Peptide-equipped tobacco mosaic virus templates for selective and controllable biomineral deposition

Beilstein Journal of Nanotechnology

Volumn 6, Issue 1, 2015, Pages 1399-1412

  Altintoprak, Klara ^a   Seidenstücker, Axel ^b   Welle, Alexander ^c,d   Eiben, Sabine ^a   Atanasova, Petia ^a   Stitz, Nina ^a   Plettl, Alfred ^b   Bill, Joachim ^a   Gliemann, Hartmut ^d   Jeske, Holger ^a   Rothenstein, Dirk ^a   Geiger, Fania ^a   Wege, Christina ^a  

^a UNIVERSITY OF STUTTGART   (Germany)

^b UNIVERSITY OF ULM   (Germany)

^c KARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (Germany)

^d KARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (Germany)

Author keywords

Biomineralization; Charge relay system; Peptide; Silica; Tobacco mosaic virus (TMV)

Indexed keywords

AMINO ACIDS; BINDING ENERGY; BIOLOGICAL MATERIALS; BIOMINERALIZATION; COATINGS; DEPOSITION; FIBER REINFORCED PLASTICS; INORGANIC COMPOUNDS; MINERALOGY; NANORODS; POLYMERIZATION; POLYMERS; POLYPEPTIDES; RADIO LINKS; SILICA; TOBACCO; VIRUSES;

DIFFERENTIAL EFFECT; FIBER REINFORCED COMPOSITES; HOMOGENOUS COATINGS; INORGANIC MATERIALS; PRECURSOR SOLUTIONS; RELAY SYSTEM; SILICA POLYMERIZATIONS; TOBACCO MOSAIC VIRUS;

PEPTIDES;

EID: 84933041949     PISSN: None     EISSN: 21904286     Source Type: Journal    
DOI: 10.3762/bjnano.6.145     Document Type: Article

References (96)

