Bio-organic hybrids of DNA, peptides and surfactants: from liquid crystals to molecular sleds Zhang, Lei

Transcriptie

1 University of Groningen Bio-organic hybrids of DNA, peptides and surfactants: from liquid crystals to molecular sleds Zhang, Lei 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: 2017 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Zhang, L. (2017). Bio-organic hybrids of DNA, peptides and surfactants: from liquid crystals to molecular sleds [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 Samenvatting Biomacromoleculen, waaronder DNA, eiwitten of zelfs grotere structuren zoals virussen bestaande uit deze bouwstenen, kunnen worden gecomplexeerd met oppervlakteactieve stoffen om oplosmiddel-vrije biologische vloeistoffen te vormen. De drijvende kracht om beide tegengesteld geladen entiteiten te verbinden zijn elektrostatische interacties. De verkregen hybriden bevatten zeer hoge concentraties van structureel en functioneel intacte biomacromoleculen en tonen nieuwe eigenschappen welke sterk verschillen van de twee afzonderlijke componenten. Hun toepassingen kunnen worden uitgebreid tot technologieën welke onverenigbaar zijn met oplosmiddel systemen. Voorbeelden zijn katalyse bij temperaturen boven het kookpunt van water of de vervaardiging van elektronische apparaten waarbij water vaak nadelig is voor de prestaties van het apparaat. In dit proefschrift werden dergelijke elektrostatisch gestabiliseerde oplosmiddel systemen verder ontwikkeld. Enerzijds werd een oppervlakte-actief systeem ingevoerd welke een verlengd aromatisch π-systeem bevatte. In eerdere werk werden eenvoudigere oppervlakte-actieve structuren geïntroduceerd in dergelijke oplosmiddel systemen. De keuze van de oppervlakte-actieve stof verandert aanzienlijk de fysische eigenschappen van de resulterende polypeptiden-gebaseerde materialen. Het kan worden aangetoond dat zelfs kleine afschuifkrachten leiden tot een blijvende faseverandering. Anderzijds, de aromatische groepen welke deel uitmaken van de oppervlakteactieve stof laten de constructie van lichtgevoelig materiaal toe, vooral door opname van een schakelbare azobenzeen eenheid. In deze context werden licht-geïnduceerde mechanische veranderingen in dunne films uit DNA gebaseerde thermotrope vloeibare kristallen gerealiseerd. Een ander voorbeeld waarbij elektrostatische hechting zeer belangrijk is voor het ontwikkelen van dynamische functionele systemen zijn DNA-eiwit interacties in de natuur. Een opmerkelijk voorbeeld is pvic, een 11-aminozuur peptide welke in staat is om te diffunderen langs dubbelstrengs DNA. In de natuur is een-dimensionale diffusie langs nucleïnezuren van belang om de splitsing van eiwitten op DNA door de schuivende protease te versnellen. Deze splitsing is een belangrijke stap tijdens virus ontwikkeling. Geïnspireerd door de natuurlijke functionaliteit kan dit concept gebruikt worden om een bredere klasse van processen met algemene laboratorium reacties te versnellen. In hoofdstuk 1 werden oplosmiddelvrije nucleïnezuren, eiwitten en virus vloeistoffen verkregen door deze componenten met oppervlakte-actieve stoffen te complexeren om intermoleculaire krachten tussen dezen te overwinnen beoordeeld. Faseovergang temperaturen van deze biologische vloeistoffen kunnen worden afgestemd door de alkylketen lengte van de oppervlakte-actieve 144

3 stoffen te veranderen. Daarnaast zijn ze thermisch stabiel en kunnen bestaan in de afwezigheid van oplosmiddelen, wat de mogelijkheid biedt voor de vervaardiging van biomateriaal-gebaseerde Geïnspireerd door de bestaande bio-vloeistoffen gevormd door middel van elektrostatische complexatie, beschreven we in hoofdstuk 2 een bio-hydrogel welke mogelijk werd gemaakt door een reeks van negatief supergeladen ongevouwen polypeptiden (SUPs) te complexeren met kationische oppervlakte-actieve stoffen welke een azobenzeen eenheid (AZO) bevatte. Onder toepassing van afschuifkrachten vond een isotherme fase-overgang plaats van wanordelijke isotrope hydrogel naar een geordende nematische lyotrope vloeibaar kristal. Door de π-π interacties tussen aangrenzende oppervlakte-actieve AZO stoffen in de SUP-AZO complexen, kan de geïnduceerde nematische structuur worden behouden. Het faseovergang gedrag werd verder onderzocht door toepassing van oscillerende afschuiving op SUP-AZO vloeistoffen. De resultaten toonden aan dat de E144-AZO vloeistof, welke het langste polypeptide ruggengraat bevatte, een snellere faseovergang van isotrope naar nematische fase vertoonde dan E72- en E36-AZO materialen. Het molecuulgewicht en ladingsdichtheid van SUPs spelen een belangrijke rol in het reguleren van het zelfordenings gedrag. Daarnaast werden andere mechanische stimuli bestudeerd, zoals vloeistofstroming en vinger drukkrachten. Met een debiet van 40 ml/s verscheen een georiënteerde vloeibare kristalstructuur. De dubbele breking patronen geïnduceerd door te drukken met de vingertoppen kwamen goed overeen met verschillende typen vingerafdruk technieken. Vloeibare kristallen geïnduceerde dubbelle breking is een uitstekend uitlezings signaal voor potentiële toekomstige individuele identificatie. In hoofdstuk 3 hebben we een nieuwe vertakte kationische oppervlakte-actieve stof gesynthetiseerd welke ook een azobenzeen groep bevatte. De zuivere oppervlakte-actieve stof toonde een lamellaire vloeibare kristal structuur van -5 tot 50 C. Bij ultraviolet licht (UV) bestraling, veranderde de laagafstand van twee isomeren (cis en trans) van 3,82 nm (trans) naar 3,43 nm (cis). Na complexering met dubbelstrengs (ds) en enkelstrengs (ss) DNA en dehydratie werd een nieuwe mesofase van DNA thermotrope vloeibare kristal (TLC) verkregen. Terwijl voorheen alleen smectische lagen werden gerapporteerd, hebben we hier met succes nematische textures gerealiseerd. Deze mesofase is aanwezig in een temperatuurbereik van -7 tot 110 C en bevat slechts 3~5 % water. Na dehydratatie, werd de dubbelstrengs configuratie van DNA verkregen in de nematische TLCs zoals bewezen door SAXS metingen. DNA-AZO complexen vertoonden hogere elastische moduli dan de zuivere AZO oppervlakte-actieve stof, en wegens de stijfheid van DNA, werden de elastische viscositeit en de prestaties van DNA-AZO TLC materialen aanzienlijk 145

