Abstract
Biological membranes composed of a lipid bilayer and associated proteins work as a platform for highly selective and sensitive detection in nature. Substrate-supported lipid bilayers (SLBs) are a model system of the biological membrane that are mechanically stable, accessible to highly sensitive analytical techniques, and amenable to micro-fabrication, such as patterning. The surface of SLBs can effectively suppress the non-specific binding of proteins, and enhance selective detection by specific interactions. These features render SLBs highly attractive for the development of devices that utilize artificially mimicked cellular functions. Furthermore, SLBs can be combined with nanoscopic spaces, such as nano-channels and nano-pores, that can reduce the detection volume and suppress the non-specific background noise, enhancing the signal-to-background noise (S/B) ratio. SLBs therefore provide promising platforms for a wide range of biomedical and environmental analyses.
Article PDF
Similar content being viewed by others
Avoid common mistakes on your manuscript.
References
S. J. Singer and G. L. Nicolson, Science, 1972, 175, 720.
K. Simons and D. Toomre, Nature Rev. Mol. Cell Biol., 2000, 1, 31.
G. Vereb, J. Szöllosi, J. Matkó, P. Nagy, T. Farkas, L. Vigh, L. Mátyus, T. A. Waldmann, and S. Damjanovich, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2003, 100, 8053.
A. Kusumi, T K. Fujiwara, R. Chadda, M. Xie, T. A. Tsunoyama, Z. Kalay, R. S. Kasai, and K. G. N. Suzuki, Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 2012, 28, 215.
D. Chapman, Langmuir, 1993, 9, 39.
D. J. Irvine, M. A. Purbhoo, M. Krogsgaard, and M. M. Davis, Nature, 2002, 419, 845.
T. Doan, A. Mendez, P. B. Detwiler, J. Chen, and F. Rieke, Science, 2006, 313, 530.
M. Edidin, Nature Rev. Mol. Cell Biol., 2003, 4, 414.
A. A. Brian and H. M. McConnell, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1984, 81, 6159.
L. K. Tamm and H. M. McConnell, Biophys. J., 1985, 47, 105.
E. Kalb, S. Frey, and L. K. Tamm, Biochim. Biophys. Acta, 1992, 1103, 307.
S. Lingler, I. Rubinstein, W. Knoll, and A. Offenhäusser, Langmuir, 1997, 13, 7085.
K. Tawa and K. Morigaki, Biophys. J., 2005, 89, 2750.
C. A. Keller and B. Kasemo, Biophys. J., 1998, 75, 1397.
R. P. Richter, R. Berat, and A. R. Brisson, Langmuir, 2006, 22, 3497.
B. A. Cornell, V. L. B. Braach-Maksvytis, L. G. King, P. D. J. Osman, B. Raguse, L. Wieczorek, and R. J. Pace, Nature, 1997, 387, 580.
J. T. Groves, N. Ulman, and S. G. Boxer, Science, 1997, 275, 651.
J. T. Groves and S. G. Boxer, Acc. Chem Res., 2002, 35, 149.
C. K. Yee, M. L. Amweg, and A. N. Parikh, Adv. Mater., 2004, 16, 1184.
S. Majd and M. Mayer, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 6697.
J. T. Groves, S. G. Boxer, and H. M. McConnell, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1997, 94, 13390.
M. R. Cheetham, J. P. Bramble, D. G. G. McMillan, R. J. Bushby, P. D. Olmsted, L. J. C. Jeuken, and S. D. Evans, Soft Matter, 2012, 8, 5459.
