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Physico-chemical investigations of self-assembling processes of proteins on electrified gold
Christian Zafiu
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Wolfgang Kautek
DOI
10.25365/thesis.14158
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29954.43627.441765-9
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Surface layers (S-layers) sind bakterielle Membranproteine, die zweidimensional-kristalline Schichten auf festen Substraten bilden können. In der Biotechnologie, Biomineralisation, Biosensorik und Bottom-up Nanostrukturierung sind solche Schichten von grundlegendem und technologischem Interesse. Erste elektrochemische Messungen mit der in situ Quarzmikrowaage, ex situ SPM- und XPS-Messungen zeigten, dass die Dynamik der Selbstorganisation und der Adsorption dieser Proteinmoleküle sehr stark von der Struktur der elektrochemischen Doppelschicht abhängt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten von S-layer Proteinen des Lysinibacillus sphaericus CCM2177 und der Kristallisations-Lösung auf Gold Elektroden untersucht.
Die Untersuchung wurde mit Hilfe der in situ elektrochemischen Quarzmikrowaage (EQMB), der in situ Fourier-Transform Infrarot Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (FT-IRRAS) und der in situ sowie ex situ Rasterkraftmikroskopie (SFM) durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass bei hohen Konzentrationen des pH Puffers Borat (>25mM) Polyborationen vorliegen, die auf eine Goldoberfläche adsorbieren können. Im Falle einer hohen Konzentration an Perchlorat und einer niedrigen Konzentration an Borat wurde die Adsorption des pH Puffers nicht beobachtet.
Die Aufladung der elektrochemischen Doppelschicht kontrolliert in Kombination mit den Adsorptionseigenschaften der verschiedenen Lösungskomponenten die Kristallisationskinetik der S-layer Proteine. Negativ des Nulladungspotentials (pzc) ist die Elektrodenoberfläche negativ geladen wobei die Gegenladung durch Kationen gebildet wird. EQMB Ergebnisse zeigen, dass Proteine in mehrschichtigen Inselstrukturen auf einer solchen Oberfläche adsorbieren.
In der positiven Doppelschichtregion (positiv des pzc) adsorbieren schwach gebunden Anionen (Perchlorat), die unter Bildung einer kristallinen Monoschicht von Proteinen wieder von der Oberfläche verdrängt werden. Die Kinetik dieser Selbstorganisation ist in empfindlicher Weise vom elektrochemischen Potential abhängig. In der Potentialregion, in welcher Goldoxid an der Oberfläche auftritt, sind diese Proteine instabil und denaturieren. Die stabilisierende Wirkung des Calciums, des lateralen Vernetzers der S-layers, wurde durch in situ FT-IRRAS bestätigt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine frühzeitige Zugabe von Calcium eine Vorvernetzung in Lösung bewirkt, und die Adsorptionskinetik der Bildung der Monoschicht verzögert wird.
Abstract
(Englisch)
Surface layers (S-layers) are bacterial membrane proteins that can form two-dimensional crystalline films on solid substrates. These layers are of fundamental and technological interest in biotechnology, biomineralization, biosensorics, and bottom-up nanostructuring technologies. First electrochemical in situ quartz microbalance measurements and ex situ SPM and XPS measurements showed that self-assembly dynamics and surface bonding of the protein molecules depend strongly on the structure of the electrochemical double layer.
In this work, the behaviour of S-layer proteins of Lysinibacillus sphaericus CCM2177 and of the crystallisation buffer was studied on gold electrodes. The investigation was performed using in situ electrochemical quartz microbalance (EQMB), in situ Fourier Transform Infrared Reflection-Absorption-Spectroscopy (FT-IRRAS) as well as in situ and ex situ Scanning Force Microscopy (SFM).
At high concentrations (> 25mM) the pH buffer borate was found to adsorb strongly to the gold surface in form of a polyborate ion. In case of a high perchlorate and a low borate concentration, the adsorption of the pH buffer was not observed.
The crystallization kinetics of the S-layer proteins is controlled by the charging of the electrochemical double layer and various adsorption behaviours of buffer components. Negative of the potential of zero charge (pzc) the electrode surface is polarized negatively and cations balance the surface charge. EQMB results show that proteins assemble in multilayer island structures on such a surface.
In the positive double layer region, positive of the pzc, weakly adsorbed anions (perchlorate) are displaced and the formation of a crystalline protein monolayer can be observed. The kinetics of this self-assembly is sensitively dependent on the electrochemical potential.
In the gold oxide potential region the adsorbed protein is unstable and denaturizes.
The stabilizing effect of calcium, the lateral cross-linker on the S-layer, was confirmed by in situ FT-IRRAS.
Further, it is shown that a prior addition of calcium causes a preassembly in solution and retards the adsorption kinetics of the monolayer formation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Self-assembly in situ FTIR-RAS EQMB AFM proteins electrochemistry
Schlagwörter
(Deutsch)
Selbstorganisation in situ FTIR-RAS EQMB AFM Proteine Elektrochemie
Autor*innen
Christian Zafiu
Haupttitel (Englisch)
Physico-chemical investigations of self-assembling processes of proteins on electrified gold
Paralleltitel (Deutsch)
Physikalisch-chemische Untersuchungen von selbstorganisierenden Prozessen von Proteinen auf elektrisiertem Gold
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
183 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Emil Paleček ,
José Luis Toca-Herrera
AC Nummer
AC08508311
Utheses ID
12703
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |