Dokument: Synthese von Glykopolymeren zur Immobilisierung und Untersuchung der Bindung von Lektinen und Bakterien

Titel:	Synthese von Glykopolymeren zur Immobilisierung und Untersuchung der Bindung von Lektinen und Bakterien
Weiterer Titel:	Synthesis of glycopolymers for immobilization and study of binding of lectins and bacteria
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60388
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220822-112101-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Giesler, Markus [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 7,70 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.08.2022 / geändert 11.08.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Hartmann, Laura [Gutachter] PD Dr. Schaper, Klaus [Gutachter]
Stichwörter:	Glykopolymer, Makromolekulare Chemie, ConA, Lektin
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Im Rahmen dieser Arbeit wurden Glykopolymere synthetisiert, die sich zur Immobilisierung auf Oberflächen wie Goldchips und Silikapartikeln eignen. Die so erhaltenen glykofunktionalisierten Materialien wurden charakterisiert und hinsichtlich ihrer Bindung mit Lektinen und Bakterien untersucht. Hierzu erfolgte zunächst die Synthese von Glykomonomeren ausgehend von Mannose und Galaktose mit Acrylamid und Methacrylamid als polymerisierbare Einheiten. Anschließend wurden die erhaltenen Monomere mittels reversibler Additions-Fragmentierungs Kettenübertragungs-Polymerisation (RAFT-Polymerisation) umgesetzt und auf diese Weise eine Reihe von Glykopolymeren unterschiedlicher Kettenlänge synthetisiert. Durch diese Polymerisationstechnik wurden Glykopolymere erhalten, die an einem Kettenende eine Thiolgruppe und am anderen Ende eine Carboxylgruppe trugen. Mit Hilfe dieser funktionellen Gruppen konnten Glykopolymere auf unterschiedlichen Oberflächen immobilisiert werden. Die terminalen Thiole ermöglichten die Ausbildung selbstassemblierender Monoschichten auf Goldoberflächen, die für Oberflächenplasmonenresonanzstudien herangezogen wurden. Die durch Auftragung von Glykopolymeren erzeugten Glyko-Goldchips wurden auf ihre Affinität zu dem Modelllektin Concanavalin A (ConA) in Direktbindungs- und Inhibitions-Kompetitionsstudien untersucht. Besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Vergleich unterschiedlicher Kettenlängen sowie der gezielten Kombination lang- und kurzkettiger Glykopolymere mit entweder bindenden oder nicht-bindenden Zuckern. Zunächst wurden Direktbindungsstudien durchgeführt, in denen sich eine unterschiedliche Affinität von ConA abhängig von der Kettenlänge des auf der Goldoberfläche immobilisierten Glykopolymers zeigte. Auf der Goldoberfläche mit kurzkettigem Glykopolymer konnte ein apparenter Kd-Wert von 1.02 µmolar ermittelt werden und auf der mit langkettigem Glykopolymer ein Kd-Wert von 0.15 µmolar. ConA zeigte somit eine höhere Affinität gegen das langkettige Glykopolymer mit mehr Zuckereinheiten pro Polymerkette. Im Inhibierungs-Kompetitionsassay wurden die unterschiedlich langen Glykopolymere und α-Methylmannose als Inhibitoren gegen die zuvor dargestellten Glyko-Gold-Oberflächen eingesetzt. Dabei zeigte sich, dass die Glykopolymere ConA besser gegen beide immobilisierten Oberflächen inhibieren als α-Methylmannose. Dabei ist das kürzere Glykopolymere mit 26 Wiederholungseinheiten sowohl pro Molekül als auch pro Zuckereinheit ein besserer Inhibitor als das längere Glykopolymer mit 40 Wiederholungseinheiten. Das längere Glykopolymer zeigte jedoch als einziger Inhibitor eine vollständige Inhibierung von ConA gegen die mit längerem Glykopolymer funktionalisierte Goldoberfläche. Da es sich bei Goldoberflächen um stationäre feste Phasen handelt, ist eine Untersuchung funktionalisierter mobiler Phasen als Vergleichssystem interessant. In einem zweiten Teil der Arbeit wurden daher unterschiedliche Partikel mit Glykopolymeren funktionalisiert, welche von Kooperationspartnern am IPF Dresden zur Verfügung gestellt wurden. Bei diesen Partikeln handelte es sich im Speziellen um Silikapartikel, die teils vollständig Amine präsentierten und teils auf lediglich einer Seite Aminfunktionalitäten aufwiesen. Die Funktionalisierung der Partikel erfolgte durch die terminale Carboxylgruppe der Glykopolymere, sodass zwei Partikeltypen erhalten wurden: vollständig Glykopolymere-präsentierende Partikel und sogenannte Januspartikel mit halbseitiger Präsentation von Glykopolymeren auf der Partikeloberfläche. Anschließend wurden diese Glykopartikel mit Hilfe von Trübungsassays und Fluoreszenzmikroskopie auf ihre zuckervermittelte Bindung am Bakterium Escherichia Coli (E. Coli) untersucht. Durch Beobachtung und Vergleich der Aggregatbildung zwischen Partikeln und Bakterien zeigte sich, dass die generierten Januspartikel mit E. Coli abhängig von den auf den Partikeln präsentierten Glykopolymeren wechselwirken. Dabei bildeten Januspartikel mit Mannoseglykopolymeren größere Aggregate innerhalb kürzerer Zeitspannen aus als die Referenzpartikel, die ausschließlich freie Amine aufwiesen. Auch Januspartikel mit Galaktoseglykpolymeren zeigten eine deutlich reduzierte Aggregatbildungsgeschwindigkeit in Anwesenheit der Bakterien, sodass die beobachtete Interaktion der Partikel mit E. Coli auf spezifische Wechselwirkungen mit den Mannoseeinheiten zurückzuführen ist. Aufgrund einer inhomogenen Funktionalisierungsdichte der Glykopolymere auf den jeweiligen Partikeln müssen weiterführende Studien diese beobachteten Trends noch bestätigen, im Idealfall mit einer komplett glykosylierten Partikeloberfläche auf den untersuchten Partikeln. Insgesamt leistet die Arbeit einen Beitrag für das Verständnis von Glykopolymeren als Werkzeug zur Untersuchung der Wechselwirkungen von immobilisierten Glykopolymeren mit biologischen Systemen. Hierzu wurde eine leicht-modifizierbare Syntheseroute von Glykomonomeren entwickelt, mit deren Hilfe geringdisperse