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Nanoscale dipole dynamics of protein membranes studied by broadband dielectric microscopy

  • We investigate the nearfield dipole mobility of protein membranes in a wide frequency range from 3 kHz to 10 GHz. The results of our nanoscale dielectric images and spectra of bacteriorhodopsin (bR) reveal Debye relaxations with time constants of τ ∼ 2 ns and τ ∼ 100 ns being characteristic of the Dipole moments of the bR retinal and α-helices, respectively. However, the dipole mobility and therefore the protein biophysical function depend critically on the amount of surface water surrounding the protein, and the characteristic mobility in the secondary structure is only observed for humidity levels <30%. Our results have been achieved by adding the frequency as a second fundamental dimension to quantitative dielectric microscopy. The key elements for the success of this advanced technique are the employed heterodyne detection scheme, the broadband electrical signal source, a high frequency optimized cabling, development of calibration procedures and precise finite elementWe investigate the nearfield dipole mobility of protein membranes in a wide frequency range from 3 kHz to 10 GHz. The results of our nanoscale dielectric images and spectra of bacteriorhodopsin (bR) reveal Debye relaxations with time constants of τ ∼ 2 ns and τ ∼ 100 ns being characteristic of the Dipole moments of the bR retinal and α-helices, respectively. However, the dipole mobility and therefore the protein biophysical function depend critically on the amount of surface water surrounding the protein, and the characteristic mobility in the secondary structure is only observed for humidity levels <30%. Our results have been achieved by adding the frequency as a second fundamental dimension to quantitative dielectric microscopy. The key elements for the success of this advanced technique are the employed heterodyne detection scheme, the broadband electrical signal source, a high frequency optimized cabling, development of calibration procedures and precise finite element modelling. Our study demonstrates the exciting possibilities of broadband dielectric microscopy for the investigation of dynamic processes in cell bioelectricity at the individual molecular level. Furthermore, the technique may shed light on local dynamic processes in related materials science applications like semiconductor Research or nano-electronics.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:G. Gramse, Andreas Schönhals, F. Kienberger
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Nanoscale
Jahr der Erstveröffentlichung:2019
Organisationseinheit der BAM:6 Materialschutz und Oberflächentechnik
6 Materialschutz und Oberflächentechnik / 6.6 Nano-Tribologie und Nanostrukturierung von Oberflächen
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Royal Chemical Society
Jahrgang/Band:11
Ausgabe/Heft:10
Erste Seite:4303
Letzte Seite:4309
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Broadband dielectric microscopy
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Analytical Sciences
Analytical Sciences / Zerstörungsfreie Prüfung und Spektroskopie
Material / Nanoskalige Materialien und deren Eigenschaften
DOI:https://doi.org/10.1039/c8nr05880f
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-475230
URL:http://gateway.webofknowledge.com/gateway/Gateway.cgi?GWVersion=2&SrcAuth=Alerting&SrcApp=Alerting&DestApp=MEDLINE&DestLinkType=FullRecord&UT=MEDLINE:30778459
ISSN:2040-3372
Verfügbarkeit des Volltexts:Volltext-PDF für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:13.03.2019
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:13.03.2019
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM