Nanomaterials are good candidates for the design of novel components with biomedical applications. For example, nano-patterned substrates may be used to immobilize protein molecules in order to integrate them in biosensing units. Here, we perform long MD simulations (up to 200 ns) using an explicit solvent and physiological ion concentrations to characterize the adsorption of bovine serum albumin (BSA) onto a nano-patterned graphite substrate. We have studied the effect of the orientation and step size on the protein adsorption and final conformation. Our results show that the protein is stable, with small changes in the protein secondary structure that are confined to the contact area and reveal the influence of nano-structuring on the spontaneous adsorption, protein-surface binding energies, and protein mobility. Although van der Waals (vdW) interactions play a dominant role, our simulations reveal the important role played by the hydrophobic lipid-binding sites of the BSA molecule in the adsorption process. The complex structure of these sites, that incorporate residues with different hydrophobic character, and their flexibility are crucial to understand the influence of the ion concentration and protein orientation in the different steps of the adsorption process. Our study provides useful information for the molecular engineering of components that require the immobilization of biomolecules and the preservation of their biological activity.

1.
R. K.
Roy
and
K. L.
Lee
,
J. Biomed. Mater. Res., Part B
83B
,
72
(
2007
).
2.
A.
Grill
,
Diamond Relat. Mater.
12
,
166
(
2003
).
3.
H.
Liu
and
T. J.
Webster
,
Biomaterials
28
,
354
(
2007
).
4.
R.
Aoki
,
T.
Arakawa
,
N.
Misawa
,
R.
Tero
,
T.
Urisu
,
A.
Takeuchi
, and
T.
Ogino
,
Surf. Sci.
601
,
4915
(
2007
).
5.
P.
Roach
,
D.
Farrar
, and
C. C.
Perry
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
8168
(
2005
).
6.
M.
Rabe
,
D.
Verdes
, and
S.
Seeger
,
Adv. Colloid Interface Sci.
162
,
87
(
2011
).
7.
S.
Handschuh-Wang
,
T.
Wang
,
S. I.
Druzhinin
,
D.
Wesner
,
X.
Jiang
, and
H.
Schnherr
,
Langmuir
33
,
802
(
2017
).
8.
H.-Y.
Chen
,
D.
Han
,
Y.
Tian
,
R.
Shao
, and
S.
Wei
,
Chem. Phys.
430
,
13
(
2014
).
9.
M.
Hofmann
,
Y.-P.
Hsieh
,
A. L.
Hsu
, and
J.
Kong
,
Nanoscale
6
,
289
(
2014
).
10.
D. A.
Puleo
and
R.
Bizios
,
Biological Interactions on Materials Surfaces
(
Springer-Verlag
,
New York
,
2009
).
11.
A. P. A.
Raju
,
S. C.
Offerman
,
P.
Gorgojo
,
C.
Valles
,
E. V.
Bichenkova
,
H. S.
Aojula
,
A.
Vijayraghavan
,
R. J.
Young
,
K. S.
Novoselov
,
I. A.
Kinloch
, and
D. J.
Clarke
,
RSC Adv.
6
,
69551
(
2016
).
12.
J. I.
Paredes
and
S.
Villar-Rodil
,
Nanoscale
8
,
15389
(
2016
).
13.
A.
Alshammari
,
M. G.
Posner
,
A.
Upadhyay
,
F.
Marken
,
S.
Bagby
, and
A.
Ilie
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
21077
(
2016
).
14.
G. Y.
Chen
,
D. W.-P.
Pang
,
S.-M.
Hwang
,
H.-Y.
Tuan
, and
Y.-C.
Hu
,
Biomaterials
33
,
418
(
2012
).
15.
Z. M.
Markovic
,
L. M.
Harhaji-Trajkovic
,
B. M.
Todorovic-Markovic
,
D. P.
Kepic
,
K. M.
Arsikin
,
S. P.
Jovanovic
,
A. C.
Pantovic
,
M. D.
Dramicanin
, and
V. S.
Trajkovic
,
Biomaterials
32
,
1121
(
2011
).
16.
C.
Heo
,
J.
Yoo
,
S.
Lee
,
A.
Jo
,
S.
Jung
,
H.
Yoo
,
Y. H.
Lee
, and
M.
Suh
,
Biomaterials
32
,
19
(
2011
).
17.
Y.
Cai
,
H.
Li
,
B.
Du
,
M.
Yang
,
Y.
Li
,
D.
Wu
,
Y.
Zhao
,
Y.
Dai
, and
Q.
Wei
,
Biomaterials
32
,
2117
(
2011
).
18.
L.
Feng
,
Y.
Chen
,
J.
Ren
, and
X.
Qu
,
Biomaterials
32
,
2930
(
2011
).
19.
G.
Zhang
,
Computational Bioengineering
(
CRC Press
,
2015
), pp.
293
326
.
20.
J. G.
Vilhena
,
A. C.
Dumitru
,
E. T.
Herruzo
,
J. I.
Mendieta-Moreno
,
R.
Garcia
,
P. A.
Serena
, and
R.
Perez
,
Nanoscale
8
,
13463
(
2016
).
21.
G.
López-Polín
,
M.
Ortega
,
J.
Vilhena
,
I.
Alda
,
J.
Gomez-Herrero
,
P. A.
Serena
,
C.
Gomez-Navarro
, and
R.
Pérez
,
Carbon
116
,
670
(
2017
).
22.
G.
Raffaini
and
F.
Ganazzoli
,
Macromol. Biosci.
7
,
552
(
2007
).
23.
G.
Raffaini
and
F.
Ganazzoli
,
Langmuir
29
,
4883
(
2013
).
24.
G.
Raffaini
and
F.
Ganazzoli
,
Langmuir
26
,
5679
(
2010
).
25.
F.
Ganazzoli
and
G.
Raffaini
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
7
,
3651
(
2005
).
26.
G.
Raffaini
and
F.
Ganazzoli
,
Langmuir
19
,
3403
(
2003
).
27.
C.
Mücksch
and
H. M.
Urbassek
,
Chem. Phys. Lett.
510
,
252
(
2011
).
28.
C.
Mücksch
and
H. M.
Urbassek
,
PLoS One
8
,
e64883
(
2013
).
29.
D.
Horinek
,
A.
Serr
,
M.
Geisler
,
T.
Pirzer
,
U.
Slotta
,
S. Q.
Lud
,
J. A.
Garrido
,
T.
Scheibel
,
T.
Hugel
, and
R. R.
Netz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
2842
(
2008
).
30.
T.
Wei
,
M. A.
Carignano
, and
I.
Szleifer
,
Langmuir
27
,
12074
(
2011
).
31.
L.
Ou
,
Y.
Luo
, and
G.
Wei
,
J. Phys. Chem. B
115
,
9813
(
2011
).
32.
T.
Wei
,
M. A.
Carignano
, and
I.
Szleifer
,
J. Phys. Chem. B
116
,
10189
(
2012
).
33.
Y.
Allieu
,
M.
Winter
,
J. P.
Pequignot
, and
P.
de Mourgues
,
Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol.
16
,
1
(
2006
).
34.
L.
Zhen
,
H.
Mengyuan
,
X.
Dangdang
, and
L.
Zhihong
,
J. Photochem. Photobiol., C
18
,
1
(
2014
).
35.
Y.
Zhang
,
T. R.
Nayak
,
H.
Hong
, and
W.
Cai
,
Nanoscale
4
,
3833
(
2012
).
36.
F.
De Leo
,
A.
Magistrato
, and
D.
Bonifazi
,
Chem. Soc. Rev.
44
,
6916
(
2015
).
37.
S. F.
Oliveira
,
G.
Bisker
,
N. A.
Bakh
,
S. L.
Gibbs
,
M. P.
Landry
, and
M. S.
Strano
,
Carbon
95
,
767
(
2015
).
38.
H.
Shen
,
L.
Zhang
,
M.
Liu
, and
Z.
Zhang
,
Theranostics
2
,
283
(
2012
).
39.
D.
Carter
and
J. X.
Ho
,
Advances in Protein Chemistry
(
Academic Press
,
New York
,
1994
), Vol. 45, pp.
153
203
.
40.
A.
Bujacz
,
Acta Crystallogr., Sect. D: Biol. Crystallogr.
68
,
1278
(
2012
).
41.
E. L.
Gelamo
,
C. H. T. P.
Silva
,
H.
Imasato
, and
M.
Tabak
,
Biochim. Biophys. Acta, Protein Struct. Mol. Enzymol.