1. Leblanc, J. L. Prog. Polym. Sci. 2002, 27, 627-687. doi:10.1016/S0079-6700(01)00040-5
2. Bouwmeester, H.; Brandhoff, P.; Marvin, H. J. P.; Weigel, S.; Peters, R. J. B. Trends Food Sci. Technol. 2014, 40, 200-210. doi:10.1016/j.tifs.2014.08.009
3. Stark, W. J.; Stoessel, P. R.; Wohlleben, W.; Hafner, A. Chem. Soc. Rev. 2015, in press. doi:10.1039/c4cs00362d
4. Henstock, J. R.; Canham, L. T.; Anderson, S. I. Acta Biomater. 2015, 11, 17-26. doi:10.1016/j.actbio.2014.09.025
5. Vallet-Regí, M.; Ruiz-Hernández, E. Adv. Mater. 2011, 23, 5177-5218. doi:10.1002/adma.201101586
6. Tang, F.; Li, L.; Chen, D. Adv. Mater. 2012, 24, 1504-1534. doi:10.1002/adma.201104763
7. Yildirim, A.; Acar, H.; Erkal, T. S.; Bayindir, M.; Guler, M. O. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 4159-4164. doi:10.1021/am201024w
8. Yang, X.; Tang, H.; Cao, K.; Song, H.; Sheng, W.; Wu, Q. J. Mater. Chem. 2011, 21, 6122-6135. doi:10.1039/c0jm04516k
9. Mann, S. Nat. Mater. 2009, 8, 781-792. doi:10.1038/nmat2496
10. Paris, O.; Burgert, I.; Fratzl, P. MRS Bull. 2010, 35, 219-225. doi:10.1557/mrs2010.655
11. Zollfrank, C.; Scheibel, T.; Seitz, H.; Travitzky, N. Bioinspired Materials Engineering. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, 2014; pp 1-22. doi:10.1002/14356007.s04_s01
12. Mann, S. Mineralization in biological systems. Inorganic Elements in Biochemistry; Structure and Bonding, Vol. 54; Springer: Berlin, Germany, 1983; pp 125-174. doi:10.1007/BFb0111320
13. Weiner, S.; Dove, P. M. Rev. Mineral. Geochem. 2003, 54, 1-29. doi:10.2113/0540001
14. Wu, Z. J.; Xiang, H.; Kim, T.; Chun, M.-S.; Lee, K. J. Colloid Interface Sci. 2006, 304, 119-124. doi:10.1016/j.jcis.2006.08.055
15. Cademartiri, R.; Brook, M. A.; Pelton, R.; Brennan, J. D. J. Mater. Chem. 2009, 19, 1583-1592. doi:10.1039/b815447c
16. Aljabali, A. A. A.; Shah, S. N.; Evans-Gowing, R.; Lomonossoff, G. P.; Evans, D. J. Integr. Biol. 2011, 3, 119-125. doi:10.1039/C0IB00056F
17. Yuwono, V. M.; Hartgerink, J. D. Langmuir 2007, 23, 5033-5038. doi:10.1021/la0629835
18. Bittner, A. M.; Alonso, J. M.; Górzny, M. Ł.; Wege, C. Nanoscale Science and Technology with Plant Viruses and Bacteriophages. In Structure and physics of viruses: An integrated textbook; Mateu, M. G., Ed.; Subcellular Biochemistry, Vol. 68; Springer Netherlands: Dordrecht, Netherlands, 2013; pp 667-702. doi:10.1007/978-94-007-6552-8_22
19. Mao, C.; Liu, A.; Cao, B. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 6790-6810. doi:10.1002/anie.200900231
20. Lomonossoff, G. P.; Evans, D. J. Applications of Plant Viruses in Bionanotechnology. In Plant Viral Vectors; Palmer, K.; Gleba, Y., Eds.; Current Topics in Microbiology and Immunology, Vol. 375; Springer: Berlin, Germany, 2014; pp 61-87. doi:10.1007/82_2011_184
21. Shenton, W.; Douglas, T.; Young, M.; Stubbs, G.; Mann, S. Adv. Mater. 1999, 11, 253-256. doi:10.1002/(SICI)1521-4095(199903)11:3<253::AID-ADMA253>3.0.C O;2-7
22. Pouget, E.; Grelet, E. Langmuir 2013, 29, 8010-8016. doi:10.1021/la401170m
23. Yang, S. H.; Chung, W.-J.; McFarland, S.; Lee, S.-W. Chem. Rec. 2013, 13, 43-59. doi:10.1002/tcr.201200012
24. Li, D.; Qu, X.; Newton, S. M. C.; Klebba, P. E.; Mao, C. J. Mater. Chem. 2012, 22, 15702-15709. doi:10.1039/c2jm31034a
25. Niu, Z.; Liu, J.; Lee, L. A.; Bruckman, M. A.; Zhao, D.; Koley, G.; Wang, Q. Nano Lett. 2007, 7, 3729-3733. doi:10.1021/nl072134h
