Dokument: Switchable biological ligand systems: investigation of adhesion and inhibition by multivalent polymer materials
| Titel: | Switchable biological ligand systems: investigation of adhesion and inhibition by multivalent polymer materials | |||||||
| Weiterer Titel: | Schaltbare biologische Ligandensysteme: Untersuchung der Adhäsion und Inhibition durch multivalente Polymermaterialien | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60492 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20220824-111038-4 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Wilms, Dimitri [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Jun.-Prof. Dr. Stephan Schmidt [Gutachter] Prof. Dr. Karg, Matthias [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Die Adhäsion von Zellen und Mikroorganismen hängt grundlegend von Kohlenhydrat-Rezeptor-Wechselwirkungen ab. Beispiele, bei denen solche Bindungen eine wichtige Rolle spielen, sind die Zell-Zell-Kommunikation, die Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium oder Infektionen durch Pathogene, wie Bakterien oder Viren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung solcher Wechselwirkungen unter kontrollierten Bedingungen, um die Entwicklung künftiger Verbindungen zu unterstützen, die antiadhäsive und antibiotische Wirkungen haben könnten. Um die Zusammensetzung biologischer Oberflächen zu imitieren, muss ein geeignetes Gerüst gewählt werden, welches Anpassungen in Bezug auf Multivalenz, physikalisches und chemisches Verhalten ermöglicht. In dieser Arbeit werden Mikrogele verwendet, da sie sich als sehr vielseitig einsetzbar erwiesen haben. Die aus intelligenten polymeren Materialien synthetisierten Kolloide werden mit Kohlenhydraten oder Proteinen als gängigen biologischen Motiven kombiniert. Die daraus resultierenden schaltbaren und bio-konjugierten Mikrogele sind ein hervorragendes Instrument zur Untersuchung der Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen mit zusätzlicher Möglichkeit zur externen Schaltbarkeit. Die Synthese, Funktionalisierung und Immobilisierung ist einfach und die Eigenschaften können angepasst werden, um alle Anforderungen zu erfüllen, und ermöglichen eine einfache Fernsteuerung durch Änderung der Temperatur oder des pH-Werts des Lösungsmittels. Darüber hinaus kommen die physikalischen Eigenschaften der Mikrogelpartikel vielen biologischen Gel-ähnlichen Äquivalenten sehr nahe, was den hohen Wassergehalt und die Elastizität betrifft, was das System für biomimetische Anwendungen qualifiziert. Da die Interaktionen zwischen Zellen oder Mikroorganismen eine komplexe Überlagerung mehrerer Prozesse darstellen, ist es eine Herausforderung, in-vivo-Studien mit Mikroorganismen durchzuführen. Daher eröffnet die umfassende Kontrolle von Funktionalisierung, Größe, Elastizität und Schaltbarkeit eine Möglichkeit, biologische Interaktionen auf zellulärer Ebene nachzuahmen und zu untersuchen und die Ergebnisse auf industrielle oder medizinische Anwendungen zu übertragen.
