Organic nano-compartments as biomimetic reactors and protocells

Current Nanoscience

Volumn 4, Issue 1, 2008, Pages 71-87

  Monnard, P A ^a   DeClue, M S ^a   Ziock, H J ^a  

^a LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

Artificial cells; Biopolymerization; Nanoscale bioreactors; Origin of Life; Protocell

Indexed keywords

AMPHIPHILES; BIOMIMETICS; BIOPOLYMERS; BIOSYNTHESIS; LIPOSOMES; MICELLES; SELF ASSEMBLY;

ARTIFICIAL CELLS; BIOPOLYMERIZATION; PROTOCELLS;

BIOREACTORS;

2 OLEOYL 1 PALMITOYLPHOSPHATIDYLCHOLINE; ALUMINUM SILICATE; AMPHOPHILE; ARGININE; ASPARTIC ACID; DECANOIC ACID; DIDODECYLDIMETHYLAMMONIUM BROMIDE; DNA; HYDROXYAPATITE; LIPOSOME; MACROGOL; MONTMORILLONITE; PEPTIDE; PHOSPHATIDYLCHOLINE; PHOSPHOLIPID; POLYARGININE; RNA; TRYPTOPHAN;

BIOCOMPATIBILITY; BIOMIMETICS; BIOREACTOR; BIOREACTOR DESIGN; CELL METABOLISM; CHEMICAL REACTION; CHEMICAL STRUCTURE; DNA REPLICATION; EMULSION; ENCAPSULATION; HYDROPHILICITY; HYDROPHOBICITY; LIPOSOMAL GENE DELIVERY SYSTEM; MICELLE; MOLECULAR SIZE; NANOTECHNOLOGY; POLYMERIZATION; PRIORITY JOURNAL; PROTEIN SYNTHESIS; REVERSE MICELLE; REVIEW; RNA REPLICATION;

EID: 41949085932     PISSN: 15734137     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.2174/157341308783591771     Document Type: Review

References (155)

