خودآرایی ویروسها روی سطوح پلیمری چند لایه
این ایده که گونه های ابرمولکولی بطور تصادفی در یک محیط مشبک گنجانده شده و در نهایت می توانند ساختارهای منظمی را روی سطح ایجاد کنند، ممکن است غیر قابل تصور باشد. با این حال، چنین نظمی را میتواند با تنظیم نیروهای محرکه پویا و تعادلی تطبیق داد. در اینجا، ترتیب بندی ویروس های M13، بیوماکرومولکول های بسیار پیچیده را ارائه می دهیم که با اتصال الکترواستاتیکی رقابتی، برهمکنش های ماکرومولکولی ترجیحی و ماهیت میله ای صلب سیستم های ویروسی در طول مونتاژ الکترواستاتیک متناوب هدایت می شوند. محدودیت های فضایی بالقوه در اتصال بار رقابتی بین این ویروس ها و دو پلی الکترولیت ضعیف با بار مخالف منجر به انتشار میانی و "فلوتینگ" ویروس ها به سطح می شود. این خودآرایی یک ساختار تک لایۀ دو بعدی از ویروس ها روی یک سطح چند لایۀ پلی الکترولیت منسجم محسوب می شود. در این مقاله بیان می کنیم که این تک لایۀ مونتاژ شده با ویروس می تواند یک چارچوب قابل تنظیم بیولوژیکی برای هسته بندی، رشد و تراز کردن نانوذرات یا نانوسیم ها در مقیاس چندگانه باشد. این سیستم نشان دهندۀ یک رابط است که یک پلتفرم کلی برای ترکیب و مونتاژ سیستماتیک مواد آلی، بیولوژیکی و غیرآلی را فراهم می کند.
لازمۀ تنظیم سیستم های نانوسکوپی به ماکروسکوپی، تحرک مولکولی مورد نیاز برای دینامیک و نیروی محرکۀ ترمودینامیکی یا جنبشی است. برای مثال در مقیاس نانوسکوپی، برهمکنش های کووالانسی خاص در مولکول های عامل تعیین کنندۀ ساختار منظم ابرمولکول ها است و فرایند بازآرایی به منظور تعادل بین زنجیره ها در کوپلیمرهای بلوکی منجر به مورفولوژی جدا شده از فاز نهایی می شود. در مقیاس ماکروسکوپی، سیالیت نظم ساختار را تسهیل می کند؛ برهمکنش های مویرگی می تواند مجموعه پیچیده ای از اجسام کوچک را روی سطح آب ایجاد کند و جریان همرفتی دانه های مخلوط نیز منجر به جداسازی دانه های بزرگتر و کوچکتر می شود؛ این پدیده را "اثر آجیل برزیلی" می نامند. برهمکنش های الکترواستاتیک دافعه و جاذبه که در طبیعت وجود دارند نیز می توانند برای القای تحرک مولکولی به منظور نظم دهی استفاده شوند، برای نمونه میتوان جداسازی های انجام شده با الکتروفورز یا خودآرایی بیومولکولی را نام برد. در اینجا، نفوذ الکترواستاتیکی بین پلی الکترولیت های دارای بار ضعیف، جداسازی و نظم دهی کریستالی مایع دو بعدی ذرات ویروس را در طول مونتاژ الکترواستاتیک متناوب با پلی الکترولیت های مکمل هدایت می کند. علاوه براین، از آنجایی که ژنوم ویروس M13 به راحتی دستکاری می شود، ویروس را میتوان برای رشد و جمع آوری مواد آلی خاص کد گذاری کرد؛ بنابراین، یک آرایه منظم از نانوسیم های خود مونتاژ شده را تشکیل داد. تکنیک مونتاژ لایه ای الکترواستاتیک (LBL) به جذب گونه های دارای بار چندگانه اجازه می دهد تا لایه هایی در مقیاس نانومتر به منظور تشکیل یک شبکۀ یونی متقابل و مؤثر ایجاد کند. استفاده از این تکنیک امکان ایجاد لایه های عملکردی بسیار نازک و سطوح بسیار قابل تنظیم را ازطریق کنترل برهمکنش های الکترواستاتیکی فراهم می کند؛ فرایند مونتاژ دارای مزیت افزودۀ سازگاری قوی با گونه های بیومولکولی بدون از دست دادن عملکرد بیولوژیکی است. ما تصمیم گرفتیم از این فرایند مونتاژ بعنوان ابزاری برای ترکیب درات ویروس M13 دستکاری شدۀ ژنتیکی برای ایجاد لایه های نازک منسجم استفاده کنیم؛ بنابراین امکان هماهنگی بین عملکرد ویروس و خواص لایه نازک مانند رسانایی، الکتروشیمی و زیست تخریب پذیری را باتوجه به انتخاب پلیون فراهم می کنیم.
