Functional Nanomembranes for High-Resolution Electron Cryo-Microscopy of Biological Samples

• Applicants: Professor Dr. Andreas Terfort, since 9/2017; Professor Dr. Andrey Turchanin
• Subject Area: Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry ; Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis ; Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
• Term: from 2014 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 255210654

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Um die Strukturanalyse von Proteinen und anderen biologischen Nanostrukturen zu erleichtern, sollten in diesem Projekt neuartige Nanomembranen für die Kryo-Transmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) entwickelt werden. Durch den Einsatz biorepulsiver Materialien sollten insbesondere unerwünschte Absorptions- und Denaturierungsphänomene unterdrückt werden. Ursprünglich standen Kohlenstoffnanomembranen (carbon nanomembranes, CNM) als Trägermaterial im Fokus dieses Projekts, da sie ultradünn (1-2 nm) und trotzdem mechanisch sehr stabil sind. Im Laufe des Projekts wurden jedoch auch andere Strategien entwickelt, die sich teilweise aus neuen Beobachtungen ergaben: 1) Zur biorepulsiven Ausrüstung der CNMs wurden Polyglycerol (PG)-Schichten direkt aufgepfropft. Die in den PG-Schichten reichlich vorhandenen OH-Gruppen erlaubten anschließend die Funktionalisierung mit spezifischen Bindungsgruppen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Proteine mit His-Tag selektiv aus einer Mischung mit anderen Proteinen auf den Kryo-TEM-Netzen immobilisieren. 2) Bei dem Versuch, PG-Schichten durch Quervernetzung zu stabilisieren, wurden abhebbare Schichten erhalten, die direkt auf TEM-Netze übertragen werden können. Es wurde gefunden, dass je nach Grad der Quervernetzung entweder freitragende Filme erhalten wurden oder aber weniger stabile Filme, die über den Löchern der Netze aufreißen. Überraschenderweise haben sich letztere, die self-perforating hydrogel networks (SPHyNs) als besonders geeignet für die Kryo-TEM erwiesen, da in den Löchern besonders dünne Wasserfilme mit den jeweiligen Spezimen stabilisiert werden können. 3) Es gelang ebenfalls eine nicht-kovalente Funktionalisierung herkömmlicher Kohlenstofffilme mit Pyren-terminierten PG-Derivaten. Eine Netzwerkbildung in den Löchern wurde hier durch Kohlenstoff-Nanoröhren erreicht, die sich ebenfalls über diese Strategie beschichten lassen. Das vollständig biorepulsive, aber steife Hydrogel-funktionalisierten Netzwerk aus Kohlenstoffnanoröhren (hydrogel-functionalized carbon nanotube network, HyCaNet) leitet zusätzlich freiwerdende Ladungsträger ab, so dass die Elektronen-induzierte Bewegung der zu beobachtenden Partikel weiter reduziert werden konnte. 4) In einem vierten Teilprojekt wurden lateral strukturierte CNMs durch Laserablation der Precursor-SAMs erhalten, die für ähnliche Anwendungen eingesetzt werden sollen. Die IP für diese Materialien wurde in zwei Patenten gesichert und an einen namhaften Produzenten lizensiert.

Publications

• 2016, Functionalized nanomembrane, a method for preparation thereof and their use, WO2016120450A1, 04.08.2016
  A. Terfort, D. Rhinow, A. Turchanin
  
• Carbon Nanomembranes, Advanced Materials 2016, 28 6075-6103
  A. Turchanin, A. Gölzhäuser
  
• Graphene growth by conversion of aromatic self-assembled monolayers, Annalen der Physik 2017, 529, 1700168
  A. Turchanin
  
• Self-Perforated Hydrogel Nanomembranes Facilitate Structural Analysis of Proteins by Electron Cryo-Microscop, ACS Nano 2017, 11, 6467-6473
  J. Scherr, K. Parey, N. Klusch, B. J. Murphy, S. Balser, A. Neuhaus, V. Zickermann, W. Kühlbrandt, A. Terfort, D. Rhinow
  
• Method for preparing a cross-linked hydrogel nanomembrane, the cross-linked nanomembrane, TEM grid Comprising the same and use thereof, WO2018202837A1, 08.11.2018
  D. Rhinow, J. Scherr, A. Terfort
  
• Bottom-up synthesis of graphene monolayers with tunable crystallinity and porosity. ACS Nano 2019, 13, 7310-7322
  C. Neumann, D. Kaiser, M. J. Mohn, M. Füser, N.-E. Weber, O. Reimer, A. Gölzhäuser, T. Weimann, A. Terfort, U. Kaiser, A. Turchanin
  
• Freestanding carbon nanomembranes and graphene monolayers nanopatterned via EUV interference lithography, 2D Materials 2019, 6, 021002
  A. Winter, Y. Ekinci, A. Gölzhäuser, A. Turchanin
  
• Non-Covalent Functionalization of Carbon Substrates with Hydrogels Improves Structural Analysis of Vitrified Proteins by Electron Cryo-Microscopy, ACS Nano 2019, 13, 7185-7190
  J. Scherr, A. Neuhaus, K. Parey, N. Klusch, B. J. Murphy, V. Zickermann, W. Kühlbrandt, A. Terfort, D. Rhinow
  
• Electrochemical delamination assisted transfer of molecular nanosheets, Nanoscale (2020)
  Z. Tang, C. Neumann, A. Winter, A. Turchanin
  
• Optically triggered control of the charge carrier density in chemically functionalized graphene field effect transistors. Chemistry – A European Journal (2020)
  Z. Tang, A. George, A. Winter, D. Kaiser, C. Neumann, T. Weimann, A. Turchanin