Dynamics of proteins encapsulated in silica sol-gel glasses studied with IR vibrational echo spectroscopy

Journal of the American Chemical Society

Volumn 128, Issue 12, 2006, Pages 3990-3997

  Massari, Aaron M ^a   Finkelstein, Ilya J ^a   Fayer, Michael D ^a  

^a STANFORD UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

GLASS; INFRARED SPECTROSCOPY; MOLECULAR VIBRATIONS; SILICA; SOL-GELS; SOLUTIONS;

AQUEOUS PROTEIN SOLUTIONS; BIOMOLECULES; INFRARED STIMULATED VIBRATIONAL ECHO SPECTROSCOPY; VIBRATIONAL DEPHASING;

PROTEINS;

CARBOXYMYOGLOBIN; FRUCTOSE; HEME DERIVATIVE; HEMOGLOBIN; PROTEIN; SILICON DIOXIDE; WATER;

AQUEOUS SOLUTION; ARTICLE; ENCAPSULATION; GEL; INFRARED VIBRATIONAL ECHO SPECTROSCOPY; MOLECULAR DYNAMICS; POROSITY; SPECTROSCOPY; STRUCTURE ANALYSIS; VIBRATION; VISCOSITY;

CARBOXYHEMOGLOBIN; ELECTROSTATICS; GLASS; HEME; MYOGLOBIN; SILICON DIOXIDE; SPECTROPHOTOMETRY, INFRARED; SPECTROSCOPY, FOURIER TRANSFORM INFRARED;

EID: 33645455485     PISSN: 00027863     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja058745y     Document Type: Article

References (119)