اگرچه چنین سیستم های چندلایه ای معمولآ بعنوان شبکه های تصادفی و منجمد جنبشی در نظر گرفته می شوند، بازآرایی کامل لایه های مورد بررسی در اینجا می تواند ازطریق انتشار میانی پلی الکترولیت ها در حین جذب القا شود. انتشار رقابتی که معمولآ منجر به بی نظمی و اختلال در لایه های نازک مونتاژ شده بصورت الکترواستاتیک می شود، بطور قابل توجهی برای دستیابی به خودآرایی ذرات ویروس در طول فرایند مونتاژ مهار می شود؛ این یافته ها باتوجه به ماهیت وزن مولکولی بالای این ماکرومولکول ویروسی شگفت آور هستند. پلی اتیلن ایمین خطی (LPEI) که یک پلیمر با زیست سازگاری بالا است، از بلوک ساختاری پلی کاتیونی و پلی اکریلیک اسید آنیونی بعنوان یک کانتریون استفاده می کند. بررسی ها نشان دادند که انتشار داخلی برگشت پذیر میتواند در مجموعه های LBL متشکل از جفت های پلی الکترولیت ضعیف رخ دهد؛ این ساختار چندلایه معمولآ نشان دهندۀ خواص رشد غیرخطی است. ما باتوجه به شکل زیر به این نتیجه رسیدیم که جفت پلی الکترولیت LPEI/PAA یک گزینه مناسب برای این نوع انتشار است و همچنین به دلیل زبری فوق العادۀ سطحی آن در حین رسوب، پردازش پذیری خوبی دارد.
شکل 1:
ویروس M13 یک ویروس رشته ای با بار منفی است؛ پراکندگی ذاتی و ماهیت ناهمسانگرد آن ما را ترغیب کرد تا اعمال موغف محلول سه بعدی کریستال مایع با غلظت بالا را به یک مجموعۀ سطحی لایه نازک دو بعدی در مقیاس بزرگ گسترش دهیم. علاوه براین، موقعیت های مختلف پروتئین روی ویروس ها، عملکردهای پروتئینی قابل برنامه ریزی با مهندسی ژنتیک و سیستم های ویروسی برای جذب، سنتز و مونتاژ نانوذرات و نانوسیم ها را نیز بررسی کردیم.
در اینجا، برهمکنش های الکترواستاتیک بین ویروس ها و PEM با جبران یا محافظت از دافع کلی به فرایند نظم دهی آنتروپیک بین ویروس ها کمک می کند. فرایندهای نظم دهی مشابه برای گونه های باردار بطور تجربی در مجموعه های منظم سیستم های DNA/ لیپوزوم با تحلیل پراکندگی اشعه ایکس، و همچنین از لحاظ تئوری در رفتار پاسخگوی کریستال مایع به فیلامنت های اکتین در اسکلت سلولی گزارش شده است. برای افزایش حالت آنتروپیک ویروس ها و جاذبه های الکترواستاتیکی، آنها با PEM زیرین، میتوان مولکول های ویروس را در ساختارهای تک لایه ای نامنظم قرار داد. شروع تصادفی و انتشار بدون جهت باعث بروز نقص توپولوژیکی می شود. حذف این عیوب نظم دهی و جهت گیری یک طرفۀ ویروس ها با اعمال نیروی برشی خارجی نیز در حال بررسی است. توالی اصلی پروتئین پوششی (p8) ویروس و Ph محلول ویروس میتواند بار سطحی ویروس را دستکاری کرده و رفتار مونتاژ را تعیین کند. تغییرات بالقوۀ مشخص ویروس ها در pH کم ما را قادر می سازد تا تعداد اولیه ویروس های جذب شدۀ نامنظم را کنترل کنیم که منجر به تراکم ترکیب نهایی در محدوده 1-100 ویروس می شود. برای نشان دادن تطبیق پذیری این روند، ما تک لایه های نانوسیمی متشکل از یک فلز نجیب، یک فلز واسطه و مواد نیمه هادی را مونتاژ کرده و همچنین برای تشکیل این آرایه های نانوسیم از سه استراتژی استفاده کردیم: استفاده از برهمکنش های الکترواستاتیکی برای اتصال نانوذرات کاتیونی به یک لایه ویروسی با بار منفی؛ زیست کانی سازی فلزات با واسطه پپتید؛ اتصال توالی پپتیدی روی پوشش ویروسی برای اتصال به GaN. با این حال، پتانسیل این سیستم ها تا حدی به دلیل مشکلات در نظم دهی بلوک های منفرد در مقیاس های بزرگ و محدودیت در تنوع مواد آلی قابل استفاده محدود است. از طرفی، برای تشکیل GaN چندلایه از روش انتخاب فاژ از یک کتابخانه p8 تصادفی با نمایش پپتید تصادفی اکتامر استفاده کردیم. محلول نانوذرات GaN با فاژ اختصاصی GaN در یک آرایه دو بعدی منظم که منجر به آرایش غیر متراکم فیلم سیم های GaN می شود، انکوبه شد.
