< Terug naar vorige pagina

Project

Nano-gestructureerde oppervlakken voor de specifieke aanhechting van biomoleculen.

Eiwitten, b.v. antilichamen of enzymen, zijn vanwege hun specifieke eigenschap-
pen en functionaliteiten zeer aantrekkelijke moleculen zowel voor onderzoek
als voor toepassingen. Een overgrote meerderheid van de toepassingen zijn
gebaseerd op geïmmobiliseerde moleculen, proteïnen (eiwitten) die aan een
substraat zijn bevestigd.

Een nauwkeurige controle over de hoeveelheid, de positie en de oriëntatie van
de geïmmobiliseerde biomoleculen is vereist, waarbij tevens de functionaliteit
van de eiwitten moet behouden blijven en ze beschikbaar moeten blijven
voor het beoogde doel. Ongewenste neveneffecten van de immobilisatie zoals
agglomeratie, denaturatie van proteïnen of sterische hindering tussen naburige
moleculen zou op deze manier kunnen worden beperkt. Een nauwkeurige
controle (op moleculair niveau) van het immobilisatieproces blijft echter nog
steeds een enorme wetenschappelijke en technologische uitdaging, ondanks het
grote belang ervan.

In dit werk presenteren we een elegante manier om vooraf-gedefinieerde
hechtingsplaatsen voor eiwitten te definiëren op vaste oppervlakken door middel
van metalen nanodeeltjes die gedeponeerd werden m.b.v. vacuümtechnieken.
Deze nanodeeltjes met afmetingen vergelijkbaar met de grootte van eiwitten
maken het in principe mogelijk om maar één molecuul per deeltje te
binden. Specifieke binding-sites op het oppervlak zullen echter van weinig
belang zijn als er eveneens niet-specifieke binding van eiwitten op het gehele
substraatoppervlak zal plaatsvinden. Het vermijden van deze niet-specifieke
eiwitbinding is dus een belangrijke doelstelling om effectieve gelokaliseerde
binding-sites te kunnen realiseren. In ons werk gebruiken we een combinatie
van nanodeeltjes (Au en Pt) als eiwit-binding-sites die neergezet worden op
een eiwit-afstotende laag. Zo creëren we een echt bifunctioneel oppervlak,
namelijk bestaande uit eiwit-aantrekkende en eiwit-afstotende zones, waardoor een gerichte immobilisatie van eiwitten mogelijk is wegens het chemische
contrast tussen de twee materialen. In dit proefschrift zullen we ons richten
op het afstemmen van de hoeveelheid en de positie van de geïmmobiliseerde
eiwitten en we zullen onderzoeken hoe de biologische functionaliteit van de
eiwitten beïnvloed wordt door de immobilisatie.

Het eerste deel van dit proefschrift is gericht op de voorbehandeling van de
metaal- en halfgeleideroppervlakken. Er zal aangetoond worden dat een goede
oppervlakte-terminatie (b.v. OH-terminatie) een noodzakelijke voorwaarde
is voor de daaropvolgende functionalisering van het oppervlakte, b.v. meteen eiwitafstotende polymeerlaag (PEG-silane polymeerlaag). Gemodificeerde,
PEG-silaniseerde SiO2-oppervlakken blijven in contact met eiwitten in principe
eiwit-vrij, in tegenstelling tot niet-gemodificeerde SiO2-oppervlakken.

In het tweede deel rapporten we over de afzetting van nanodeeltjes op de
eiwit-afstotende polymeerlaag. De nanodeeltjes met afmetingen minder dan
5 nm, vergelijkbaar met deze van eiwitten, worden afgezet met behulp van
vacuümtechnieken vertrekkende van ultra-zuivere edele metalen (Au en Pt)
en vereisen geen stabiliserende laag van liganden. In dit werk gebruiken
we twee verschillende vacuüm-gebaseerde methoden voor het neerzetten van
nanodeeltjes: enerzijds vertrekkende van atomaire bundels via moleculaire-
bundelepitaxie, en anderzijds door depositie van een bundel van voorgevormde
cluster geproduceerd in een laservaporisatie clusterbron. De verschillen in
de oppervlaktemorfologie na het afzetten van de nanodeeltjes via deze beide
technieken zullen worden onderzocht.

Het grootste deel van dit proefschrift richt zich op de immobilisatie via linker-moleculen van twee structureel en functioneel verschillende soorten eiwitten,
namelijk antilichamen (human- en antihuman-Immunoglobuline G) en enzymen
(Glucose oxidase), op de afgezette nanodeeltjes. Via een combinatie van
kwalitatieve en kwantitatieve analysetechnieken, zoals atoomkrachtmicrosco-
pie, optische microscopie, en spectroscopie, bestuderen we hoe het aantal
geïmmobiliseerde eiwitten afhangt van de dichtheid van nanodeeltjes. We
analyseren hoe de oppervlakte-morfologie verandert na elke individuele stap
in de oppervlaktebehandeling, samen met een in-situ-detectie van de eiwit-
immobilisatie. Dit stelt ons in staat om aan te tonen dat de hoeveelheid
geïmmobiliseerde eiwitten kan worden gecontroleerd door het variëren van de
hoeveelheid nanodeeltjes op het oppervlak.

Dit proefschrift bestudeert ook hoe eiwit-immobilisatie op nanodeeltjes hun
biologische functies beïnvloedt. De biologische activiteit van de verschillendetypes eiwitten na de immobilisatie op een oppervlak met nanodeeltjes wordt
vergeleken met hun activiteit in oplossing. Hoewel een lagere activiteit
wordt waargenomen voor geïmmobiliseerde eiwitten, wordt hun biologische
activiteit behouden en kunnen we concluderen dat vacuüm-gedeponeerde
nanodeeltjes effectief kunnen gebruikt worden als eiwitbindingsplaatsen op een
eiwit-afstotende laag.

Datum:4 jan 2010 →  18 dec 2015
Trefwoorden:Surface deposited nanoclusters, Oriented biomolecule binding, Single-molecule analysis, Site-specific biomolecule immobilization
Disciplines:Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica
Project type:PhD project