Міжфазна вода в синтетичних і природних ліпідних біслоях за даними коливальної спектроскопії з підсумовуванням частоти
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
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
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