26. Royston, E. S.; Brown, A. D.; Harris, M. T.; Culver, J. N. J. Colloid Interface Sci. 2009, 332, 402-407. doi:10.1016/j.jcis.2008.12.064
27. Aljabali, A. A. A.; Barclay, J. E.; Cespedes, O.; Rashid, A.; Staniland, S. S.; Lomonossoff, G. P.; Evans, D. J. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 4137-4142. doi:10.1002/adfm.201101048
28. Rothenstein, D.; Facey, S. J.; Ploss, M.; Hans, P.; Melcher, M.; Srot, V.; Van Aken, P. A.; Hauer, B.; Bill, J. Bioinspired, Biomimetic Nanobiomater. 2013, 2, 173-185. doi:10.1680/bbn.13.00004
29. Evans, D. J. Biochem. Soc. Trans. 2009, 37, 665-670. doi:10.1042/BST0370665
30. Dujardin, E.; Peet, C.; Stubbs, G.; Culver, J. N.; Mann, S. Nano Lett. 2003, 3, 413-417. doi:10.1021/nl034004o
31. Yang, C.; Choi, C.-H.; Lee, C.-S.; Yi, H. ACS Nano 2013, 7, 5032-5044. doi:10.1021/nn4005582
32. Knez, M.; Sumser, M. P.; Bittner, A. M.; Wege, C.; Jeske, H.; Hoffmann, D. M. P.; Kuhnke, K.; Kern, K. Langmuir 2004, 20, 411-447. doi:10.1021/la035425o
33. Fujikawa, S.; Kunitake, T. Langmuir 2003, 19, 6545-6552. doi:10.1021/la026979e
34. Royston, E.; Lee, S.-Y.; Culver, J. N.; Harris, M. T. J. Colloid Interface Sci. 2006, 298, 706-712. doi:10.1016/j.jcis.2005.12.068
35. Chiang, C.-Y.; Epstein, J.; Brown, A.; Munday, J. N.; Culver, J. N.; Ehrman, S. Nano Lett. 2012, 12, 6005-6011. doi:10.1021/nl303579z
36. Mao, C.; Solis, D. J.; Reiss, B. D.; Kottmann, S. T.; Sweeney, R. Y.; Hayhurst, A.; Georgiou, G.; Iverson, B.; Belcher, A. M. Science 2004, 303, 213-217. doi:10.1126/science.1092740
37. Atanasova, P.; Rothenstein, D.; Schneider, J. J.; Hoffmann, R. C.; Dilfer, S.; Eiben, S.; Wege, C.; Jeske, H.; Bill, J. Adv. Mater. 2011, 23, 4918-4922. doi:10.1002/adma.201102900
38. Balci, S.; Bittner, A. M.; Schirra, M.; Thonke, K.; Sauer, R.; Hahn, K.; Kadri, A.; Wege, C.; Jeske, H.; Kern, K. Electrochim. Acta 2009, 54, 5149-5154. doi:10.1016/j.electacta.2009.03.036
39. Atanasova, P.; Stitz, N.; Sanctis, S.; Maurer, J. H. M.; Hoffmann, R. C.; Eiben, S.; Jeske, H.; Schneider, J. J.; Bill, J. Langmuir 2015, 31, 3897-3903. doi:10.1021/acs.langmuir.5b00700
40. Adams, M. J.; Heinze, C.; Jackson, A. O.; Kreuze, J. F.; MacFarlane, S. A.; Torrance, L. Family Virgaviridae. In Virus taxonomy: Ninth report of the International Committee on Taxonomy of Viruses; King, A. M. Q.; Adams, M. J.; Carstens, E. B.; Lefkowitz, E. J., Eds.; Elsevier: San Diego, CA, U.S.A., 2012; pp 1139-1162.
41. Culver, J. N. Annu. Rev. Phytopathol. 2002, 40, 287-308. doi:10.1146/annurev.phyto.40.120301.102400
42. Butler, P. J. G. Philos. Trans. R. Soc., B 1999, 354, 537-550. doi:10.1098/rstb.1999.0405
43. Namba, K.; Pattanayek, R.; Stubbs, G. J. Mol. Biol. 1989, 208, 307-325. doi:10.1016/0022-2836(89)90391-4
44. Ge, P.; Zhou, Z. H. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 9637-9642. doi:10.1073/pnas.1018104108
45. Clare, D. K.; Orlova, E. V. J. Struct. Biol. 2010, 171, 303-308. doi:10.1016/j.jsb.2010.06.011
46. Sachse, C.; Chen, J. Z.; Coureux, P. D.; Stroupe, M. E.; Fändrich, M.; Grigorieff, N. J. Mol. Biol. 2007, 371, 812-835. doi:10.1016/j.jmb.2007.05.088
47. Alonso, J. M.; Górzny, M. Ł.; Bittner, A. M. Trends Biotechnol. 2013, 31, 530-538. doi:10.1016/j.tibtech.2013.05.013
48. Culver, J. N.; Brown, A. D.; Zang, F.; Gnerlich, M.; Gerasopoulos, K.; Ghodssi, R. Virology 2015, 479-480, 200-212. doi:10.1016/j.virol.2015.03.008