1. Ellerby, L. M.; Nishida, C. R.; Nishida, F.; Yamanaka, S. A.; Dunn, B.; Valentine, J. S.; Zink, J. I. Science 1992, 255, 1113-1115.
2. Gill, I. Chem. Mater. 2001, 13, 3404-3421.
3. Jin, W.; Brennan, J. D. Anal. Chim. Acta 2002, 461, 1-36.
4. Brinker, C. J.; Scherer, G. W. Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing; Academic Press: San Diego, CA, 1990.
5. Miller, J. M.; Dunn, B.; Valentine, J. S.; Zink, J. I. J. Non-Cryst. Solids 1996, 202, 279-289.
6. Lloyd, C. R.; Eyring, E. M. Langmuir 2000, 16, 9092-9094.
7. Dunn, B.; Miller, J. M.; Dave, B. C.; Valentine, J. S.; Zink, J. I. Acta Mater. 1998, 46, 737-741.
8. Williams, A. K.; Hupp, J. T. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4366-4371.
9. Ping, G.; Yuan, J. M.; Sun, Z. F.; Wei, Y. J. Mol. Recognit. 2004, 17, 433-440.
10. Das, T. K.; Khan, I.; Rousseau, D. L.; Friedman, J. M. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 10268-10269.
11. Lan, E. H.; Dave, B. C.; Fukuto, J. M.; Dunn, B.; Zink, J. I.; Valentine, J. S. J. Mater. Chem. 1999, 9, 45-53.
12. Bruno, S.; Bonaccio, M.; Bettati, S.; Rivetti, C.; Viappiani, C.; Abbruzzetti, S.; Mozzarelli, A. Protein Sci. 2001, 10, 2401-2407.
13. Eggers, D. K.; Valentine, J. S. Protein Sci. 2001, 10, 250-261.
14. Bettati, S.; Mozzarelli, A. J. Biol. Chem. 1997, 272, 32050-32055.
15. Shibayama, N. J. Mol. Biol. 1999, 285, 1383-1388.
16. McIninch, J. K.; Kantrowitz, E. R. Biochim. Biophys. Acta; Prot. Struct. Mol. Enzymol. 2001, 1547, 320-328.
17. Samuni, U.; Dantsker, D.; Khan, I.; Friedman, A. J.; Peterson, E.; Friedman, J. M. J. Biol. Chem. 2002, 277, 25783-25790.
18. Viappiani, C.; Bettati, S.; Bruno, S.; Ronda, L.; Abbruzzetti, S.; Mozzarelli, A.; Eaton, W. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 14414-14419.
19. Abbruzzetti, S.; Viappiani, C.; Bruno, S.; Mozzarelli, A. Chem. Phys. Lett. 2001, 346, 430-436.
20. Samuni, U.; Juszczak, L.; Dantsker, D.; Khan, I.; Friedman, A. J.; Perez-Gonzalez-De-Apodaca, J.; Bruno, S.; Hui, H. L.; Colby, J. E.; Karasik, E.; Kwiatkowski, L. D.; Mozzarelli, A.; Noble, R.; Friedman, J. M. Biochemistry 2003, 42, 8272-8288.
21. Khan, I., Shannon, C. F.; Dantsker, D.; Friedman, A. J.; Perez-Gonzalez-de-Apodaca, J.; Friedman, J. M. Biochemistry 2000, 39, 16099-16109.
22. Schiro, G.; Cammarata, M.; Levantino, M.; Cupane, A. Biophys. Chem. 2005, 114, 27-33.
23. Flora, K. K.; Brennan, J. D. Chem. Mater. 2001, 13, 4170-4179.
24. Farrer, R. A.; Fourkas, J. T. Acc. Chem. Res. 2003, 36, 605-612.
25. McKiernan, J.; Simoni, E.; Dunn, B.; Zink, J. I. J. Phys. Chem. 1994, 98, 1006-1009.
26. Hench, L. L.; West, J. K. Chem. Rev. 1990, 90, 33-72.
27. Nikiel, L.; Hopkins, B.; Zerda, T. W. J. Phys. Chem. 1990, 94, 7458-7464.
28. Shen, C. Y.; Kostic, N. M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 1304-1312.
29. Gottfried, D. S.; Kagan, A.; Hoffman, B. M.; Friedman, J. M. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 2803-2807.
30. Gonnelli, M.; Strambini, G. B. Biophys. Chem. 2003, 104, 155-169.
31. Levinger, N. E. Science 2002, 298, 1722-1723.
32. Tan, H.-S.; Piletic, I. R.; Riter, R. E.; Levinger, N. E.; Fayer, M. D. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 057405.
33. Sando, G. M.; Dahl, K.; Owrutsky, J. C. J. Phys. Chem. A. 2004, 108, 11209-11217.
34. Riter, R. E.; Willard, D. M.; Levinger, N. E. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 2705-2714.
35. Harpham, M. R.; Ladanyi, B. M.; Levinger, N. E.; Herwig, K. W. J. Chem. Phys. 2004, 121, 7855-7868.
36. Guo, Y. L.; Yui, H.; Minamikawa, H.; Masuda, M.; Kamiya, S.; Sawada, T.; Ito, K.; Shimizu, T. Langmuir 2005, 21, 4610-4614.
37. Liu, Y. C.; Wang, Q. Phys. Rev. B 2005, 72, 085420.
38. Tan, H.-S.; Piletic, I. R.; Fayer, M. D. J. Chem. Phys. 2005, 122, 174501.
39. Piletic, I. R.; Tan, H.-S.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 21273-21284.
40. Narang, U.; Wang, R.; Prasad, P. N.; Bright, F. V. J. Phys. Chem. 1994, 98, 17-22.
41. Winter, R.; Hua, D. W.; Song, X.; Mantulin, W.; Jonas, J. J. Phys. Chem. 1990, 94, 2706-2713.
42. Huwe, A.; Arndt, M.; Kremer, F.; Haggenmuller, C.; Behrens, P. J. Chem. Phys. 1997, 107, 9699-9701.
43. Melnichenko, Y. B.; Schuller, J.; Richert, R.; Ewen, B.; Loong, C. K. J. Chem. Phys. 1995, 103, 2016-2024.
