Controlling the self-assembly of amphiphiles using DNA G-quadruplexes Cozzoli, Liliana

Transcriptie

1 University of Groningen Controlling the self-assembly of amphiphiles using DNA G-quadruplexes Cozzoli, Liliana IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2018 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Cozzoli, L. (2018). Controlling the self-assembly of amphiphiles using DNA G-quadruplexes. [Groningen]: University of Groningen. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Appendices Samenvatting Acknowledgments

3 144

4 Samenvatting DNA wordt ook wel de blauwdruk van het leven genoemd vanwege zijn rol als de drager van genetische informatie in alle levende organismen. Naast zijn rol in de biologie is DNA een fascinerend molecuul door zijn unieke zelf-assemblerende vermogen. DNA heeft de meest voorspelbare en programmeerbare interacties van alle natuurlijke systemen. Door selectieve herkenning tussen complementaire nucleobasen vouwen twee antiparallelle DNA-ketens zich tot de bekende dubbele helix structuur. Dankzij deze eigenschappen is DNA een ideale basis voor de constructie van gefunctionaliseerde nanomaterialen met verschillende toepassingen. Het grootste voordeel van het gebruik van DNA als bouwsteen is de mogelijkheid om moleculen en materialen nauwkeurig te organiseren tot gedefinieerde structuren. Bovendien staan de eenvoud van de synthese en de mogelijkheid om een verscheidenheid aan chemische modificaties uit te voeren het introduceren van nieuwe assemblage eigenschappen in DNA toe. DNA dat herhalende patronen van nucleobasen bevat kan zelfassembleren tot verscheidene secundaire structuren die verschillen van de kanonieke dubbele helix configuratie Guanosine nucleosiden hebben in het bijzonder een unieke structuur die de interactie van vier residuen mogelijk maakt via Hoogsteen waterstofbruggen. De ontstane vlakke tetrameren (G-kwartetten) met gepolariseerde aromatische oppervlakken kunnen stapelen door middel van π- π interacties. Hierdoor wordt een G- quadruplex (G-4) gevormd. Deze structuren worden gestabiliseerd door monovalente kationen, zoals natrium of kalium ionen, en kunnen in een diversiteit aan topologieën schikken. De hiërarchische en voorspelbare zelfassemblage van DNA G-4en maken hen ideale basisstructuren voor de ontwikkeling van grotere supramoleculaire structuren. Het onderzoek beschreven in dit proefschrift had als doel het onderzoeken van het potentieel van op supramoleculaire zelfassemblage gebaseerde op G-4en. Een tetramoleculaire parallelle G-4 werd gebruikt 145

5 Appendices als basisstructuur voor de gecontroleerde organisatie van amfifiele moleculen zoals lipiden of peptiden. De door G-4en gevormde, goed georganiseerde structuren bieden het systeem om nauwkeurig de positionering van de moleculen te bepalen, terwijl de moleculaire herkenningseigenschappen behouden blijven. Deze eigenschappen bieden, samen met de mogelijkheid om conformationele verandering in de G-4 structuur te induceren met metaalionen, complementaire ketens of kleine moleculen, veel kansen voor de ontwikkeling van nieuwe functionele systemen die kunnen worden gecontroleerd met externe stimuli. De strategie in dit werk is gebaseerd op de covalente verbinding van G-rijke oligonucleotiden aan amfifiele moleculen, wat leidde tot de formatie van hybride structuren die nieuwe eigenschappen en functies hebben. Hoofdstuk 2 beschrijft de ontwikkeling van een nieuwe klasse op DNA gebaseerde surfactanten, gesynthetiseerd door de covalente modificatie van lipiden met G-rijke DNA-oligonucleotiden. Deze hybride moleculen vertoonden opmerkelijke zelfassemblage eigenschappen welke werden gedicteerd door de formatie van een G-4 structuur door de oligonucleotide eindgroepen van de surfactanten. Bestudering van de gevormde aggregaten bevestigde dat de G-4 structuren de zelfassemblage van de bevestigde lipiden in gedefinieerde structuren, zoals micellen, bewerkstelligden. Dit werd ondersteund door de verminderde stabiliteit van de micellen wanneer de G-4 complexen werden gestabiliseerd. De lipide-dna surfactant werd aangepast om een lading vrij te geven wanneer een complementaire DNA streng aanwezig was. De hybridisatie van de complementaire streng leidde tot de destabilisatie van de G-4 structuur en verstoring van de micellen. Het in dit hoofdstuk beschreven werk benadrukt het potentieel van op DNA G-4 gebaseerde supramoleculaire zelfassemblages en is de aanleiding voor de ontwikkeling van complexere op DNA-gebaseerde functionele systemen. In hoofdstuk 3 werd het eerder beschreven ontwerp van G-4 micellen gebruikt in combinatie met een moleculair aptameer baken (MAB) om selectief een lading vrij te geven in het bijzijn van een klein molecuul, 146