Glykopolymere synthetisiert werden können. Diese Glykopolymere können wiederum zur Funktionalisierung unterschiedlicher Oberflächen herangezogen werden. Die Untersuchungen mit Hilfe von Oberflächenplasmonenresonanz lassen einen komplexen Zusammenhang zwischen Inhibitoren und inhibierten Makromolekülen in Anwesenheit von Lektinen vermuten, welchem mit dem in dieser Arbeit entwickelten Versuchsaufbau weiter nachgegangen werden kann. Des Weiteren wurden in dieser Arbeit erstmalig Glykopolymere auf APS-basierte Januspartikel aufgetragen und ein Versuchsaufbau entwickelt, mit dessen Hilfe sich die Wechselwirkungen dieser Partikel mit Bakterien untersuchen lassen. In this work, glycopolymers suitable for immobilization on surfaces such as gold chips and silica particles were synthesized. The resulting glyco-functionalized materials were characterized and investigated with respect to their binding with lectins and bacteria. For this purpose, glycomonomers were first synthesized starting from mannose and galactose with acrylamide and methacrylamide as polymerizable units. Subsequently, the obtained monomers were reacted by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and a series of glycopolymers of different chain length were synthesized in this way. Glycopolymers bearing a thiol group at one chain end and a carboxyl group at the other end were obtained by this polymerization technique. With the help of these functional groups, glycopolymers could be immobilized on different surfaces. The terminal thiols enabled the formation of self-assembling monolayers on gold surfaces, which were used for surface plasmon resonance studies. The glyco-gold chips generated by application of glycopolymers were investigated for their affinity to the model lectin concanavalin A (ConA) in direct binding and inhibition-competition studies. Particular attention was paid to the comparison of different chain lengths and the specific combination of long and short chain glycopolymers with either binding or non-binding sugars. First, direct binding studies were performed, showing a different affinity of ConA depending on the chain length of the glycopolymer immobilized on the gold surface. On the gold surface with short-chain glycopolymer, an apparent Kd value of 1.02 µmolar could be determined, and on that with long-chain glycopolymer, a Kd value of 0.15 µmolar. ConA thus showed a higher affinity against the long-chain glycopolymer with more sugar units per polymer chain. In the inhibition-competition assay, the glycopolymers of different lengths and α-methylmannose were used as inhibitors against the glyco-gold surfaces presented previously. This showed that the glycopolymers inhibited ConA better against both immobilized surfaces than α-methylmannose. Here, the shorter glycopolymer with 26 repeat units is a better inhibitor both per molecule and per sugar unit than the longer glycopolymer with 40 repeat units. However, the longer glycopolymer was the only inhibitor that showed complete inhibition of ConA against the gold surface functionalized with longer glycopolymer. Since gold surfaces are stationary solid phases, an investigation of functionalized mobile phases is of interest as a comparative system. Therefore, in a second part of the work, different particles were functionalized with glycopolymers, which were provided by cooperation partners at IPF Dresden. In particular, these particles were silica particles, some of which presented complete amines and some of which had amine functionalities on only one side. The particles were functionalized by the terminal carboxyl group of the glycopolymers, so that two types of particles were obtained: fully glycopolymer-presenting particles and so-called Janus particles with half-sided presentation of glycopolymers on the particle surface. Subsequently, these glycoparticles were analyzed for their sugar-mediated binding to the bacterium Escherichia Coli (E. Coli) using turbidity assays and fluorescence microscopy. By observing and comparing the aggregate formation between particles and bacteria, it was found that the generated Janus particles interacted with E. Coli depending on the glycopolymers presented on the particles. In this regard, Janus particles with mannose glycopolymers formed larger aggregates within shorter time periods than the reference particles, which had only free amines. Janus particles with galactose glycopolymers also showed a significantly reduced aggregate formation rate in the presence of the bacteria, so that the observed interaction of the particles with E. coli can be attributed to specific interactions with the mannose units. Due to an inhomogeneous functionalization density of the glycopolymers on the respective particles, further studies still need to confirm these observed trends, ideally with a completely glycosylated particle surface on the investigated particles. Overall, the work contributes to the understanding of glycopolymers as a tool for studying the interactions of immobilized glycopolymers with biological systems. For this purpose, a readily modifiable synthetic route of glycomonomers was developed, which can be used to synthesize low-dispersity glycopolymers. These glycopolymers can in turn be used to functionalize different surfaces. Surface plasmon resonance studies suggest a complex relationship between inhibitors and inhibited macromolecules in the presence of lectins, which can be further investigated with the experimental setup developed in this work. Furthermore, glycopolymers were applied to APS-based Janus particles for the first time in this work and an experimental setup was developed to study the interactions of these particles with bacteria.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Dokument erstellt am:	22.08.2022
Dateien geändert am:	22.08.2022
Promotionsantrag am:	24.11.2021
Datum der Promotion:	06.05.2022