1594
,
84
(
2002
).
42.
C. F.
Wertz
and
M. M.
Santore
,
Langmuir
17
,
3006
(
2001
).
43.
B.
Langdon
,
M.
Kastantin
, and
D.
Schwartz
,
Biophys. J.
102
,
2625
(
2012
).
44.
B.
Sivaraman
and
R. A.
Latour
,
Langmuir
28
,
2745
(
2012
).
45.
J. G.
Vilhena
,
P.
Rubio-Pereda
,
P.
Vellosillo
,
P. A.
Serena
, and
R.
Pérez
,
Langmuir
32
,
1742
(
2016
).
46.
J.
Wang
,
R. M.
Wolf
,
J. W.
Caldwell
,
P. A.
Kollman
, and
D. A.
Case
,
J. Comput. Chem.
25
,
1157
(
2004
).
47.
J. P.
Brandt
,
T. W.
Patapoff
, and
S. R.
Aragon
,
Biophys. J.
99
,
905
(
2010
).
48.
J.-L.
Tsai
and
J.-F.
Tu
,
Mater. Des.
31
,
194
(
2010
).
49.
J. G.
Vilhena
,
C.
Pimentel
,
P.
Pedraz
,
F.
Luo
,
P. A.
Serena
,
C. M.
Pina
,
E.
Gnecco
, and
R.
Pérez
,
ACS Nano
10
,
4288
(
2016
).
50.
G.
Das
,
F.
Mecarini
,
F.
Gentile
,
F. D.
Angelis
,
H. M.
Kumar
,
P.
Candeloro
,
C.
Liberale
,
G.
Cuda
, and
E. D.
Fabrizio
,
Biosens. Bioelectron.
24
,
1693
(
2009
).
51.
M.
Arnold
,
M.
Schwieder
,
J.
Blummel
,
E. A.
Cavalcanti-Adam
,
M.
Lopez-Garcia
,
H.
Kessler
,
B.
Geiger
, and
J. P.
Spatz
,
Soft Matter
5
,
72
(
2009
).
52.
H. M.
Berman
,
J.
Westbrook
,
Z.
Feng
,
G.
Gilliland
,
T. N.
Bhat
,
H.
Weissig
,
I. N.
Shindyalov
, and
P. E.
Bourne
,
Nucleic Acids Res.
28
,
235
(
2000
).
53.
J. C.
Gordon
,
J. B.
Myers
,
T.
Folta
,
V.
Shoja
,
L. S.
Heath
, and
A.
Onufriev
,
Nucleic Acids Res.
33
,
W368
(
2005
).
54.
R.
Rhoades
and
D.
Bell
,
Medical Physiology: Principles for Clinical Medicine
(
Lippincott Williams & Wilkins
,
2012
).
55.
A.
Shkilnyy
,
P.
Proulx
,
J.
Sharp
,
M.
Lepage
, and
P.
Vermette
,
Colloids Surf., B
93
,
202
(
2012
).
56.
D. A.
Case
,
T. A.
Darden
,
T. E.
Cheatham
 III
,
C. L.
Simmerling
,
J.
Wang
,
R. E.
Duke
,
R.
Luo
,
R. C.
Walker
,
W.
Zhang
,
K. M.
Merz
,
B.
Roberts
,
S.
Hayik
,
A.
Roitberg
,
G.
Seabra
,
J.
Swails
,
A. W.
Götz
,
I.
Kolossváry
,
K. F.
Wong
,
F.
Paesani
,
J.
Vanicek
,
R. M.
Wolf
,
J.
Liu
,
X.
Wu
,
S. R.
Brozell
,
T.
Steinbrecher
,
H.
Gohlke
,
Q.
Cai
,
X.
Ye
,
J.
Wang
,
M.-J.
Hsieh
,
G.
Cui
,
D. R.
Roe
,
D. H.
Mathews
,
M. G.
Seetin
,
R.
Salomon-Ferrer
,
C.
Sagui
,
V.
Babin
,
T.
Luchko
,
S.
Gusarov
,
A.
Kovalenko
, and
P. A.
Kollman
, AMBER 12,
University of California, San Francisco, 2012
.
57.
R.
Salomon-Ferrer
,
A. W.
Gtz
,
D.
Poole
,
S.
