5b02567

Mondal JA, Nihonyanagi S, Yamaguchi S, Tahara T. Three distinct water structures at a zwitterionic lipid/water interface revealed by heterodyne-detected vibrational sum frequency generation. J Am Chem Soc. 2012;134(18): 7842–50. https://doi.org/10.1021/ja300658h

Nojima Y, Suzuki Y, Yamaguchi S. Weakly Hydrogen-bonded water inside charged lipid monolayer observed with heterodyne-detected vibrational sum frequency generation spectroscopy. J Phys Chem C. 2017;121(4):2173–80. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b09229

Ohto T, Backus EHG, Hsieh CS, Sulpizi M, Bonn M, Nagata Y. Lipid carbonyl groups terminate the hydrogen bond network of membrane-bound water. J Phys Chem Lett. 2015;6(22)4499–503. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b02141

Re S, Nishima W, Tahara T, Sugita Y. Mosaic of water orientation structures at a neutral zwitterionic lipid/water interface revealed by molecular dynamics simulations. J Phys Chem Lett. 2014;5(24):4343–8. https://doi.org/10.1021/jz502299m

Roy S, Gruenbaum SM, Skinner JL. Theoretical vibrational sum-frequency generation spectroscopy of water near lipid and surfactant monolayer interfaces. J Chem Phys. 2014;141:18C502. https://doi.org/10.1063/1.4895546

Singh PC, Inoue KI, Nihonyanagi S, Yamaguchi S, Tahara T. Femtosecond hydrogen bond dynamics of bulk-like and bound water at positively and negatively charged lipid interfaces revealed by 2D HD-VSFG spectroscopy. Angew Chem Int Ed Engl. 2016;55:10621–5. https://doi.org/10.1002/anie.201603676

Sovago M, Campen RK, Wurpel GWH, Müller M, Bakker HJ, Bonn M. Vibrational response of hydrogen-bonded interfacial water is dominated by intramolecular coupling. Phys Rev Lett. 2008;100(17):173901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.173901

Sovago M, Vartiainen E, Bonn M. Observation of buried water molecules in phospholipid membranes by surface sum-frequency generation spectroscopy. J Chem Phys. 2009;131(16):161107. https://doi.org/10.1063/1.3257600

Toledo-Fuentes X, Lis D, Cecchet F. Structural changes to lipid bilayers and their surrounding water upon interaction with functionalized gold nanoparticles. J Phys Chem C. 2016;120(38):21399–409. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b05460

Molinaro C, Cecchet F. Label-free, quantitative and sensitive detection of nanoparticle/membrane interaction through the optical response of water. Sens Actuators B Chem. 2019;289:169–74. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.03.006

Lis D, Cecchet F. Unique vibrational features as a direct probe of specific antigen–antibody recognition at the surface of a solid-supported hybrid lipid bilayer. Chem Phys Chem. 2016;17(17):2645–9. https://doi.org/10.1002/cphc.201600419

Toledo-Fuentes X, Molinaro C, Cecchet F. Interfacial charges drive the organization of supported lipid membranes and their interaction with nanoparticles. Colloids Surf B Biointerfaces. 2018;172:254–61. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2018.08.018

Keller CA, Glasmästar K, Zhdanov VP, Kasemo B. Formation of supported membranes from vesicles. Phys Rev Lett. 2000;84(23):5443–6. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.5443

Cecchet F, Lis D, Guthmuller J, Champagne B, Caudano Y, Silien C, Mani AA, Thiry PA, Peremans A. Orientational analysis of dodecanethiol and p-nitrothiophenol SAMs on metals with polarization-dependent SFG spectroscopy. Chem Phys Chem. 2010;11(3):607–15. https://doi.org/10.1002/cphc.200900733

Cecchet F, Lis D, Guthmuller J, Champagne B, Fonder G, Mekhalif Z, Caudano Y, Mani AA, Thiry PA, Peremans A. Theoretical calculations and experimental measurements of the vibrational response of p-NTP SAMs: an orientational analysis. J Phys Chem C. 2010;114(9):4106–13. https://doi.org/10.1021/jp911836k

Miller JD, Fa K, Calara JV, Paruchuri VK. The surface charge of fluorite in the absence of surface carbonation. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 2004;238(1-3):91–7. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2004.02.030

Lis D, Backus EHG, Hunger J, Parekh SH, Bonn M. Liquid flow along a solid surface reversibly alters interfacial chemistry. Science. 2014;344(6188):1138–42. https://doi.org/10.1126/science.1253793

Khatib R, Backus EHG, Bonn M, Perez-Haro M-J, Gaigeot M-P, Sulpizi M. Water orientation and hydrogen-bond structure at the fluorite/water interface. Sci Rep. 2016;6:24287. https://doi.org/10.1038/srep24287

Silvius JR. Thermotropic phase transitions of pure lipids in model membranes and their modifications by membrane proteins. In: Jost PC, Griffith OH, editors. Lipid-Protein Interactions. V.2. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1982. p. 239-81.

Dreier LB, Nagata Y, Lutz H, Gonella G, Hunger J, Backus EHG, Bonn M. Saturation of charge-induced water alignment at model membrane surfaces. Sci Adv. 2018;4(3):7415. https://doi.org/10.1126/sciadv.aap7415

Опубліковано
2020-07-14
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Cecchet, F. (2020). Міжфазна вода в синтетичних і природних ліпідних біслоях за даними коливальної спектроскопії з підсумовуванням частоти. Біофізичний вісник, (43), 85-95. Retrieved із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/14752
Розділ
Біофізика складних систем