T. T. Nguyen and J. C. Conboy, Anal. Chem., 2011, 83, 5979.
D. Huang, T. Zhao, W. Xu, T. Yang, and P. S. Cremer, Anal. Chem., 2013, 85, 10240.
T. Yang, S. Jung, H. Mao, and P. S. Cremer, Anal. Chem., 2001, 73, 165.
J. J. Gooding and K. Gaus, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 11354.
D. Axelrod, J. Cell Biol., 1981, 89, 141.
T. Funatsu, Y. Harada, M. Tokunaga, K. Saito, and T. Yanagida, Nature, 1995, 374, 555.
H. Noji, R. Yasuda, M. Yoshida, and K. Kinoshita Jr., Nature, 1997, 386, 299.
M. J. Levene, J. Korlach, S. W. Turner, M. Foquet, H. G. Craighead, and W. W. Webb, Science, 2003, 299, 682.
J. Eid, A. Fehr, J. Gray, K. Luong, J. Lyle, G. Otto, P. Peluso, D. Rank, P. Baybayan, B. Bettman, A. Bibillo, K. Bjornson, B. Chaudhuri, F. Christians, R. Cicero, S. Clark, R. Dalal, A. deWinter, J. Dixon, M. Foquet, A. Gaertner, P. Hardenbol, Cheryl Heiner, K. Hester, D. Holden, G. Kearns, X. Kong, R. Kuse, Y. Lacroix, S. Lin, P. Lundquist, C. Ma, P. Marks, M. Maxham, D. Murphy, I. Park, T. Pham, M. Phillips, J. Roy, R. Sebra, G. Shen, Jon Sorenson, A. Tomaney, K. Travers, M. Trulson, J. Vieceli, J. Wegener, D. Wu, A. Yang, D. Zaccarin, P. Zhao, F. Zhong, J. Korlach, and S. Turner, Science, 2009, 323, 133.
M. Krishnan, I. Mönch, and P. Schwille, Nano Lett., 2007, 7, 1270.
P. Abgrall and N. T. Nguyen, Anal. Chem., 2008, 80, 2326.
K. Mawatari, Y. Kazoe, H. Shimizu, Y. Pihosh, and T. Kitamori, Anal. Chem., 2014, 86, 4068.
T. A. Dickinson, J. White, J. S. Kauer, and D. R. Walt, Nature, 1996, 382, 697.
Y. Rondelez, G. Tresset, K. V. Tabata, H. Arata, H. Fujita, S. Takeuchi, and H. Noji, Nat. Biotechnol., 2005, 23, 361.
D. M. Rissin, C. W. Kan, T. G. Campbell, S. C. Howes, D. R. Fournier, L. Song, T. Piech, P. P. Patel, L. Chang, A. J. Rivnak, E. P. Ferrell, J. D. Randall, G. K. Provuncher, D. R. Walt, and D. C. Duffy, Nat. Biotechnol., 2010, 28, 595.
S. H. Kim, S. Iwai, S. Araki, S. Sakakihara, R. Iino, and H. Noji, Lab Chip, 2012, 12, 4986.
J. J. Kasianowicz, E. Brandin, D. Branton, and D. W. Deamer, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1996, 93, 13770.
D. Branton, D. W. Deamer, A. Marziali, H. Bayley, S. A. Benner, T. Butler, M. D. Ventra, S. Garaj, A. Hibbs, X. Huang, S. B. Jovanovich, P. S. Krstic, S. Lindsay, X. S. Ling, C. H. Mastrangelo, A. Meller, J. S. Oliver, Y. V. Pershin, J. M. Ramsey, R. Riehn, G. V. Soni, V. Tabard- Cossa, M. Wanunu, M. Wiggin, and J. A. Schloss, Nat. Biotechnol., 2008, 26, 1146.
E. C. Yusko, J. M. Johnson, S. Majd, P. Prangkio, R. C. Rollings, J. Li, J. Yang, and M. Mayer, Nat. Nanotechnol., 2011, 6, 253.
E. C. Yusko, B. R. Bruhn, O. M. Eggenberger, J. Houghtaling, R. C. Rollings, N. C. Walsh, S. Nandivada, M. Pindrus, A. R. Hall, D. Sept, J. Li, D. S. Kalonia, and M. Mayer, Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 360.
S. Howorka, Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 619.
D. W. Lee, H.-L. Hsu, K. B. Bacon, and S. Daniel, PLoS One, 2016, 11, e0163437.
K. T. Samiee, J. M. Moran-Mirabal, Y. K. Cheung, and H. G. Craighead, Biophys. J., 2006, 90, 3288.
Y. Kazoe, K. Mawatari, L. Li, H. Emon, N. Miyawaki, H. Chinen, K. Morikawa, A. Yoshizaki, P. S. Dittrich, and T. Kitamori, J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 5756.