44. Crupi, V.; Dianoux, A. J.; Majolino, D.; Migliardo, P.; Venuti, V. Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 2768-2773.
45. Korb, J. P.; Xu, S.; Cros, F.; Malier, L.; Jonas, J. J. Chem. Phys. 1997, 107, 4044-4050.
46. Lee, Y. T.; Wallen, S. L.; Jonas, J. J. Phys. Chem. 1992, 96, 7161-7164.
47. Baumann, R.; Ferrante, C.; Deeg, F. W.; Brauchle, C. J. Chem. Phys. 2001, 114, 5781-5791.
48. Richert, R.; Yang, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 895-898.
49. Scodinu, A.; Farrer, R. A.; Fourkas, J. T. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 12863-12865.
50. Fourkas, J. T. Annu. Rev. Phys. Chem. 2002, 53, 17-40.
51. Loughnane, B. J.; Farrer, R. A.; Scodinu, A.; Reilly, T.; Fourkas, J. T. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 5421-5429.
52. Loughnane, B. J.; Scodinu, A.; Fourkas, J. T. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6061-6068.
53. Loughnane, B. J.; Farrer, R. A.; Scodinu, A.; Fourkas, J. T. J. Chem. Phys. 1999, 111, 5116-5123.
54. Sottini, S.; Viappiani, C.; Ronda, L.; Bettati, S.; Mozzarelli, A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8475-8484.
55. Tokuriki, N.; Kinjo, M.; Negi, S.; Hoshino, M.; Goto, Y.; Urabe, I.; Yomo, T. Protein Sci. 2004, 13, 125-133.
56. Ellis, R. J.; Minton, A. P. Nature 2003, 425, 27-28.
57. Davis-Searles, P. R.; Saunders, A. J.; Erie, D. A.; Winzor, D. J.; Pielak, G. J. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2001, 30, 271-306.
58. Minton, A. P. J. Biol. Chem. 2001, 276, 10577-10580.
59. Eggers, D. K.; Valentine, J. S. J. Mol. Biol. 2001, 314, 911-922.
60. Tokmakoff, A.; Fayer, M. D. Acc. Chem. Res. 1995, 28, 437-445.
61. Rector, K. D.; Rella, C. W.; Kwok, A. S.; Hill, J. R.; Sligar, S. G.; Chien, E. Y. P.; Dlott, D. D.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 1468-1475.
62. Lim, M.; Hamm, P.; Hochstrasser, R. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1998, 95, 15315-15320.
63. Merchant, K. A.; Thompson, D. E.; Fayer, M. D. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 3899-3902.
64. Zimdars, D.; Tokmakoff, A.; Chen, S.; Greenfield, S. R.; Fayer, M. D.; Smith, T. I.; Schwettman, H. A. Phys. Rev. Lett. 1993, 70, 2718.
65. Rella, C. W.; Kwok, A.; Rector, K. D.; Hill, J. R.; Schwettmann, H. A.; Dlott, D. D.; Fayer, M. D. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 1648.
66. Rector, K. D.; Engholm, J. R.; Hill, J. R.; Myers, D. J.; Hu, R.; Boxer, S. G.; Dlott, D. D.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 331-333.
67. Hamm, P.; Hochstrasser, R. M. In Ultrafast Infrared and Raman Spectroscopy; Fayer, M. D., Ed.; Marcel Dekker: New York, 2001; Vol. 26, pp 273-347.
68. Hamm, P.; Lim, M.; Hochstrasser, R. M. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 6123-6138.
69. Merchant, K. A.; Noid, W. G.; Akiyama, R.; Finkelstein, I. J.; Goun, A.; McClain, B. L.; Loring, R. F.; Fayer, M. D. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13804-13818.
70. Fayer, M. D. Annu. Rev. Phys. Chem. 2001, 52, 315-356.
71. Chung, H. S.; Khalil, M.; Tokmakoff, A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 15332-15342.
72. Williams, R. B.; Loring, R. F.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4068-4071.
73. Rella, C. W.; Rector, K. D.; Kwok, A. S.; Hill, J. R.; Schwettman, H. A.; Dlott, D. D.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. 1996, 100, 15620.
74. Oldfield, E.; Guo, K.; Augspurger, J. D.; Dykstra, C. E. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 7537-7541.
75. Augspurger, J. D.; Dykstra, C. E.; Oldfield, E. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 2447-2451.
76. Park, E. S.; Andrews, S. S.; Hu, R. B.; Boxer, S. G. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 9813-9817.
77. Mukamel, S. Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy; Oxford University Press: New York, 1995.
78. Librizzi, F.; Viappiani, C.; Abbruzzetti, S.; Cordone, L. J. Chem. Phys. 2002, 116, 1193-1200.
79. Massari, A. M.; Finkelstein, I. J.; McClain, B. L.; Goj, A.; Wen, X.; Bren, K. L.; Loring, R. F.; Fayer, M. D. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14279-14289.
80. Merchant, K. A.; Noid, W. G.; Thompson, D. E.; Akiyama, R.; Loring, R. F.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 4-7.