1. Donath, E.; Sukhorukov, G. B.; Caruso, F.; Davis, S. A.; Moehwald, H. Angew. Chem. Int. Ed., 1998, 37, 2201.
2. Monnard, P.-A. Cell. Mol. Life Sci., 2005, 62, 520.
3. Vriezema, D. M.; Aragones, M. C.; Elemans, J. A. A. W.; Cornelissen, J. J. L. M.; Rowan, A. E.; Nolte, R. J. M. Chem, Rev., 2005, 105, 1445.
4. Walde, P.; Ichikawa, S. Biomol. Eng., 2001, 18, 143.
5. Karlsson, M.; Davidson, M.; Karlsson, R.; Karlsson, A.; Bergenholtz, J.; Konkoli, Z.; Jesorka, A.; Lobovkina, T.; Hurtig, J.; Voinova, M.; Orwar, O. Annu. Rev. Phys. Chem., 2004, 55, 613.
6. Förster, S.; Konrad, M. J. Mater. Chem., 2003, 13, 2671.
7. Ferris, J. P. Phil. Trans. R. Soc. B, 2006, 361, 1777.
8. Kanavarioti, A.; Monnard, P.-A.; Deamer, D. W. Astrobiology, 2001, 1, 271.
9. Monnard, P.-A.; Deamer, D. W.; Szostak, J. W., presented at the The III European Workshop on Exo-Astrobiology, Madrid, Spain, 2004, ESA publications SP-545, 145.
10. Devilie, S.; Saiz, E.; Nalla, R. K.; Tomsia, A. P. Science, 2006, 311, 515.
11. Monnard, P.-A.; Luptak, A.; Deamer, D. W. Phil. Trans. R. Soc. B, 2007, 362, 1741.
12. Noireaux, V; Libchaber, A. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2004, 101, 17669.
13. Oberholzer, T.; Nierhaus, K. H.; Luisi, P. L. Biochem. Biophys. Res. Commun., 1999, 261, 238.
14. Nomura, S. M.; Tsumoto, K.; Hamada, T.; Akiyoshi, K.; Nakatani, Y.; Yoshikawa, K. Chembiochem, 2003, 4, 1172.
15. Yu, W.; Sato, K.; Wakabayashi, M.; Nakaishi, T.; Ko-Mitamura, E. P.; Shima, Y.; Urabe, I.; Yomo, T. J. Biosci. Bioeng., 2001, 92, 590.
16. Pohorille, A., Deamer, D. W. Trends Biotechnol., 2002, 20, 123.
17. Deamer, D. W. Microhiol. Mol. Biol. Rev., 1997, 61, 230.
18. Rasmussen, S.; Chen, L.; Nilsson, M.; Abe, S. Artif. Life, 2003, 9, 269.
19. Luisi, P. L.; Ferri, F.; Stano, P. Naturwissenschaften, 2006, 93, 1.
20. Monnard, P.-A., Deamer, D. W. Anat. Rec., 2002, 268, 196.
21. Szostak, J. W.; Bartel, D. P.; Luisi, P. L. Nature, 2001, 409, 387.
22. Drexler, K. E. Engines of Creation, Ankor books: 1987.
23. Dwars, T.; Paetzold, E.; Oehme, G. Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7174.
24. Shimizu, Y.; Inoue, A.; Tomari, Y.; Suzuki, T.; Yokogawa, T., Nishikawa, K.; Ueda, T. Nat. Biotechnol., 2001, 19, 751.
25. Sunami, T.; Sato, K.; Matsuura, T.; Tsukada, K.; Urabe, I.; Yonne, T. Anal. Biochem., 2006, 357, 128.
26. Bernal, J. D. The physical Basis of Life, Routledge and Paul: London, 1951.
27. Discher, B. M.; Won, Y.-Y.; Ege, D. S.; Lee, J. C.-M.; Bates, F. S.; Discher, D. E.; Hammer, D. A. Science, 1999, 284, 1143.
28. Nardin, C.; Winterhalter, M.; Meier, W. Langmuir, 2000, 16, 7708.
29. Apel, C. L.; Mautner, M. N.; Deamer, D. W. Biochim. Biophys. Acta, 2002, 1559, 1.
30. Makino, K.; Yamada, T.; Kimura, M.; Oka, T.; Ohshima, H.; Kondo, T. Biophys. J., 1991, 41, 175.
31. Monnard, P.-A.; Apel, C. L.; Kanavarioti, A.; Deamer, D. W. Astrobiology, 2002, 2, 139.
32. Monnard, P.-A.; Berclaz, N.; Conde-Frieboes, K.; Oberholzer, T. Langmuir, 1999, 15, 7504.
33. Oku, N.; MacDonald, R. C. Biochemistry, 1983, 22, 855.
34. Israelachvili, J. Intermoleuclar and Surface Forces, Academic Press. London, 1991.
35. Nagarajan, R. Langmuir, 2002, 18, 31.
36. Luisi, P. L.; Walde, P. Giant vesicles, John Wiley and sons: Chichester, England, 2000.
37. Kucerka, N.; Kiselev, M. A.; Balgavy, P. Eur Biophys. J., 2004, 33, 328.
38. Discher, D. E.; Eisenberg, A. Science, 2002, 297, 967.
39. Hanczyc, M. M.; Fujikawa, S. M.; Szostak, J. W. Science, 2003, 302, 618.