6 Samenvatting bijvoorbeeld ATP. De in dit systeem gebruikte strategie combineerde de specifieke binding van DNA aptameren aan hun doelmoleculen met de gecontroleerde zelfassemblage van DNA G-4 structuren. Het ATPbindende aptameer werd aangepast om een moleculair aptameer baken (MAB) te vormen, welke in staat was zijn structuur te veranderen als een ligand gebonden werd. De structurele verandering als gevold van de herkenning van ATP veroorzaakte vrijlating van de DNA streng welke benodigd is voor de hybridisatie met de DNA-eindgroepen van de micellen. Verscheidene strategieën voor de ontwikkeling van de MAB werden onderzocht en de verkregen structuren werden in combinatie met de G-4 micellen getest in studies naar het vrijlaten van lading. In dit systeem functioneerden de DNA G-4 micellen als sensoren om de binding van ATP aan MAB te detecteren. Het hele proces werd gedetecteerd door veranderingen in de efficiëntie van Förster Resonantie Energie Overdracht (FRET) van de geëncapsuleerde kleurstoffen. Het systeem vertoonde een selectieve reactie op ATP en een hoge efficiëntie onder geoptimaliseerde condities. In hoofdstuk 4 werd de DNA G-4 structuur gebruikt om de oligomerisatie van analogen van het porie-vormende peptide Alamethicine te bewerkstelligen. In het bijzijn van een lipide dubbellaag heeft het porie-vormende peptide een hoog dynamisch karakter en assembleert het tot poriën van verschillende groottes bestaand uit 3 tot 12 monomeren. De voorgestelde strategie omvatte conjugatie van het peptide aan de G-4 vormende oligonucleotiden om de associatie van monomeren aan te sturen. Er werd verwacht dat de assemblage van DNA tot tetramoleculaire parallelle G-4 structuren de formatie van tetrameer poriën zou bevorderen. Het systeem werd gekarakteriseerd en bestudeerd met enkelkanaals metingen. De verkregen resultaten lieten zien dat de G- 4 structuur een stabiliserende rol heeft in de aggregatie van het peptide doordat de G-4 hybride poriën vormen met een hogere stabiliteit in de open staat in vergelijking met de enkelstrengs DNA hybriden. Daarnaast werd het geleidend vermogen van de G-4 peptide hybriden geëvalueerd 147