In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie Kohlenhydratliganden mit Lektinen interagieren und wie unspezifische Wechselwirkungen und Eigenschaften des Gerüsts die Bindung beeinflussen können. Zunächst wird die Adhäsion von E. coli an eine mit Mannose funktionalisierte Mikrogel-Monolage mittels Einzelzell-Kraftspektroskopie (SCFS) quantifiziert. Ziel dieser Arbeit ist es, die Fähigkeit von kohlenhydratpräsentierenden schaltbaren Mikrogelen zu untersuchen, spezifische Bakterien zu binden, die durch einen „Stimulus“ gesteuert werden. In diesem Fall ist der Stimulus eine Temperaturänderung, da bei Überschreiten der Volumen-Phasen-Übergangstemperatur (VPTT) des Mikrogels das Polymer eine Änderung der Löslichkeit von hydrophil zu hydrophob erfährt. Dies führt zu einem Kollaps der einzelnen Partikel, der mit einer drastischen Verringerung von Volumen und Oberfläche einhergeht. Dieser Prozess wird genutzt, um die Mannosedichte zu steuern, da die Liganden im gequollenen Zustand weiter auseinander und im kollabierten Zustand eng beieinander liegen, was die Avidität verändert. Für die Messungen wurde ein einzelnes E.coli Bakterium an eine Glaskugel an der Spitze eines AFM-Cantilevers angebracht. Die Fixierung des Bakteriums erfolgte mit Poly-Dopamin, einem nicht-invasiven Adhäsiv, um die Lebensfähigkeit während der Experimente zu gewährleisten. Die immobilisierten E.coli werden gegen eine Monoschicht aus mit Mannose funktionalisiertem poly(N-Isopropylacrylamid) (pNIPAM) und poly(OEGMA-co-MEO2MA) (pOEGMA) Mikrogelen gepresst, die im „drop-casting“ Vefahren auf eine harte Oberfläche aufgebracht werden. Mit diesem Ansatz lassen sich mehrere adhäsionsspezifische Werte wie Adhäsionskraft, -energie und -arbeit ermitteln. Bei den Experimenten zeigten Mikrogele mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in Bezug auf Monomer und Vernetzer eine große Variabilität in Bezug auf das Potenzial für eine schaltbare Bindung, weshalb im nächsten Artikel die strukturellen Eigenschaften dieser Art von Mikrogelen untersucht wurden. Es ist bekannt, dass Menge und Art des Vernetzers die elastischen Eigenschaften von Mikrogelen verändern, was wiederum die Adhäsion von Zellen und Organismen beeinflusst. Um die Mikrogelsysteme genauer zu charakterisieren, wurde ein hochauflösendes AFM Force Mapping in Lösung durchgeführt. Eine Verringerung des Vernetzergehalts führt zu einer geringeren Steifigkeit und einem höheren Quellungsgrad und damit zu einer stärkeren Auswirkung auf die Adhäsion beim Volumenphasenübergang. Daher untersuchten wir die räumliche Verteilung des Elastizitätsmoduls von pNIPAM- und pOEGMA-Mikrogelen in Gegenwart und Abwesenheit von bifunktionellem Vernetzer. Die Mikrogele wurden auf Glas immobilisiert und in Wasser getaucht, bevor hochauflösende Kraftkurvenraster bei 25 °C aufgenommen wurden. Die Verteilung des Polymers in einem einzelnen Partikel sowie der Elastizitätsmodul sind wichtige Faktoren für die Fähigkeit der Mikrogele, Krankheitserreger zu binden und freizusetzen. Der letzte Teil konzentriert sich auf die Untersuchung der Bindung von E.coli-Bakterien durch ultraniedrig vernetzte, kohlenhydratpräsentierende Mikrogele in Lösung mit dem Ziel eines schonenden, durch eine Temperaturänderung gesteuerten Einfangen und einer Freisetzung. Ziel ist es, das Lösungsmittel durch Ausnutzung der natürlichen Bindung in einem nicht-bakteriziden Ansatz zu reinigen. Dies wiederum verhindert eine evolutionäre Reaktion zur Entwicklung von Resistenzen, die in einer Linie von multiresistenten Keimen resultiert. Mikrogele, die ohne bifunktionellen Vernetzer synthetisiert wurden, zeigen das niedrigste Elastizitätsmodul, eine relativ glatte Oberflächenstruktur bei Raumtemperatur und insgesamt das größte Potenzial für das kontrollierte Einfangen und Freisetzen von Mannose bindenden Bakterien. Für die Experimente werden daher E.coli-Bakterien entweder mit mannosfunktionalisierten, ultraniedrig vernetzten p(NIPAM)- oder p(OEGMA)-Mikrogelen gemischt und bei 37 °C inkubiert. Nachdem sich sichtbare Cluster gebildet haben, wird die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt, bis die Auflösung der Cluster abgeschlossen ist. Zusätzlich wird die Bildung und Auflösung von Clustern während des Erhitzens und Abkühlens mit dem Lichtmikroskop verfolgt.Adhesion of cells and microorganisms is fundamentally dependent on carbohydrate-receptor interactions. Examples where such bonds play a major role are cell-cell communications, fertilization or infections by pathogenic bacteria. The focus of this work is the study of such interactions in a controlled manner to support development of future compounds which might antiadhesive and antibiotic effects. To mimic the composition of biological membranes a fitting scaffold must be chosen to allow adjustments in multivalency, physical and chemical behavior. In this work microgels are used as they have proven to have a great versatility and tunability. Synthesized from smart polymeric materials the colloids are combined with carbohydrates or proteins as common