Published September 16, 2023
| Version v1
Publication
Open
Enhancing protein trapping efficiency of graphene oxide-polybutylene succinate nanofiber membrane via molecular imprinting
Creators
- 1. Ramathibodi Hospital
- 2. Mahidol University
- 3. Rangsit University
- 4. Chiang Mai University
- 5. Chulalongkorn University
- 6. National Nanotechnology Center
- 7. National Science and Technology Development Agency
Description
Filtration of biological liquids has been widely employed in biological, medical, and environmental investigations due to its convenience; many could be performed without energy and on-site, particularly protein separation. However, most available membranes are universal protein absorption or sub-fractionation due to molecule sizes or properties. SPMA, or syringe-push membrane absorption, is a quick and easy way to prepare biofluids for protein evaluation. The idea of initiating SPMA was to filter proteins from human urine for subsequent proteomic analysis. In our previous study, we developed nanofiber membranes made from polybutylene succinate (PBS) composed of graphene oxide (GO) for SPMA. In this study, we combined molecular imprinting with our developed PBS fiber membranes mixed with graphene oxide to improve protein capture selectivity in a lock-and-key fashion and thereby increase the efficacy of protein capture. As a model, we selected albumin from human serum (ABH), a clinically significant urine biomarker, for proteomic application. The nanofibrous membrane was generated utilizing the electrospinning technique with PBS/GO composite. The PBS/GO solution mixed with ABH was injected from a syringe and transformed into nanofibers by an electric voltage, which led the fibers to a rotating collector spinning for fiber collection. The imprinting process was carried out by removing the albumin protein template from the membrane through immersion of the membrane in a 60% acetonitrile solution for 4 h to generate a molecular imprint on the membrane. Protein trapping ability, high surface area, the potential for producing affinity with proteins, and molecular-level memory were all evaluated using the fabricated membrane morphology, protein binding capacity, and quantitative protein measurement. This study revealed that GO is a controlling factor, increasing electrical conductivity and reducing fiber sizes and membrane pore areas in PBS-GO-composites. On the other hand, the molecular imprinting did not influence membrane shape, nanofiber size, or density. Human albumin imprinted membrane could increase the PBS-GO membrane's ABH binding capacity from 50 to 83%. It can be indicated that applying the imprinting technique in combination with the graphene oxide composite technique resulted in enhanced ABH binding capabilities than using either technique individually in membrane fabrication. The suitable protein elution solution is at 60% acetonitrile with an immersion time of 4 h. Our approach has resulted in the possibility of improving filter membranes for protein enrichment and storage in a variety of biological fluids.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تم استخدام ترشيح السوائل البيولوجية على نطاق واسع في التحقيقات البيولوجية والطبية والبيئية بسبب ملاءمتها ؛ يمكن إجراء العديد منها بدون طاقة وفي الموقع، وخاصة فصل البروتين. ومع ذلك، فإن معظم الأغشية المتاحة هي امتصاص عالمي للبروتين أو تجزئة فرعية بسبب أحجام الجزيئات أو خصائصها. يعد SPMA، أو امتصاص غشاء دفع المحاقن، طريقة سريعة وسهلة لتحضير السوائل الحيوية لتقييم البروتين. كانت فكرة بدء SPMA هي تصفية البروتينات من البول البشري للتحليل البروتيني اللاحق. في دراستنا السابقة، طورنا أغشية الألياف النانوية المصنوعة من سكسينات البولي بوتيلين (PBS) المكونة من أكسيد الجرافين (GO) لـ SPMA. في هذه الدراسة، قمنا بدمج البصمة الجزيئية مع أغشية ألياف PBS المطورة الممزوجة بأكسيد الجرافين لتحسين انتقائية التقاط البروتين بطريقة القفل والمفتاح وبالتالي زيادة فعالية التقاط البروتين. كنموذج، اخترنا الألبومين من مصل الدم البشري (ABH)، وهو مؤشر حيوي مهم سريريًا للبول، للتطبيق البروتيني. تم إنشاء الغشاء الليفي النانوي باستخدام تقنية الغزل الكهربائي مع مركب PBS/GO. تم حقن محلول PBS/GO الممزوج مع ABH من محقنة وتحويله إلى ألياف نانوية بواسطة جهد كهربائي، مما أدى بالألياف إلى مجمع دوار يدور لجمع الألياف. تم تنفيذ عملية الطبع عن طريق إزالة قالب بروتين الألبومين من الغشاء من خلال غمر الغشاء في محلول أسيتونيتريل 60 ٪ لمدة 4 ساعات لتوليد بصمة جزيئية على الغشاء. تم تقييم القدرة على احتجاز البروتين، ومساحة السطح العالية، وإمكانية إنتاج تقارب مع البروتينات، والذاكرة على المستوى الجزيئي باستخدام مورفولوجيا الغشاء المصنعة، وقدرة ربط البروتين، وقياس البروتين