4 verbeterd in vergelijking met de oorspronkelijke oppervlakte-actieve stof. Op basis van de conformationele verandering van trans naar cis in de azobenzeen groep onder UV-bestraling, werd het mechanische fotogevoelige gedrag van DNA TLC materialen onderzocht. Het werd bevonden dat de stijfheid van dsdna-azo architecturen succesvol gemanipuleerd konden worden met licht als de stimulus. Naast de biomacromolecule LC-gebaseerde systemen in hoofdstukken 2 en 3, werd de focus in hoofdstuk 4 verschoven naar het gebruik van de moleculaire peptide slee, pvic. Alexander Turkin en Antoine M. van Oijen voorzagen van een proof-of-principle waarin de associatie tussen biotine en streptavidine kon worden versneld door het gebruik van de pvic peptide, welke eendimensionale diffusie onderging langs DNA. Deze reactie wordt algemeen gebruikt als een veelzijdige conjugatie strategie, maar vereist echter geen snelheids verhoging. We verlengden het concept om de driedimensionale zoek van supramoleculaire reactanten naar een enkele dimensie voor relevante biotechnologisch technieken te verminderen, dat wil zeggen de polymerase-kettingreactie (PCR). Daarvoor werd een set van primers aan hun 5'-uiteinde gekoppeld aan de schuivende peptide en werden gebruikt voor het versnellen van het PCR-experiment, in het bijzonder voor de primertemplaat hechting in dit drie-stappen proces. De smelttemperaturen van de gemodificeerde primers waren identiek in vergelijking met de ongemodificeerde primers. In dit hoofdstuk werden twee paren primers en twee lengtes van DNA templaten onderzocht en de resultaten toonden aan dat de PCR-reactietijd kan worden verkort met 15~27 % met behulp van moleculaire slee gefunctionaliseerde primers. Deze verbetering kan worden toegeschreven aan de vermindering van de dimensionale zoektocht welke primers maken om te hybridiseren aan hun complementaire doelsequentie van het DNA templaat, wat dus leidt tot een versnelling van de PCR procedure. In hoofdstuk 5 pasten we dit 1D-diffusie mechanisme toe om de vorming van covalente chemische bindingen te versnellen en om de efficiëntie van DNA lichtsplitsing te verbeteren. Om de snelheid van een chemische reactie te verhogen, werd gekozen voor een model waarbij een nucleofiele substitutie van een sulfhydrylgroep op één slee molecuul vervangen werd voor een bromide atoom op een andere slee. In de aanwezigheid van DNA kan de initiële reactiesnelheid tot 17,9-voudig verhoogt worden door de substraten diffusie-dimensionaliteit te verlagen van drie naar een in vergelijking met de reactie zonder DNA. Bovendien toonden de resultaten het potentieel van chirale inductie binnen 1D-reactiesystemen. Verder hebben wij het slee molecuul pvic aan de fotosensibilisator verteporfin (VP) gekoppeld om DNA onder invloed van licht te splitsen. Na 30 min bestraling werd er een zichtbare DNA-banden verkregen op een agarose gel wanneer de 146

5 concentratie van het VP-pVIc conjugaat verhoogd werd tot 5 um, terwijl er nog 90% DNA over was na een reactie met pure verteporfin. Dit kan worden toegeschreven aan de 1D diffusie van pvic langs DNA om de geproduceerde reactieve zuurstofspecies (ROS) in de nabijheid van DNA te concentreren. Deze strategie biedt een manier om de beperking van de levensduur en de actieve straal van ROS te overkomen. In de toekomst zouden vergelijkbare fotosensitizer conjugaten de behandelingstechnieken van fotodynamische therapie kunnen verbeteren. 147