81. Finkelstein, I. J.; McClain, B. L.; Fayer, M. D. J. Chem. Phys. 2004, 121, 877-885.
82. Finkelstein, I. J.; Goj, A.; McClain, B. L.; Massari, A. M.; Merchant, K. A.; Loring, R. F.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16959-16966.
83. Caughey, W. S.; Shimada, H.; Choc, M. G.; Tucker, M. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1981, 78, 2903-2907.
84. Li, T. S.; Quillin, M. L.; Phillips, G. N., Jr.; Olson, J. S. Biochemistry 1994, 33, 1433-1446,
85. Anderton, C. L.; Hester, R. E.; Moore, J. N. Biochim. Biophys. Acta 1997, 1338, 107-120.
86. Hong, M. K.; Braunstein, D.; Cowen, B. R.; Frauenfelder, H.; Iben, I. E, T.; Mourant, J. R.; Ormos, P.; Scholl, R.; Schulte, A.; Steinbach, P. J.; Xie, A.; Young, R. D. Biophys. J. 1990, 58, 429-436.
87. Young, R. D.; Frauenfelder, H.; Johnson, J. B.; Lamb, D. C.; Nienhaus, G. U.; Philipp, R.; Scholl, R. Chem. Phys. 1991, 158, 315.
88. Rovira, C. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 2003, 632, 309-321.
89. Johnson, J. B.; Lamb, D. C.; Frauenfelder, H.; Müller, J. D.; McMahon, B.; Nienhaus, G. U.; Young, R. D. Biophys. J. 1996, 71, 1563-1573.
90. Yang, F.; Phillips, G. N., Jr. J. Mol. Biol. 1996, 256, 762-774.
91. Zhu, L.; Sage, J. T.; Rigos, A. A.; Morikis, D.; Champion, P. M. J. Mol. Biol. 1992, 224, 207-215.
92. Tian, W. D., Sage, J. T., Champion, P. M. J. Mol. Biol. 1993, 233, 155-166.
93. Janes, S. M.; Dalickas, G. A.; Eaton, W. A.; Hochstrasser, R. M. Biophys. J. 1988, 54, 545.
94. Mayer, E. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 10571-10577.
95. Potter, W. T.; Hazzard, J. H.; Choc, M. G.; Tucker, M. P.; Caughey, W. S. Biochemistry 1990, 29, 6283-6295.
96. Schmidt, J.; Sundlass, N.; Skinner, J. Chem. Phys. Lett. 2003, 378, 559-566.
97. Kubo, R. In Fluctuation, Relaxation, and Resonance in Magnetic Systems; Haar, D. T., Ed.; Oliver and Boyd: London, 1962.
98. Kubo, R. In Fluctuation, Relaxation and Resonance in Magnetic Systems; Ter Haar, D., Ed.; Oliver and Boyd: London, 1961.
99. Berg, M. A.; Rector, K. D.; Fayer, M. D. J. Chem. Phys. 2000, 113, 3233-3242.
100. Wasiucionek, M.; Breiter, M. W. J. Non-Cryst. Solids 1997, 220, 52-57.
101. Lenza, R. F. S.; Vasconcelos, W. L. J. Non-Cryst. Solids 2000, 273, 164-169.
102. Rector, K. D.; Jiang, J.; Berg, M.; Fayer, M. D. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 1081-1092.
103. Finkelstein, I. J.; Massari, A. M.; Fayer, M. D. 2005, manuscript in preparation.
104. Rector, K. D.; Thompson, D. E.; Merchant, K.; Fayer, M. D. Chem. Phys. Lett. 2000, 316, 122-128.
105. McClain, B. L.; Finkelstein, I. J.; Fayer, M. D. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15702-15710.
106. Cho, M. H.; Yu, J. Y.; Joo, T. H.; Nagasawa, Y.; Passino, S. A.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 1996, 100, 11944-11953.
107. Passino, S. A.; Nagasawa, Y.; Joo, T.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 725-731.
108. Joo, T. H.; Jia, Y. W.; Yu, J. Y.; Lang, M. J.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 1996, 104, 6089-6108.
109. Bai, Y. S.; Fayer, M. D. Phys. Rev. B 1989, 39, 11066.
110. Narasimhan, L. R.; Littau, K. A.; Pack, D. W.; Bai, Y. S.; Elschner, A.; Fayer, M. D. Chem. Rev. 1990, 90, 439.
111. Berg, M.; Walsh, C. A.; Narasimhan, L. R.; Littau, K. A.; Fayer, M. D. J. Chem. Phys. 1988, 88, 1564-1587.
112. Debye, P. J. W. Polar Molecules; Dover Publications: New York, 1945.
113. Kohn, J. E.; Millett, I. S.; Jacob, J.; Zagrovic, B.; Dillon, T. M.; Cingel, N.; Dothager, R. S.; Seifert, S.; Thiyagarajan, P.; Sosnick, T. R.; Hasan, M. Z.; Pande, V. S.; Ruczinski, I.; Doniach, S.; Plaxco, K. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 12491-12496.
114. Uzawa, T.; Akiyama, S.; Kimura, T.; Takahashi, S.; Ishimori, K.; Morishima, I.; Fujisawa, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 1171-1176.
115. Baker, D. Nature 2000, 405, 39-42.
116. Konishi, Y.; Feng, R. Biochemistry 1994, 33, 9706-9711.
117. Cottone, G.; Ciccotti, G.; Cordone, L. J. Chem. Phys. 2002, 117, 9862-9866.
118. Cottone, G.; Giuffrida, S.; Ciccotti, G.; Cordone, L. Proteins: Struct., Funct., Bioinf. 2005, 59, 291-302.
119. Fenimore, P. W.; Frauenfelder, H.; McMahon, B. H.; Young, R. D. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 14408-14413.