40. Liu, R.; Orgel, L. E. Orig. Life Evol. Biosphere, 1998, 28, 245.
41. Ferris, J. P.; Hill Jr, A. R.; Liu, R.; Orgel, L. E. Nature, 1996, 381, 59.
42. Huang, W.; Ferris, J. P. J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 8914.
43. Kanavarioti, A. J. Mol. Evol., 1998, 46, 622.
44. Franchi, M.; Ferris, J. P.; Gallori, E. Orig. Life Evol. Biosphere, 2003, 33, 1.
45. Hill Jr., A. R.; Böhler, C.; Orgel, L. E. Orig. Life Evol. Biosphere, 1998, 28, 235.
46. Bujdak, J.; Le Son, H.; Rode, B. M. J. Inorg. Biochem., 1996, 63, 119.
47. Bujdak, J.; Rode, B. M. J. Mol. Evol., 1996, 43, 326.
48. Blocher, M.; Liu, D.; Luisi, P. L. Macromolecules, 2000, 33, 5787.
49. Blocher, M.; Liu, D.; Walde, P.; Luisi, P. L. Macromolecules, 1999, 32, 7332.
50. Blochliger, E.; Blocher, M.; Walde, P.; Luisi, P. L. J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 10383.
51. Hitz, T.; Blocher, M.; Walde, P.; Luisi, P. L. Macromolecules, 2001, 34, 2443.
52. Böhler, C.; Hill Jr, A. R.; Orgel, L. E. Orig. Life Evol. Biosphere, 1996, 26, 1.
53. Rajamani, S., Vlassov, A.; Coombs, A.; F., O.; Deamer, D. W. Orig. Life Evol. Biosphere, in press.
54. Zepik, H. H.; Shavit, E.; Tang, M.; Jensen, T. R.; Kajer, K. J.; Bolbach; G.; Leiserowitz, L.; Weissbuch, I.; Lahav, M. Science, 2002, 295, 1266.
55. Griffiths, A. D.; Tawfik, D. S. Trends Biotechnol., 2006, 24, 395,
56. Wilson, D. S.; Szostak, J. W. Annu. Rev. Biochem., 1999, 68, 611.
57. Sanchez-Ferrer, A.; Garcia-Carmona, F. Enzyme Microb. Technol., 1994, 16, 409.
58. Walde, P.; Goto, A.; Monnard, P.-A.; Wessicken, M.; Luisi, P. L. J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 7541.
59. Pietrini, A. V.; Luisi, P. L. Biochim. Biophys. Acta, 2002, 1562, 57.
60. Ghadessy, F. J.; Ong, J. L.; Holliger, P. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2001, 98, 4552.
61. Bangham,A. D.; Horne, R. W. J. Mol. Biol., 1964, 8, 660.
62. Gruner, S. M.; Lenk, R. P.; Janoff, A. S.; Ostro, M. J. Biochemistry, 1985, 24, 2833.
63. Pick, U. Arch. Biochem. Biophys., 1981, 212, 186.
64. Zurnbuehl, O.; Weder, H. G. Biochim. Biophys. Acta, 1981, 640, 252.
65. Batzri, S.; Korn, E. D. Biochim. Biophys. Acta, 1973, 298, 1015.
66. Szoka, F.; Papahadjopoulos, D. Proc. Natl. Arad. Sci. USA, 1978, 75, 4194.
67. Moscho, A.; Orwar, 0.; Chiu, D. T.; Modi, B. P.; Zare, R. N. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996, 93, 11443.
68. Deamer, D. W.; Barchfeld, G. L. J. Mol. Evol., 1982, 18, 203.
69. Shew, R. L.; Deamer, D. W. Biochim. Biophys Acta, 1985, 816, 1.
70. Gebicki, J. M.; Hicks, M. Nature, 1973, 243, 232.
71. Gebicki, J. M.; Hicks, M. Chem. Phys. Lipids, 1976, 16, 142.
72. Behr, J.-P.; Demencix, B.; Loeffler, J.-P.; Perz-Mutul, J. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1989, 86, 6982.
73. Dan, N. Biochim. Biophys. Acta, 1998, 1369, 34.
74. Monnard, P.-A.; Oberholzer, T.; Luisi, P. L. Biochim. Biophys. Acta, 1997, 1329, 39.
75. Colletier, J. P.; Chaize, B.; Winterhalter, M.; Fournier, D. BMC Biotechnol, 2002, 2, 9.
76. Oberholzer, T.; Albrizio, M.; Luisi, P. L. Chem. Biol., 1995, 2, 677.
77. Oberholzer, T.; Meyer, E.; Amato, L; Lustig, A.; Monnard, P.-A. Biochim. Biophys. Acta, 1999, 1416, 57.
78. Agresti, J. J.; Kelly, B. T.; Jaschke, A.; Griffiths, A. D. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2005, 102, 16170.
79. Hope, M. J.; Bally, M. B.; Webb, G.; Collis, P. R. Biochim. Biophys. Acta, 1985, 812, 55.
80. Pereira-Lachataignerais, J.; Pons, R.; Panizza, P.; Courbin, L.; Rouch, J.; Lopez, O. Chem. Phys. Lipids, 2006, 140, 88.