7 Appendices in het bijzijn van complementaire oligonucleotiden die de ontbinding van de G-4 structuur en de formatie van een duplex bevorderden. De DNApeptide hybriden vertoonden verschillend gedrag voor en na de additie van de complementaire streng wat benadrukt dat de DNA oligonucleotide verschillende secundaire structuren vormt, specifiek een G-4 en een duplex structuur. Hoofdstuk 5 beschrijft het ontwerp, de synthese en de karakterisatie van door licht afsplitsbare amfifielen. Dit werk was gericht op de ontwikkeling van een alternatieve strategie voor het sturen van zelfassemblage van amfifielen door incorporatie van een met licht afsplitsbare groep in hun structuur. Deze aanpak werd toegepast op de twee structuren die in de vorige hoofdstukken bestudeerd werden: de DNA G-4 surfactanten en de analogen van het porie-vormende peptide Alamethicine. Concluderend laat het werk beschreven in dit proefschrift zien dat de DNA G-4 structuur een uitzonderlijke basisstructuur is voor het ontwerpen van responsieve supramoleculaire zelf-assemblage structuren. De verschillende functionele systemen en architecturen die in dit werk zijn ontwikkeld kunnen resulteren in nieuwe toepassingen die zullen bijdragen aan de ontwikkeling van het onderzoeksgebied van DNA nanotechnologie. 148

8 Acknowledgments Here I am, writing the last chapter of my thesis! I would like to thank all the people, who made this wonderful journey filled with beautiful memories. First, I would like to express my sincere gratitude to my supervisor, Prof. Gerard Roelfes. Dear Gerard, thanks for all your support during these years. I ve always been amazed by your positive attitude and constant optimism, even when some projects were not working well. I m a pessimist by nature but you always managed to encourage me and made me feel confident that I could make it work. Thanks for believing in me and for giving me this amazing opportunity! I would also like to thank my co-supervisor, Prof. Bert Poolman. Even if we didn t see each other as often, it was really nice to have a second supervisor that I could count on. I really enjoyed our membrane peptide meetings during the first years of my PhD. I had the opportunity to learn about a different field of research and to receive a lot of insightful suggestions from you and your team members. I would like to acknowledge the members of the assessment committee, Prof. Andreas Hermann, Prof. Martin Witte and Prof. Eugen Stulz, for proofreading my thesis and for their valuable comments. During my PhD I had the opportunity to collaborate with many people. In this regard, I would like to thank Dr. Marc Stuart for his contribution to the DNA G-quadruplex micelles project with the cryo-tem study. Thanks a lot for the time you spent explaining me how to read a cryo-tem picture and also for the help that you provided for the Nile-Red experiment and the determination of the CMC. I also would like to thank Prof. Giovanni Maglia and his team for teaching me the basics of single-channel recording. I ve really appreciated your 149

9 Appendices help with the interpretation of the results and your valuable suggestions, especially because this project was very challenging for me. Moreover, I would like to thank you for proofreading Chapter 4 and for your insightful comments. Dr. Arnold Boersma, thank you for the interesting discussions and suggestions during the membrane peptide meetings. You were the link between Gerard and Bert s group. I wish you all the best for your future career. I would also like to express my gratitude to the technical and administrative staff of the Stratingh Institute, especially Annette, Tineke, Marzia, Theodora, Monique, Johan, Alphons and Hilda for their support and help. Sambika and Cora, I could not think of anyone better than you two as my paranymphs. I m really happy you re going to be next to me on this memorable but also terrifying day. We shared so many incredible moments together and I know that even if we are going to be in different parts of the world in the future, our friendship will last. Sambi, you are like chocolate lava cake: it looks hard on the outside but it is soft and sweet on the inside. You don t show to everyone your sweet side, but I m glad I got to know how generous and sensitive you are. I know that I can always count on you and I hope you know that it is the same for you. I wish you all the best for your future, I m sure something amazing is waiting for you. Cora, my baby, you are always so full of energy and enthusiasm and you always have a reason for partying! Since the first moment I ve met you, I knew we would become good friends. You always see the good in everyone and you are liveliness is contagious. Thanks for all your hugs and the support you gave me whenever I needed it. I m going to miss you a lot but I ll always be there for you! Good luck for the last year of your PhD! A special thanks to the past and present member of the Roelfes group for the great working atmosphere. In particular I would like to thank the awesome girls of the group. We shared so many moments together and 150