الكمي. كشفت هذه الدراسة أن GO هو عامل تحكم، مما يزيد من الموصلية الكهربائية ويقلل من أحجام الألياف ومناطق المسام الغشائية في مركبات PBS - GO. من ناحية أخرى، لم تؤثر البصمة الجزيئية على شكل الغشاء أو حجم الألياف النانوية أو الكثافة. يمكن أن يزيد الغشاء المطبوع بالألبومين البشري من قدرة ربط ABH لغشاء PBS - GO من 50 إلى 83 ٪. يمكن الإشارة إلى أن تطبيق تقنية الطباعة بالاقتران مع تقنية مركب أكسيد الجرافين أدى إلى تعزيز قدرات ربط ABH بدلاً من استخدام أي من التقنيتين بشكل فردي في تصنيع الأغشية. يكون محلول شطف البروتين المناسب عند 60 ٪ أسيتونيتريل مع وقت غمر قدره 4 ساعات. وقد أدى نهجنا إلى إمكانية تحسين أغشية الترشيح لإثراء البروتين وتخزينه في مجموعة متنوعة من السوائل البيولوجية.Translated Description (French)
La filtration des liquides biologiques a été largement utilisée dans les études biologiques, médicales et environnementales en raison de sa commodité ; beaucoup pourraient être effectuées sans énergie et sur place, en particulier la séparation des protéines. Cependant, la plupart des membranes disponibles sont des membranes universelles d'absorption ou de sous-fractionnement des protéines en raison de la taille ou des propriétés des molécules. La SPMA, ou absorption par membrane de poussée de seringue, est un moyen rapide et facile de préparer les biofluides pour l'évaluation des protéines. L'idée d'initier la SPMA était de filtrer les protéines de l'urine humaine pour une analyse protéomique ultérieure. Dans notre étude précédente, nous avons développé des membranes en nanofibres à base de succinate de polybutylène (PBS) composé d'oxyde de graphène (GO) pour SPMA. Dans cette étude, nous avons combiné l'impression moléculaire avec nos membranes de fibres PBS développées mélangées à de l'oxyde de graphène pour améliorer la sélectivité de la capture des protéines de manière verrouillée et clé et augmenter ainsi l'efficacité de la capture des protéines. Comme modèle, nous avons sélectionné l'albumine à partir du sérum humain (ABH), un biomarqueur urinaire cliniquement significatif, pour une application protéomique. La membrane nanofibreuse a été générée en utilisant la technique d'électrofilage avec un composite PBS/GO. La solution de PBS/GO mélangée à de l'ABH a été injectée à partir d'une seringue et transformée en nanofibres par une tension électrique, ce qui a conduit les fibres à un collecteur rotatif tournant pour la collecte des fibres. Le processus d'impression a été réalisé en retirant le modèle de protéine d'albumine de la membrane par immersion de la membrane dans une solution d'acétonitrile à 60% pendant 4 h pour générer une empreinte moléculaire sur la membrane. La capacité de piégeage des protéines, la surface spécifique élevée, le potentiel de production d'affinité avec les protéines et la mémoire au niveau moléculaire ont tous été évalués à l'aide de la morphologie membranaire fabriquée, de la capacité de liaison aux protéines et de la mesure quantitative des protéines. Cette étude a révélé que le GO est un facteur de contrôle, augmentant la conductivité électrique et réduisant la taille des fibres et les zones poreuses de la membrane dans les composites PBS-GO. D'autre part, l'empreinte moléculaire n'a pas influencé la forme de la membrane, la taille des nanofibres ou la densité. La membrane à empreinte d'albumine humaine pourrait augmenter la capacité de liaison ABH de la membrane PBS-GO de 50 à 83 %. Il peut être indiqué que l'application de la technique d'impression en combinaison avec la technique composite d'oxyde de graphène a entraîné des capacités de liaison ABH améliorées par rapport à l'utilisation de l'une ou l'autre technique individuellement dans la fabrication de membranes. La solution d'élution protéique appropriée est à 60% d'acétonitrile avec un temps d'immersion de 4 h. Notre approche a abouti à la possibilité d'améliorer les membranes filtrantes pour l'enrichissement et le stockage des protéines dans une variété de fluides biologiques.Translated Description (Spanish)
