Microbiologie in hapklare porties
Virussen: de revolutionaire stroomgeneratoren
Sinds de oudheid is bekend dat virussen veel ziekten veroorzaken. Recente ontwikkelingen in de wetenschap hebben echter het gebruik van virussen voor verschillende biomedische toepassingen vergemakkelijkt, omdat virussen uitzonderlijke voordelen bieden voor materiaalontwerp en -synthese. Ten eerste kunnen virussen door hun vermogen om genetische blauwdrukken in hun eiwitmantel in te kapselen gastheercellen infecteren en snel een groot aantal identieke kopieën van verschillende materialen repliceren. Ten tweede kunnen virussen worden aangepast om materialen te produceren met bijzondere biologische functies en evolueren naar materialen met nieuwe mogelijkheden. Ten derde biedt het vermogen tot zelfassemblage de virussen het voordeel dat ze een verscheidenheid aan supramoleculaire structuren kunnen vormen, die unieke fotonische en optische eigenschappen vertonen.
M13 BACTERIOFAAG
De M13 faag is lid van de familie van de filamenteuze bacteriofagen (Ff fagen), die bacteriën infecteren met de fertiliteitsfactor (F). Het virusdeeltje heeft een diameter van 6 nm en is ongeveer 900 nm lang. Het heeft een cirkelvormig enkelstrengs DNA dat 6407 nucleotiden bevat. Deze nucleotiden zijn ingekapseld in het pVIII grote manteleiwit en pIII, pVI, pVII en pIX kleine manteleiwitten. Het pVIII-eiwit heeft een positief geladen C-terminaal domein, een tussenliggend hydrofoob domein en een N-terminaal domein. De binding van het C-terminale domein met het genomische DNA van de faag creëert een netto negatieve lading op het oppervlak van M13.
De M13 faag infecteert alleen bacteriële soorten en is dus niet giftig voor mensen, waardoor het een nuttige component is op het gebied van therapeutica, biosensing, immunoassays en in vivo beeldvorming. Deze fagen kunnen gemakkelijk worden gemanipuleerd voor de ontwikkeling van verschillende functionele materialen, aangepast aan hun functionele behoeften. Verder verbeteren de unieke morfologie en flexibiliteit ook de prestaties. Daarnaast dient het ook als een model virusdeeltje voor de faag display bibliotheek. Veel onderzoekers hebben deze fagen ook gebruikt als bio-templates voor fotokatalysatoren en kleurstoffen. Genetisch gemanipuleerde M13 fagen zijn ook gebruikt voor de productie van elektriciteit als reactie op aanraking (tribo-elektriciteit) en druk (piëzo-elektriciteit).
In het meest recente werk van Kim et al. werden major en minor coat-eiwitten van de M13 faag genetisch op maat gemaakt, waardoor een eenrichtingspolarisatie in de faagdeeltjes werd geïnduceerd. Bij verhitting veranderde de a-helische structuur van de faag-eiwitten in willekeurige spoelen (in een omkeerbare reactie), waardoor elektriciteit werd opgewekt. De elektriciteit die wordt opgewekt als reactie op een thermische (warmte)prikkel staat bekend als pyroelektriciteit. Pyroelektriciteit wordt geassocieerd met de verandering in het elektrisch dipoolmoment van polaire materialen per volume-eenheid onder variaties in tijdelijke warmte. Deze materialen wekken dus een tijdelijke spanning op wanneer ze worden blootgesteld aan verhitting en afkoeling.
GENEREREN VAN PYRO-ELEKTRISCHE M13 BACTERIOFAGEN
De M13 fagen kunnen warmte niet direct waarnemen, maar thermische prikkels kunnen structurele veranderingen in de faagdeeltjes teweegbrengen. Daarom werd de techniek van genetische manipulatie gebruikt om de pIII en pVIII manteleiwitten van de fagen te wijzigen om opstaande faagstructuren van nanogrootte met eenrichtingspolarisatie te ontwikkelen. Samen met de wild-type fagen, lijnden deze gemodificeerde fagen zich verticaal uit in een monolaag op een gouden substraat.
Het pIII kleine manteleiwit, een van de meest gebruikte sites voor de weergave van polypeptiden, werd gemodificeerd met 6 moleculen van het aminozuur histidine (H). Het pVIII grote manteleiwit werd gewijzigd door de negatieve lading af te stemmen met behulp van verschillende aantallen van het aminozuur glutamaat (E) op het eiwitoppervlak, waardoor de structuurafhankelijke pyro-elektrische potentiaal van de faag ook nauwkeurig kon worden afgesteld. Als gevolg hiervan kon hitte (van vuur of van een laser) de eiwitcoating van de faag denatureren en een elektrische potentiaal genereren als gevolg van het uit balans brengen van de ladingen op de eiwitten van de faag. Hoewel de maximale gedetecteerde pyro-elektrische coëfficiënt erg klein is (0,13 mC/m2/°C), zijn de wetenschappers van plan om de waarde te vergroten door gebruik te maken van de zelfreplicerende eigenschap van de faagdeeltjes.
De auteurs pasten de faagdeeltjes verder genetisch aan met verschillende andere moleculen en onderzochten hun potentie als detectoren van verschillende vluchtige organische oplosmiddelen, namelijk methanol, ethanol, octanol, benzeen, tolueen, xyleen, hexaan, aceton en diethylether. Wanneer de faagdeeltjes dus werden gemodificeerd met peptiden die genetisch waren afgestemd op de specifieke oplosmiddelen, waren ze in staat om pyro-elektrische reacties te genereren, afhankelijk van de concentratie en het type chemische stof.
Dit onderzoek heeft niet alleen inzicht gegeven in de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan het opwekken van elektriciteit door verschillende biomoleculen, zoals eiwitten, cellen en weefsels, maar zal ook de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe biomaterialen met toepassingen op het gebied van energieproductie, biosensoren, medicijnen, farmaceutica en milieuverbeteringen.
Link to the original post: H. Kim, K. Ontado, I. Chae, B. Lim, S. Ji, Y. Kwon, and S-W. Lee, Virus-based pyroelectricity, Advanced Materials, 35(46), e2305503, November 2023.
Additional sources:
1. R. Wang, H-D. Li, Y. Cao, Z-Y. Wang, T. Yang, and J-H. Wang, M13 phage: A versatile building block for a highly specific analysis platform, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 415(18), 3927-3944, July 2023. DOI: 10.1007/s00216-023-04606-w.
2. D. Stopar, R.B. Spruijt, Cor J.A.M. Wolfs, and M.A. Hemminga, Protein-lipid interactions of bacteriophage M13 major coat protein, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes, 1611(1-2), 5-15, April 2003. DOI: 10.1016/S0005-2736(03)00047-6.
Featured image: Created by the author using Canva
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 