Le Grand
, and
R. C.
Walker
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
3878
(
2013
).
58.
T. P.
King
,
Arch. Biochem. Biophys.
156
,
509
(
1973
).
59.
P.
Jost
and
O.
Griffith
,
Lipid-Protein Interactions
, Lipid-protein Interactions No. V. 1 (
Wiley
,
1982
).
60.
C.
Mücksch
and
H. M.
Urbassek
,
Langmuir
27
,
12938
(
2011
).
61.
Y.
Xie
,
J.
Zhou
, and
S.
Jiang
,
J. Chem. Phys.
132
,
065101
(
2010
).
62.
M.
Deighan
and
J.
Pfaendtner
,
Langmuir
29
,
7999
(
2013
).
63.
C.
Peng
,
J.
Liu
,
D.
Zhao
, and
J.
Zhou
,
Langmuir
30
,
11401
(
2014
).
64.
J.
Liu
,
C.
Liao
, and
J.
Zhou
,
Langmuir
29
,
11366
(
2013
).
65.
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
79
,
926
(
1983
).
66.
A. W.
Götz
,
M. J.
Williamson
,
D.
Xu
,
D.
Poole
,
S.
Le Grand
, and
R. C.
Walker
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
1542
(
2012
).
67.
D. R.
Roe
and
T. E.
Cheatham
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
3084
(
2013
).
68.
M. L.
Connolly
,
J. Appl. Crystallogr.
16
,
548
(
1983
).
69.
W.
Kabsch
and
C.
Sander
,
Biopolymers
22
,
2577
(
1983
).
70.
R. P.
Joosten
,
T. A. H.
te Beek
,
E.
Krieger
,
M. L.
Hekkelman
,
R. W. W.
Hooft
,
R.
Schneider
,
C.
Sander
, and
G.
Vriend
,
Nucleic Acids Res.
39
,
D411
(
2010
).
71.
A. R.
Leach
,
Molecular Modelling: Principles and Applications
(
Prentice Hall
,
Harlow, New York
,
2001
).
72.
C.
Ge
,
J.
Du
,
L.
Zhao
,
L.
Wang
,
Y.
Liu
,
D.
Li
,
Y.
Yang
,
R.
Zhou
,
Y.
Zhao
,
Z.
Chai
, and
C.
Chen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
16968
(
2011
).
73.
J.
Liu
,
C.
Peng
,
G.
Yu
, and
J.
Zhou
,
Langmuir
31
,
10751
(
2015
).
74.
C.
Peng
,
J.
Liu
,
Y.
Xie
, and
J.
Zhou
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
9979
(
2016
).
75.
O. D.
Monera
,
T. J.
Sereda
,
N. E.
Zhou
,
C. M.
Kay
, and
R. S.
Hodges
,
J. Pept. Sci.
1
,
319
(
1995
).
76.
J.
Rafiee
,
X.
Mi
,
H.
Gullapalli
,
A. V.
Thomas
,
F.
Yavari
,
Y.
Shi
,
P. M.
Ajayan
, and
N. A.
Koratkar
,
Nat. Mater.
11
,
217
(
2012
).
77.
Nat. Mater.
12,
865
(
2013
).
78.
M.
Munz
,
C. E.
Giusca
,
R. L.
Myers-Ward
,
D. K.
Gaskill
, and
O.
Kazakova
,
ACS Nano
9
,
8401
(
2015
).
79.
F.
Roosen-Runge
,
M.
Hennig
,
T.
Seydel
,
F.
Zhang
,
M. W.
Skoda
,
S.
Zorn
,
R. M.
Jacobs
,
M.
Maccarini
,
P.
Fouquet
, and
F.
Schreiber
,
Biochim. Biophys. Acta, Proteins Proteomics
1804
,
68
(
2010
).
80.
S.
Salgn
,
S.
Taka
, and
T. H.
Zdamar
,
J. Mem. Sci.
278
,
251
(
2006
).
81.
F.
Moreno
,
M.
Cortijo
, and
J.
González-Jiménez
,
Photochem. Photobiol.
69
,
8
(
1999
).
82.
Z.
Gu
,
Z.
Yang
,
L.
Wang
,
H.
Zhou
,
C. A.
Jimenez-Cruz
, and
R.
Zhou
,
Sci. Rep.
5
,
10873
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.