Measurement of Ion Channel Activity on Graphene Electrode

Abstract

Supported lipid bilayers on solid substrates have been extensively utilized to study the functions of membrane proteins. In the systems, robust and conductive substrates are required to monitor the electrochemical functions of the proteins in the supported lipid bilayers. Recently, a graphene sheet has drawn attention as a transparent and highly-conductive material compatible with biological systems. However, a graphene sheet has not been utilized to study the functions of ion channel proteins yet. Herein, we prepared lipid bilayer membranes on a pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester and poly-l-lysine (pyNHS/PLL) functionalized graphene sheet and utilized the graphene sheet as an electrode to study the activities of ion channels embedded in the membranes. The functionalized graphene sheet served as a robust substrate supporting lipid bilayer membranes. The high optical transmittance of the graphene sheet allowed us to observe the diffusion of lipid bilayer membranes via optical measurement. Furthermore, by employing the graphene sheet as an electrode, we could measure the impedance of the lipid bilayer membranes including ion channels via electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Thereby, we could study the activities of the ion channels incorporated in the lipid bilayer membranes. The hybrid structures of a graphene sheet and lipid bilayer membranes can be a versatile platform for various practical applications such as bio-sensing and drug screening.

단단한 기판 위의 지지 지질 이중층은 세포막 단백질의 기능을 연구하는데 광범위하게 사용되어왔다. 이 시스템에서는, 지지 지질 이중층에 있는 단백질 채널의 전기화학적인 기능을 관찰하기 위해 단단하고 전도성 있는 기판을 사용했다. 최근 연구에 따르면, 그래핀이 투명하고 전도성이 높은 물질로 생물시스템에서도 사용이 적합하다는 이유로 각광받고 있다. 그러나 아직 그래핀으로 이온단백질 기능의 연구가 진행된 적은 없다. 본 논문에서는 그래핀 위에 피렌뷰틸 산 N- 히드록시숙신이미드 에스테르(pyNHS)의 카르복실기와 폴리-L-라이신(PLL)의 아민기의 아미드 결합방법을 이용하여 지지 지질 이중층을 형성시켰고, 세포막에 끼워넣은 이온 채널의 기능과 움직임을 연구할 수 있도록 전극으로 그래핀이 사용되었다. 표면처리된 그래핀은 지지 지질 이중층을 지지하는 단단한 기판으로 이용되었다. 그래핀의 높은 광학투과율 덕분에 지지 지질 이중층의 지질입자의 확산과정을 광학현미경으로 관찰할 수 있었다. 게다가, 그래핀이 전극으로 사용됨으로써 이온 채널이 있는 지지 지질 이중층의 임피던스도 전기화학적 임피던스 분석기로 측정할 수 있었다. 따라서, 이 실험을 통해 우리는 지지 지질 이중층에 있는 이온 채널의 기능과 움직임을 연구할 수 있었다. 그래핀과 지지 지질 이중층의 결합구조는 바이오센싱이나 약물 검사와 같은 실질적인 검지에 적용할 수 있는 다용도 복합소자로 이용될 수 있다.