biological motifs. The resulting responsive and bio-conjugated microgels represent a great tool for investigation of ligand-receptor interaction with additional possibility for external control. Synthesis, functionalization and deposition, is straight forward and adjustments of properties can be made in order to obtain all necessary properties and allows for easy remote control through changes in temperature or pH of the solvent. Additionally, the physical properties of microgel particles are very close to many biological gel-like equivalents in terms of high water content and softness qualifying the system for biomimetic application. As interactions between cells or microorganisms are a complex overlay of several processes, it is challenging to perform in-vivo studies with microorganisms. Therefore, the extensive control of functionalization, size, stiffness and responsivity opens up a possible way to mimic and study biological interactions on a cellular level and transfer the results to industrial or medicinal applications. This work aims to investigate how carbohydrate ligands interact with lectins and how non-specific interactions and properties of the scaffold can influence binding. First, the adhesion of E.coli to a mannose functionalized microgel monolayer is quantified via single-cell force spectroscopy (SCFS). The aim of this work is to investigate the ability of carbohydrate-presenting responsive microgels to bind specific bacteria controlled by a remote trigger. In this case the trigger is temperature change as upon exceeding the microgels volume phase transition temperature (VPTT) the polymer undergoes a change in solubility from hydrophilic to hydrophobic. This results in a collapse of the individual particles accompanied by a drastic reduction of volume and surface area. This process is used to change the mannose density as the ligands are distributed further apart in the swollen state and close together in the collapsed state changing the avidity. For the measurements a single E.coli bacteria was attached to a glass bead on the tip of a AFM cantilever. The fixation of the bacteria was done via poly-dopamine, a non-invasive wet adhesive, to ensure viability over the course of the experiments. The immobilized E.coli is pressed against a monolayer of mannose functionalized poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) and poly(OEGMA-co-MEO2MA) (pOEGMA) microgels, which are deposited on a hard surface via drop-casting. This approach yields several adhesion specific values such as adhesion force, energy and work. Throughout the experiments, microgels with different compositions in regards to monomer and crosslinker showed great variability in potential for switchable binding, therefore in the next article the structural properties of this type of microgels were investigated. It is well known, that crosslinker amount and type changes elastic properties of microgels which in turn affect adhesion of cells and organisms. To characterize our microgel systems in greater detail we implemented high resolution force mapping in solution. Reducing the crosslinker content leads to decreased stiffness and an increased swelling degree and thus a higher impact on adhesion upon volume phase transition. Therefore, we studied the spatial elastic modulus distribution of pNIPAM and pOEGMA microgels in presence and absence of bifunctional crosslinker. The microgels were deposited on glass and immersed in water prior to recording high resolution maps at 25 °C. The distribution of polymer in a single particle as well as the elastic modulus are important factors for the microgels ability to bind and release pathogens. The final part focuses on binding studies of E.coli bacteria by ultra-low crosslinked carbohydrate presenting microgels in solution with the aim of gentle capture and release controlled by a temperature switch. The aim is to purify the solvent by taking advantage of natural binding in a non-bactericidal approach. This in turn prevents an evolutionary response to develop resistances tackling the multi-resistant germ situation. Microgels synthesized in absence of bifunctional crosslinker show the lowest elastic modulus, a relatively smooth surface structure at room temperature and in sum the greatest potential for controlled capture and release of mannose binding bacteria. So for the experiments E.coli bacteria are mixed with either mannose bearing ultra-low crosslinked p(NIPAM) or p(OEGMA) microgels and incubated at 37 °C. After formation of visible clusters occurs the solution is cooled down back to room temperature unit cluster dissolution is completed. Additionally, cluster formation and dissolution is tracked with optical microscopy throughout heating and cooling. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Organische Chemie und Makromolekulare Chemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 24.08.2022 | |||||||
| Dateien geändert am: | 24.08.2022 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 03.05.2022 | |||||||
| Datum der Promotion: | 09.08.2022 |