49. Schlick, T. L.; Ding, Z.; Kovacs, E. W.; Francis, M. B. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3718-3723. doi:10.1021/ja046239n
50. Smith, M. L.; Lindbo, J. A.; Dillard-Telm, S.; Brosio, P. M.; Lasnik, A. B.; McCormick, A. A.; Nguyen, L. V.; Palmer, K. E. Virology 2006, 348, 475-488. doi:10.1016/j.virol.2005.12.039
51. Eiben, S.; Stitz, N.; Eber, F.; Wagner, J.; Atanasova, P.; Bill, J.; Wege, C.; Jeske, H. Virus Res. 2014, 180, 92-96. doi:10.1016/j.virusres.2013.11.019
52. Shukla, S.; Eber, F.; Nagarajan, A. S.; DiFranco, N. A.; Schmidt, N.; Wen, A. M.; Eiben, S.; Twyman, R. M.; Wege, C.; Steinmetz, N. F. Adv. Healthcare Mater. 2015, 4, 874-882. doi:10.1002/adhm.201400641
53. Eber, F. J.; Eiben, S.; Jeske, H.; Wege, C. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 7203-7207. doi:10.1002/anie.201300834
54. Eber, F. J.; Eiben, S.; Jeske, H.; Wege, C. Nanoscale 2015, 7, 344-355. doi:10.1039/C4NR05434B
55. Baio, J. E.; Zane, A.; Jaeger, V.; Roehrich, A. M.; Lutz, H.; Pfaendtner, J.; Drobny, G. P.; Weidner, T. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15134-15137. doi:10.1021/ja5078238
56. Zane, A. C.; Michelet, C.; Roehrich, A.; Emani, P. S.; Drobny, G. P. Langmuir 2014, 30, 7152-7161. doi:10.1021/la501444t
57. Cha, J. N.; Shimizu, K.; Zhou, Y.; Christiansen, S. C.; Chmelka, B. F.; Stucky, G. D.; Morse, D. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1999, 96, 361-365. doi:10.1073/pnas.96.2.361
58. Kröger, N.; Deutzmann, R.; Sumper, M. Science 1999, 286, 1129-1132. doi:10.1126/science.286.5442.1129
59. Poulsen, N.; Kröger, N. J. Biol. Chem. 2004, 279, 42993-42999. doi:10.1074/jbc. M407734200
60. Rothenstein, D.; Claasen, B.; Omiecienski, B.; Lammel, P.; Bill, J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 12547-12556. doi:10.1021/ja302211w
61. Kuno, T.; Nonoyama, T.; Hirao, K.; Kato, K. Langmuir 2011, 27, 13154-13158. doi:10.1021/la202576v
62. Stöber, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Colloid Interface Sci. 1968, 26, 62-69. doi:10.1016/0021-9797(68)90272-5
63. Kim, Y. J.; Hwang, K. H.; Park, S.-J.; Jeon, D.-Y.; Nam, C.-H.; Kim, G.-T. J. Nanosci. Nanotechnol. 2013, 13, 6203-6207. doi:10.1166/jnn.2013.7683
64. Fowler, C. E.; Shenton, W.; Stubbs, G.; Mann, S. Adv. Mater. 2001, 13, 1266-1269. doi:10.1002/1521-4095(200108)13:16<1266::AID-ADMA1266>3.0.CO; 2-9
65. Rong, J.; Oberbeck, F.; Wang, X.; Li, X.; Oxsher, J.; Niu, Z.; Wang, Q. J. Mater. Chem. 2009, 19, 2841-2845. doi:10.1039/b901130g
66. Mueller, A.; Eber, F. J.; Azucena, C.; Petershans, A.; Bittner, A. M.; Gliemann, H.; Jeske, H.; Wege, C. ACS Nano 2011, 5, 4512-4520. doi:10.1021/nn103557s
67. Chen, X.; Gerasopoulos, K.; Guo, J.; Brown, A.; Ghodssi, R.; Culver, J. N.; Wang, C. Electrochim. Acta 2011, 56, 5210-5213. doi:10.1016/j.electacta.2011.03.037
68. Li, F.; Wang, Q. Small 2014, 10, 230-245. doi:10.1002/smll.201301393
69. Luckanagul, J.; Andrew Lee, L.; Nguyen, Q. L.; Sitasuwan, P.; Yang, X.; Shazly, T.; Wang, Q. Biomacromolecules 2012, 13, 3949-3958. doi:10.1021/bm301180c
70. Wu, Z.; Mueller, A.; Degenhard, S.; Ruff, S. E.; Geiger, F.; Bittner, A.; Wege, C.; Krill, C. E., III. ACS Nano 2010, 4, 4531-4538. doi:10.1021/nn100645e
71. Luckanagul, J. A.; Lee, L. A.; You, S.; Yang, X.; Wang, Q. J. Biomed. Mater. Res., Part A 2015, 103, 887-895. doi:10.1002/jbm.a.35227
72. Patwardhan, S. V.; Emami, F. S.; Berry, R. J.; Jones, S. E.; Naik, R. R.; Deschaume, O.; Heinz, H.; Perry, C. C. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6244-6256. doi:10.1021/ja211307u