T. H. H. Le, H. Shimizu, and K. Morikawa, Micromachines, 2020, 11, 885.
K. Morigaki, T. Baumgart, A. Offenhäusser, and W. Knoll, Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 172.
K. Morigaki, K. Kiyosue, and T. Taguchi, Langmuir, 2004, 20, 7729.
K. Morigaki, K. Mizutani, M. S aito, T. Okazaki, Y. Nakajima, Y. Tatsu, and H. Imaishi, Langmuir, 2013, 29, 2722.
K. Ando, M. Tanabe, and K. Morigaki, Langmuir, 2016, 32, 7958.
M. Tanabe, K. Ando, R. Komatsu, and K. Morigaki, Small, 2018, 14, 1802804.
V. Subramaniam, G. D. D’Ambruoso, J. H. K. Hall, J. Ronald J. Wysocki, M. F. Brown, and S. S. Saavedra, Langmuir, 2008, 24, 11067.
A. Sumino, T. Dewa, T. Noji, Y. Nakano, N. Watanabe, R. Hildner, N. Bösch, J. r. Köhler, and M. Nango, J. Phys. Chem. B, 2013, 117, 10395.
Y. Tanimoto, K. Okada, F. Hayashi, and K. Morigaki, Biophys. J., 2015, 109, 2307.
M. J. Richards, C.-Y. Hsia, R. R. Singh, H. Haider, J. Kumpf, T. Kawate, and S. Daniel, Langmuir, 2016, 32, 2963.
A. Urbani, V. Giorgio, A. Carrer, C. Franchin, G. Arrigoni, C. Jiko, K. Abe, S. Maeda, K. Shinzawa-Itoh, J. F. M. Bogers, D. G. G. McMillan, C. Gerle, I. Szabò, and P. Bernardi, Nat. Commun., 2019, 10, 4341.
A. Luchini, F. G. Tidemand, N. T. Johansen, M. Campana, J. Sotres, M. Ploug, M. Cárdenas, and L. Arleth, Anal. Chem., 2019, 92, 1081.
A. Graneli, J. Rydstrom, B. Kasemo, and F. Höök, Langmuir, 2003, 19, 842.
M. Tanaka and E. Sackmann, Nature, 2005, 437, 656.
M. A. Deverall, E. Gindl, E. K. Sinner, H. Besir, J. Ruehe, M. J. Saxton, and C. A. Naumann, Biophys. J., 2005, 88, 1875.
E. A. Smith, J. W. Coym, S. M. Cowell, T. Tokimoto, V. J. Hruby, H. I. Yamamura, and M. J. Wirth, Langmuir, 2005, 21, 9644.
T. Nishimura, F. Tamura, S. Kobayashi, Y. Tanimoto, F. Hayashi, Y. Sudo, Y. Iwasaki, and K. Morigaki, Langmuir, 2017, 33, 5752.
R. Watanabe, N. Soga, D. Fujita, K. V. Tabata, L. Yamauchi, S. H. Kim, D. Asanuma, M. Kamiya, Y. Urano, H. Suga, and H. Noji, Nat. Commun., 2014, 5, 4519.
A. Mueller and D. F. O’Brien, Chem. Rev., 2002, 102, 727.
E. E. Ross, L. J. Rozanski, T. Spratt, S. Liu, D. F. O’Brien, and S. S. Saavedra, Langmuir, 2003, 19, 1752.
E. E. Ross, T. Spratt, S. Liu, L. J. Rozanski, D. F. O’Brien, and S. S. Saavedra, Langmuir, 2003, 19, 1766.
E. E. Ross, E. Mansfield, Y. Huang, and C. A. Aspinwall, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 16756.
B. A. Heitz, I. W. Jones, H. K. J. Hall, C. A. Aspinwall, and S. S. Saavedra, J. Am. Chem. Soc., 2009, 132, 7086.
S. May, M. Andreasson-Ochsner, Z. Fu, Y. X. Low, D. Tan, H.-P. M. d. Hoog, S. Ritz, M. Nallani, and E.-K. Sinner, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 749.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Morigaki, K. Substrate-supported Model Membrane as a Versatile Analytical/Biosensing Platform. ANAL. SCI. 37, 683–689 (2021). https://doi.org/10.2116/analsci.20SCR10
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.2116/analsci.20SCR10