81. Bernath, K.; Magdassi, S,; Tawtik, D. S. J. Mol. Biol., 2005, 345, 1015.
82. Pietrini, A. V.; Luisi, P. L. Chembiochem, 2004, 5, 1055.
83. Bernath, K.; Hai, M.; Mastrobattista, E.; Griffiths, A. D.; Magdassi, S.; Tawfik, D. S. Anal. Biochem., 2004, 325, 151.
84. Link, D. R.; Grasland-Mongrain, E.; Duri, A.; Sarrazin, F.; Cheng, Z.: Cristobal, G.; Marquez, M.; Weitz, D. A. Angew. Chem, Int. Ed., 2006, 45, 2256.
85. Paula, S.; Volkov, A. G.; Van Hoek, A. N.; Haines, T. H.; Deamer, D. W. Biophys. J., 1996, 70, 339.
86. Monnard, P.-A.; Deamer, D. W. Orig. Life Evol. Biosphere, 2001, 31, 147.
87. Mouritsen, O. G.; Jorgenseb, K.; Honger, T. in Permeability and stability of lipid bilayers, E.A. Disalvo and S.A. Simon, ed; CRC Press: Boca Raton, 1995, Vol. 1, pp. 137.
88. Clere, S. G.; Thompson, T. E. Biophys. J., 1995, 68, 2333.
89. Fischer, A.; Franco, A.; Oberholzer, T. Chembiochem, 2002, 3, 409.
90. Yoshimoto, M.; Wang, S.; Fukunaga, K.; Treyer; M.; Walde, P.; Kuboi, R.; Nakao, K. Biotech. Bioeng., 2003, 85, 222.
91. Yoshimoto, M.; Wang, S.; Fukunaga, K.; Walde, P.; Kuboi, R.; Nakao, K. Biotech. Bioeng., 2003, 81, 695.
92. Meier, W.; Nardin, C.; Winterhalter, M. Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 4599.
93. Nasseau, M.; Boublik, Y.; Meier, W.; Winterhalter, M.; Fournier, D. Biotech. Bioeng., 2001, 75, 615.
94. Sanchez-Quesada, J.; Kim, H. S.; Ghadiri, M. R. Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 2503.
95. Sakai, N.; Matile, S. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 14348.
96. Perret, F.; Nishihara, M.; Takeuchi, T.; Futaki, S.; Lazar, A. N.; Coleman, A. W.; Sakai, N.; Matile, S. J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 1114.
97. Sakai, N.; Takeuchi, T.; Futaki, S.; Matile, S. Chembiochem, 2005, 6, 114.
98. Vercoutere, W.; Winters-Hilt, S.; Olsen, H.; Deamer, D.; Haussler, D., Akeson, M. Nat Biotechnol., 2001, 19, 248.
99. Tawfik, D. S.; Griffiths, A. D. Nat. Biotechnol., 1998, 16, 652.
100. Ishikawa, K.; Sato, K.; Shima, Y.; Urabe, L; Yomo, T. FEBS Lett., 2004, 576, 387.
101. Griffiths, A. D.; Tawfik, D. S. EMB0 J., 2003, 22, 24.
102. Oberholzer, T.; Wick, R.; Luisi, P. L.; Biebricher, C. K. Biochim. Biophys. Res. Commun., 1995, 207, 250.
103. Kamps, J. A. A. A. M.; Scherphof, G. L. in Liposomes. A practical approach., V. P. Torchilin and V. Weissig, ed; Oxford Press: Oxford, 2003, pp. 267.
104. Broz, P.: Driamov, S.; Ziegler, j.; Ben-Haim, N.; Marsch, S.; Meier, W.; Hunziker, P. Nano Lett., 2006, 6, 2349.
105. Felnerova, D.; Viret, J.-F.; Glück, R.; Moser, C. Curr Opin. Biotechnol., 2004, 15, 518.
106. Torchilin, V. P.; Omelyanenko, V. G.; Papisov, M. L.; Bogdanov, A. A.; Trubetskoy, V. S.; Herron, J. N.; Gentry, C. A. Biochim. Biophys. Acta, 1994, 1195, 11.
107. Lee, J. C.; Bermudez, H., Discher, B. M.; Sheehan, M. A.; Won, Y. Y.; Bates, F. S.; Discher, D. E. Biotechnol. Bioeng., 2001, 73, 135.
108. Bozic, B.; Svetina, S. Eur. Biophys. J., 2004, 33, 565.
109. Hanczyc, M. M.; Szostak, J. W. Curr Opin. Chem. Biol., 2004, 8, 660.
110. Luisi, P. L. Anat. Rec., 2002, 268, 209.
111. Rasmussen, S.; Chen, L.; Deamer, D.; Krakauer, D. C.; Packard, N. H.; Stadler, P. F.; Bedau, M. A. Science, 2004, 303, 963.
112. Ghadessy, F. J.; Ramsay, N.; Boudsocq, F.; Loakes, D.; Brown, A.; Iwai, S.; Vaisman, A.; Woodgates, R.; Holliger, P. Nat. Biotech., 2004, 22, 755.
113. Chakrabarti, A. C.; Breaker, R. R.; Joyce, G. F.; Deamer, D. W. J. Mol. Evol., 1994, 39, 555.