73. Steinmetz, N. F.; Shah, S. N.; Barclay, J. E.; Rallapalli, G.; Lomonossoff, G. P.; Evans, D. J. Small 2009, 5, 813-816. doi:10.1002/smll.200801348
74. Gebauer, D.; Kellermeier, M.; Gale, J. D.; Bergström, L.; Cölfen, H. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 2348-2371. doi:10.1039/c3cs60451a
75. Almora-Barrios, N.; Austen, K. F.; de Leeuw, N. H. Langmuir 2009, 25, 5018-5025. doi:10.1021/la803842g
76. Geiger, F. C.; Eber, F. J.; Eiben, S.; Mueller, A.; Jeske, H.; Spatz, J. P.; Wege, C. Nanoscale 2013, 5, 3808-3816. doi:10.1039/c3nr33724c
77. Protein Calculator V3.4. http://protcalc.sourceforge.net (accessed May 27, 2015).
78. ImageJ software; 2011, http://imagej.nih.gov/ij/.
79. Hong, J. H.; Duncan, S. E.; Dietrich, A. M. Food Qual. Prefer. 2010, 21, 132-139. doi:10.1016/j.foodqual.2009.08.010
80. Hunter, R. J. Zeta potential in colloid science: principles and applications; Academic Press: London, United Kingdom, 1981.
81. Müller, R. H.; Hildebrand, G. E. Eds. Zetapotential und Partikelladung in der Laborpraxis: Einführung in die Theorie praktische Messdurchführung Dateninterpretation, Colloidal Drug Carriers - cdc -1st Expert Meeting, Berlin, Germany, June 15-17, 1995; Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft: Stuttgart, Germany, 1995.
82. Reed, J. S. Principles of ceramics processing, 2nd ed.; John Wiley & Sons, Inc.: New York, NY, U.S.A., 1995.
83. Niu, Z.; Kabisatpathy, S.; He, J.; Lee, L. A.; Rong, J.; Yang, L.; Sikha, G.; Popov, B.; Emrick, T.; Russell, T.; Wang, Q. Nano Res. 2009, 2, 474-483. doi:10.1007/s12274-009-9043-6
84. Bruckman, M. A.; Soto, C. M.; McDowell, H.; Liu, J. L.; Ratna, B. R.; Korpany, K. V.; Zahr, O. K.; Blum, A. S. ACS Nano 2011, 5, 1606-1616. doi:10.1021/nn1025719
85. Kadri, A.; Maiß, E.; Amsharov, N.; Bittner, A. M.; Balci, S.; Kern, K.; Jeske, H.; Wege, C. Virus Res. 2011, 157, 35-46. doi:10.1016/j.virusres.2011.01.014
86. Altunbas, A.; Sharma, N.; Lamm, M. S.; Yan, C. Q.; Nagarkar, R. P.; Schneider, J. P.; Pochan, D. J. ACS Nano 2010, 4, 181-188. doi:10.1021/nn901226h
87. Acar, H.; Garifullin, R.; Guler, M. O. Langmuir 2011, 27, 1079-1084. doi:10.1021/la104518g
88. Sumper, M.; Kröger, N. J. Mater. Chem. 2004, 14, 2059-2065. doi:10.1039/b401028k
89. Filner, B.; Marcus, A. Virology 1974, 61, 537-546. doi:10.1016/0042-6822(74)90288-8
90. Belu, A. M.; Graham, D. J.; Castner, D. G. Biomaterials 2003, 24, 3635-3653. doi:10.1016/S0142-9612(03)00159-5
91. Gooding, G. V.; Hebert, T. T. Phytopathology 1967, 57, 1285.
92. Bruckmann, M. A.; Steinmetz, N. F. Chemical Modification of the Inner and Outer Surfaces of Tobacco Mosaic Virus (TMV). In Virus hybrids as nanomaterials: methods and protocols; Lin, B.; Ratna, B., Eds.; Methods in Molecular Biology, Vol. 1108; Humana Press: New York, NY, U.S.A., 2014; pp 173-185. doi:10.1007/978-1-62703-751-8_13
93. Bruckman, M. A.; Jiang, K.; Simpson, E. J.; Randolph, L. N.; Luyt, L. G.; Yu, X.; Steinmetz, N. F. Nano Lett. 2014, 14, 1551-1558. doi:10.1021/nl404816m
94. Description of Plant Viruses. http://www.dpvweb.net/dpv/showdpv.php?dpvno=370 (accessed May 27, 2015).
95. Laemmli, U. K. Nature 1970, 227, 680-685. doi:10.1038/227680a0
96. Green, M. R.; Sambrook, J. Molecular cloning: a laboratory manual, 4th ed.; Cold Spring Harbor Laboratory Press: New York, NY, U.S.A., 2012.