10 Acnkowledgments this journey wouldn t have been the same without any of you. Thanks for the chats, coffees, ladies night and parties but mainly for all the fun and laughs. I m so happy that many of you are coming back to Groningen to celebrate with me this day! Lara, as we said so many time you did your second PhD in Groningen and I m glad we shared this time together. I share so many beautiful memories with you and we had a lot of fun! You are an amazing friend and I ve missed you a lot during the last year. Manu, your hard work and dedication were inspiring to me. Working in the Waterlab with you was fun! It was nice to share the frustrations of our projects and the complaints about Dutch weather and food! Ivana, your positive attitude is contagious. I m happy we became friends, even if you re terrible at choosing movies for our ladies nights. I m sure your going to have a great career as a scientist ahead of you and I promise I m going to visit you soon in Graz! Ana, you are so kind and sweet and a really good friend. I enjoyed the time in the lab with you and I m happy we got to see each other more often lately at Syncom. I wish you all the best for your new adventure! I m sure you are going to be a wonderful mother! Nathalie, it was great to have you in the group and it was always fun to party with you. All the best for your future career! Dowine, I was always impressed by your efficiency in the lab! You are also so hilarious and it was nice to share with you these years. Good luck with your defence! Sara, it was a pleasure to get to know you. You are always so enthusiastic and funny. I wish you the best for your future career! Annika, I will always remember the day we both started in the group. It was nice to have you around during these years! I wish you all the best for your PhD. From the Roelfes group I would also like to thank Ruben. Thank you for translating the summary of this thesis and for your help with other Dutch-related stuff. Your taste in music is questionable, but it was nice to share these years with you. Good luck with finishing your PhD and for the next step! Clemens thanks for your suggestions and for proofreading parts of the thesis but most importantly for preparing gluten-free goulash during your parties. I m sure your going to be a great Prof! I would also like to thank my student, Zeynep. Even if it was only for a short time, it was really nice 151

11 Appendices to have you as my student. I learned a lot from it and I hope you have also enjoyed the time in the group. Good luck for your future! I would also like to thank all the members from the Stratingh Institute and the biochemistry people for creating such an awesome working atmosphere. It was nice to get to know so many people and to share borrels and parties. A special thanks to Max (thanks for dressing up as G- quadruplex in your costume party), Nikola, Elvira, Mohamed, Raquel, Matt, Hemant, Milos, Jasna, Elisa, Cate, Misun, Friso, Linda, Simone, Juan Fer, Mamen, Boris, Ivana, Johnny, Pablo, Rik, Juani, Ravi, Varsha, Guille, Gael, Andreas, Babis, Xinkai, Emma, Andrea, Tao, Balint, Filippo. Thanks to the Italian community in Groningen: Tilde, Ciccio, Simone, Giulia, Francesca, Gabriele, Francesco, Silvia S., Patrizio, Michele, Marco, Giovanni, Davide, Claudia, Tiziana, Matteo, Isa. Un grazie va in particolare a Marco, Silvia e al piccolo Nicola. Grazie per avermi aiutato a rendere il mio giardino vivibile, per le svariate cene e serate insieme. Vi auguro il meglio per il futuro e ricordatevi che vi aspettiamo per una vacanza in Puglia! Inoltre un grazie speciale va alla mia famiglia e ai miei nonni. Sonia, non hai perso l abitudine di seguirmi dappertutto e alla fine mi hai seguita fino in Olanda. Sapere di averti vicina mi ha sicuramente fatto sentire meno lontana da casa! Mamma e papà, se sono arrivata fin qui lo devo principalmente a voi. Grazie per il continuo supporto e amore che mi trasmettete anche a migliaia di chilometri di distanza. E infine grazie a te, Francesco. Abbiamo cominciato insieme quest avventura e sono felicissima di poter condividere con te questo traguardo. Grazie per il supporto, l incoraggiamento ma soprattutto per la felicità che mi regali ogni giorno. Non vedo l ora di scoprire quello che la vita ci riserva! Liliana 152