Analytische chemie heeft tot doel efficiënt onderscheid te maken tussen twee aminozuren. In een nieuw rapport in wetenschappelijke vooruitgang , Zihao Liu en een onderzoeksteam in de chemie, Natuurkunde, en materiaalkunde in China en Japan, gebruikte een elektrische methode met één molecuul op basis van moleculaire nanocircuits om stabiele grafeen-molecuul-grafeen-knooppunten met één molecuul te vormen. Het team ontwikkelde deze moleculaire verbindingen door een moleculaire machine covalent te binden. Vervolgens gebruikten ze pH om het type en de lading van de aminozuren te variëren om duidelijke multimodale stroomfluctuaties te vinden die afkomstig zijn van verschillende gastinteracties in vergelijking met theoretische berekeningen. De geleidingsgegevens produceerden karakteristieke nivelleringstijden en pendelsnelheden voor elk aminozuur om nauwkeurige en realtime in-situ metingen mogelijk te maken. De wetenschappers testten vier aminozuren en hun enantiomeren (chirale moleculen die spiegelbeelden van elkaar zijn) om het vermogen aan te tonen om ze in een paar microseconden van elkaar te onderscheiden. volgorde aanbrengen in.

Bouwstenen van eiwitten

Aminozuren vormen bouwstenen van eiwitten, moleculen met speciale fysiologische functies en belangrijke structurele elementen in farmaceutica met toepassingen in life sciences. Onderzoekers kunnen enantiomeren van aminozuren herkennen om belangrijke informatie te verschaffen met betrekking tot chirale herkenning en fysiologische functies in biologische systemen. Het detecteren van de structuur, enantiomere zuiverheid en het dynamische gedrag van aminozuren kunnen de productie van nieuwe technieken voor eiwitsequencing en farmaceutisch onderzoek bevorderen. De detectie en identificatie van aminozuren met verschillende structuren en chiraliteit zijn van cruciaal belang in proteomics, farmaceutica en nanobiotechnologie. Echter, bestaande moleculaire machines functioneren alleen door de thermodynamische parameters van het ensemble te vergelijken, wat onvoldoende is. Het is daarom belangrijk om een ​​algemene moleculaire techniek te ontwikkelen om de bestaande methoden te revolutioneren en doelmoleculen met hoge nauwkeurigheid te herkennen. In dit werk, Liu et al. demonstreerde een single-molecule techniek om verschillende proteïnogene aminozuren en hun enantiomeren direct te identificeren via nauwkeurige dynamische metingen van gastheer-gast interacties op basis van een single-molecule techniek die bekend staat als grafeen-molecuul-grafeen single-molecuul juncties afgekort als GMG-SMJ's om covalent individuele moleculaire systemen incorporeren die zich gedragen als het geleidende kanaal in een elektrisch nanocircuit.

De nieuwe aanpak bood een robuust platform om elektronica met één molecuul te vormen om moleculaire opto-elektronische apparaten te creëren. Om de constructies te ontwikkelen, Liu et al. covalent een moleculaire machine ingeklemd tussen een paar grafeenpuntcontacten met nano-gapping voor aminozuurdetectie en chiraliteitsherkenning. De resultaten zullen nieuwe routes openen om de nanotechnologie van nauwkeurige single-molecule eiwitsequencing voor praktische toepassingen te ontwikkelen.

apparaat ontwikkeling, elektrische karakterisering en real-time metingen

Het onderzoeksteam synthetiseerde enkellaags grafeen met behulp van chemische dampafzetting op koperfolies en bracht het over naar siliciumdioxide/siliciumwafels en vormde de metalen elektroden met behulp van fotolithografie. Om de nano-gapped grafeenpuntcontactelektroden te ontwikkelen, ze gebruikten een lithografische methode met streepjeslijnen. Vervolgens construeerden ze GMG-SMJ's (grafeen-molecuul-grafeen-single-molecuul-juncties) door een enkele moleculaire machine covalent te verbinden met grafeenelektroden via amidebindingen. Het team heeft de stroom-spanningscurven van de apparaten in verschillende stadia gemeten om de vorming van GMG-SMJ's te identificeren. Het ladingstransport door de junctie was het resultaat van verbindingen met één molecuul. Vervolgens voerden ze tijdsafhankelijke elektrische karakteriseringen uit om de geleiding van gepermethyleerde-β-cyclodextrine (PM-β-CD) enkelvoudige moleculaire juncties (SMJ's) in realtime te volgen. Ze maten de constructen eerst in water en daarna in diverse oplossingen van verschillende aminozuren. De representatieve huidige-tijdtrajecten onthulden multi-piekverdelingen voor verschillende aminozuren in oplossing zoals L-serine en L-alanine. De meervoudige afzonderlijke toestanden van elk aminozuur kwamen alleen voort uit het associatie-/dissociatieproces tussen het functionele PM-β-CD-centrum en de omringende aminozuren.

To better understand the correlation between host-guest interactions in the L-alanine based PM-β-CD single molecule junctions, Liu et al. calculated the transmission spectra of the PM-β-CD host with differently charged L-Alanine guests. Om dit te bereiken, they used a nonequilibrium Green's function technique based on density functional theory as implied in the Atomistix Toolkit package. They noted the conductance contribution from the perturbed highest occupied molecular orbital (p-HOMO) to be dominant at low bias voltages as reflected with transmission spectra. The transmission spectra of the configurations were significantly different near the Fermi level of electrodes to afford different conductance stages. The researchers then analyzed the transitions between each level during amino acid recognition. They used L-alanine as an example to observe reversible transitions from the dissociation to form cations, zwitterions, and anion forms. The dissociation level dominated the device conductance, and the team collected the information using a four-state model, which described the transitions to understand the capacity to detect different structures of amino acids when interacting with PM-β-CD. The amino acids had at least two association processes for the carboxylic group and the other amino group. The greater the number of states recorded, the more accurate the recognition of results were.

Enantiomer recognition and outlook

Due to the similarity between enantiomers, it was more challenging to differentiate the structures compared to species identification. The associated energy differences were small and close to computational errors. To overcome these complexities, the team established a distinct "fingerprint database" for each amino acid to compare the conductance and kinetic data of different enantiomers. The team then achieved the current change and relaxation time data and compared them with the fingerprint database. Due to this universality, the method can also recognize chiral functional drug molecules to establish a broad approach for biomolecular detection at the single molecule-level.

Op deze manier, Zihao Liu and colleagues presented a practical single-molecule approach for real-time electrical recognition of amino acids with different structures and chirality within microseconds. The host-guest dynamic processes could be observed for diverse amino acids at the level of the anion, zwitterion and cation shuttling. Using the permethylated-β-cyclodextrin (PM-β-CD) complex, the team recognized differently charged states of amino acids based on current fluctuation range and thermodynamic/kinetic parameters. The technique can revolutionize existing methods to accurately sequence single-molecule gene/protein sequencing toward universal applications. The method can also offer a universal tool to recognize many important molecules in environmental or biological systems to understand the basis of life at the molecular level.

© 2021 Science X Network