La filtración de líquidos biológicos se ha empleado ampliamente en investigaciones biológicas, médicas y ambientales debido a su conveniencia; muchos podrían realizarse sin energía y en el sitio, particularmente la separación de proteínas. Sin embargo, la mayoría de las membranas disponibles son de absorción o subfraccionamiento universal de proteínas debido a los tamaños o propiedades de las moléculas. SPMA, o absorción de membrana de empuje de jeringa, es una forma rápida y fácil de preparar biofluidos para la evaluación de proteínas. La idea de iniciar SPMA era filtrar las proteínas de la orina humana para su posterior análisis proteómico. En nuestro estudio anterior, desarrollamos membranas de nanofibras hechas de succinato de polibutileno (PBS) compuesto de óxido de grafeno (GO) para SPMA. En este estudio, combinamos la impresión molecular con nuestras membranas de fibra PBS desarrolladas mezcladas con óxido de grafeno para mejorar la selectividad de captura de proteínas de forma segura y, por lo tanto, aumentar la eficacia de la captura de proteínas. Como modelo, seleccionamos albúmina de suero humano (ABH), un biomarcador de orina clínicamente significativo, para la aplicación proteómica. La membrana nanofibrosa se generó utilizando la técnica de electrohilado con material compuesto PBS/GO. La solución de PBS/GO mezclada con ABH se inyectó desde una jeringa y se transformó en nanofibras mediante un voltaje eléctrico, lo que llevó a las fibras a un colector giratorio que giraba para la recolección de fibras. El proceso de impresión se llevó a cabo mediante la eliminación de la plantilla de proteína de albúmina de la membrana a través de la inmersión de la membrana en una solución de acetonitrilo al 60% durante 4 h para generar una impresión molecular en la membrana. La capacidad de captura de proteínas, el área de superficie alta, el potencial para producir afinidad con proteínas y la memoria a nivel molecular se evaluaron utilizando la morfología de membrana fabricada, la capacidad de unión a proteínas y la medición cuantitativa de proteínas. Este estudio reveló que el GO es un factor de control, que aumenta la conductividad eléctrica y reduce los tamaños de las fibras y las áreas de poros de la membrana en los compuestos PBS-GO. Por otro lado, la impresión molecular no influyó en la forma de la membrana, el tamaño de las nanofibras o la densidad. La membrana impresa con albúmina humana podría aumentar la capacidad de unión de ABH de la membrana PBS-GO del 50 al 83%. Se puede indicar que la aplicación de la técnica de impresión en combinación con la técnica de compuesto de óxido de grafeno dio como resultado capacidades de unión ABH mejoradas que el uso de cualquiera de las técnicas individualmente en la fabricación de membranas. La solución de elución de proteínas adecuada es acetonitrilo al 60% con un tiempo de inmersión de 4 h. Nuestro enfoque ha dado como resultado la posibilidad de mejorar las membranas de filtro para el enriquecimiento y almacenamiento de proteínas en una variedad de fluidos biológicos.Files
s41598-023-42646-5.pdf.pdf
Files
(2.0 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:a9f647b88b87a4791e21d9838d99a47f
|
2.0 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعزيز كفاءة محاصرة البروتين لأكسيد الجرافين - بولي بيوتيلين سكسينات غشاء الألياف النانوية عن طريق البصمة الجزيئية
- Translated title (French)
- Amélioration de l'efficacité de piégeage des protéines de la membrane en nanofibres oxyde de graphène-polybutylène succinate par impression moléculaire
- Translated title (Spanish)
- Mejora de la eficiencia de captura de proteínas de la membrana de nanofibras de óxido de grafeno-succinato de polibutileno mediante impresión molecular
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386800687
- DOI
- 10.1038/s41598-023-42646-5
References
- https://openalex.org/W1537042984
- https://openalex.org/W1974054296
- https://openalex.org/W1978516415
- https://openalex.org/W1979970674
- https://openalex.org/W1994013582
- https://openalex.org/W2005901542
- https://openalex.org/W2042445733
- https://openalex.org/W2052097753
- https://openalex.org/W2055254611
- https://openalex.org/W2062051274
- https://openalex.org/W2062147882
- https://openalex.org/W2077379115
- https://openalex.org/W2078862780
- https://openalex.org/W2080311659
- https://openalex.org/W2106922939
- https://openalex.org/W2112853776
- https://openalex.org/W2176658185
- https://openalex.org/W2430794023
- https://openalex.org/W2509577407
- https://openalex.org/W2515559432
- https://openalex.org/W2545226662
- https://openalex.org/W2771882956
- https://openalex.org/W2776904089
- https://openalex.org/W2791786958
- https://openalex.org/W2793344462
- https://openalex.org/W2803564097
- https://openalex.org/W3006093732
- https://openalex.org/W3011695262
- https://openalex.org/W3027333799
- https://openalex.org/W3037164927
- https://openalex.org/W3151381390
- https://openalex.org/W3175628389
- https://openalex.org/W3188819874
- https://openalex.org/W3197486498
- https://openalex.org/W3202786709
- https://openalex.org/W3208349679
- https://openalex.org/W4232503235
- https://openalex.org/W4281715925
- https://openalex.org/W4285741359