114. Tsumoto, K.; Nomura, S. M.; Nakatani, Y.; Yoshikawa, K. Langmuir, 2001, 17, 7225.
115. Riepe, A.; Beier, H.; Gross, H. J. FEBS Lett., 1999, 457, 193.
116. Chen, L. A.; Salehi-Ashtiani, K.; Szostak, J. W. J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 13213.
117. Steinberg-Yfrach, G.; Liddell, P. A.; Hung, S.-C.; Moore, A. L.; Gust, D.; Moore, T. A. Nature, 1997, 239.
118. Steinberg-Yfrach, G.; Pigaud, J.-L.; Durantini, E. N.; Moore, A. L.; Gust, D.; Moore, T. A. Nature, 1998, 392, 479.
119. Bachmann, P. A., Luisi, P. L.; Lang, J. Nature, 1992, 357, 57.
120. Berclaz, N.; Blochliger, E.; Muller, M.; Luisi, P. L. J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 1065.
121. Berclaz, N.; Muller, M.; Walde, P.; Luisi, P. L. J. Phys. Chem. B, 2001, 105, 1056.
122. Luisi, P. L.; Stano, P.; Mavelii, F. Artif. Life, 2004, 10, 297.
123. Stano, P.; Wehrli, E., Luisi, P. L. J. Phys. Condens, Matter, 2006, 18, S2231.
124. Thomas, C. F.; Luisi, P. L. J. Phys. Chem B, 2004, 108, 11285.
125. Walde, P.; Wick, R.; Fresta, M.; Mangone, A., Luisi, P. L. J. Am. Chem. Soc, 1994, 116, 11649.
126. Chen, I. A.; Roberts, R. W.; Szostak, J. W. Science, 2004, 305, 1474.
127. Shohda, K.; Sugawara, T. Soft Matter, 2006, 2, 402.
128. Williams, R.; Peisajovich, S. G.; Miller, O. J.; Magdassi, S.; Tawfik, D. S.; Griffiths, A. D. Nat. Methods, 2006, 3, 545.
129. Anet, F. A. L. Curr. Opin. Chem, Biol., 2004, 8, 654.
130. Russell, M. J,; Hall, A. J. J. Geological Soc., 1997, 154, 377.
131. Rushdi, A. I.: Simoncit, B. R. T. Orig Life Evol. Biosphere, 2001, 31, 103.
132. Dworkin, J. P., Deamer, D. W.; Sandford, S. A.; Allamandola, L. J. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2001, 98, 815.
133. Ehrenfreund, P.; Rasmussen, S.; Cleaves, H. J.; Chen, L. H. Astrobiology, 2006, 6.
134. Chyba, C. F.; Sagan, C. Nature, 1992, 355, 125.
135. Chyba, C. F.; THomas, P. J.; Brookshaw, L.; Sagan, C. Science, 1990, 249, 366.
136. Walde, P. Orig. Life Evol. Biosphere, 2006, 36, 109.
137. Apel, C. L.; Deamer, D. W. Orig. Life Evol. Biosphere, 2005, 35, 323.
138. Hargreaves, W. R.; Deamer, D. W. Biochemistry, 1978, 17, 3759.
139. Gilbert, W. Nature, 1986, 319, 618.
140. Joyce, G. F. Nature, 2002, 418, 214.
141. Shapiro, R. Quart. Rev. Biol., 2006, 81, 105.
142. Johnston, W.K.; Unrau, P. J.; Lawrence, M. S.; Glasncr, M. E.; Bartel, D. P. Science, 2001, 292, 1319.
143. Menger, F. M.; Balachander, N. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 5862.
144. Cajal, Y.; Boggs, J. M.; Jain, M. K. Biochemistry, 1997, 36, 2566.
145. Lei, G.; MacDonald, R. C. Biophys. J., 2003, 85, 1585.
146. Baumgart, T.; Hess, S. T.; Webb, W. W. Nature, 2003, 425, 821.
147. Lonchin, S.; Luisi, P. L.; Walde, P.; Robinson, B. H. J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 10910.
148. Rasi, S., Mavelli, F., Luisi. P. L. J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 14068.
149. Shapiro, R. IUBMB Life, 2000, 49.
150. Hanczyc, M. M.; Mansy, S. S.; Szostak, J. W. Orig. Life Evol. Biosphere, 2006
151. Dobson, C. M.; Ellison, G. B.; Tuck, A. F.; Vaida, V. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000, 97, 11864.
152. Giese, B. Curr. Opin. Chem. Biol., 2002, 6, 612.
153. Declue. M. S.; Monnard, P.-A.; Bailey, J. A.; Boncella, J. M.; Rasmussen, S.; Ziock, H.-J., Submitted.
154. Munteanu, A.; Stephan-Otto Attolim, C.; Rasmussen, S.; Ziock, H.; Solé, R. Phil. Trans. R. Soc. B, 2007, 362, 1847.
155. Rocheleau, T.; Rasmussen, S.; Nielsen, P. E.; Jacobi, M. N.; Ziock, H. Phil. Trans. R. Soc. B, 2007, 362, 1841.