TY  - THES
A1  - Dronov, Roman
T1  - Multi-component protein films by layer-by-layer : assembly and electron transfer
T1  - Multikomponenten-Proteinfilme mittels Layer-by-Layer-Technik : Design und Elektronentransfer
N2  - Electron transfer phenomena in proteins represent one of the most common types of biochemical reactions. They play a central role in energy conversion pathways in living cells, and are crucial components in respiration and photosynthesis. These complex biochemical reaction cascades consist of a series of proteins and protein complexes that couple a charge transfer to different forms of chemical energy. The efficiency and sophisticated optimisation of signal transfer in these natural redox chains has inspired engineering of artificial architectures mimicking essential properties of their natural analogues. Implementation of direct electron transfer (DET) in protein assemblies was a breakthrough in bioelectronics, providing a simple and efficient way for coupling biological recognition events to a signal transducer. DET avoids the use of redox mediators, reducing potential interferences and side reactions, as well as being more compatible with in vivo conditions. However, only a few haem proteins, including the redox protein cytochrome c (cyt.c), and blue copper enzymes show efficient DET on different kinds of electrodes. Previous investigations with cyt.c have mainly focused on heterogeneous electron transfer of monolayers of this protein on gold. An important advance was the fabrication of cyt.c multilayers by electrostatic layer-by-layer self-assembly. The ease of fabrication, the stability, and the controllable permeability of polyelectrolyte multilayers have made them particularly attractive for electroanalytical applications. With cyt.c and sulfonated polyaniline it was for the first time possible that fully electro-active multilayers of the redox protein could be prepared. This approach was extended to design an analytical signal chain based on multilayers of cyt.c and xanthine oxidase (XOD). The system does not need an external mediator but relies on an in situ generation of a mediating radical and thus allows a signal transfer from hypoxanthine via the substrate converting enzyme and cyt.c to the electrode. Another kind of a signal chain is based on assembling proteins in complexes on electrodes in such a way that a direct protein-protein electron transfer becomes feasible. This design does not need a redox mediator in analogy to natural protein communication. For this purpose, cyt.c and the enzyme bilirubin oxidase (BOD, EC 1.3.3.5) are co-immobilized in a self-assembled polyelectrolyte multilayer on gold electrodes. Although these two proteins are not natural reaction partners, the protein architecture facilitates an electron transfer from the electrode via multiple protein layers to molecular oxygen resulting in a significant catalytic reduction current. Finally, we describe a novel strategy for multi-protein layer-by-layer self-assembly combining cyt.c with an enzyme sulfite oxidase (SOx) without use of any additional polymer. Electrostatic interactions between these two proteins with rather separated pI values during the assembly process from a low ionic strength buffer were found sufficient for the layer-by-layer deposition of the both biomolecules. It is anticipated that the concepts described in this work will stimulate further progress in multilayer design of even more complex biomimetic signal cascades taking advantage of direct communication between proteins.
N2  - Elektronentransferphänomene in Proteinen stellen den häufigsten Typ biochemischer Reaktionen dar. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Energieumwandlung in der Zelle und sind entscheidende Komponenten in der Atmung und Photosynthese. Diese komplexen Kaskaden biochemischer Reaktionen setzen sich aus einer Reihe von Proteinen und Proteinkomplexen zusammen, die den Energietransfer an verschiedene Formen chemischer Energie koppeln. Die große Effektivität und Selektivität des Signaltransfers in diesen natürlichen Redoxketten war Vorbild für die Entwicklung künstlicher Architekturen, die die wesentlichen Eigenschaften ihrer natürlichen Analoga nachahmen. Die Implementierung des direkten Elektronentransfers (DET) von Proteinen mit Elektroden war ein Durchbruch im Bereich der Bioelektronik. Sie lieferte einen einfachen und effizienten Weg für das Koppeln biologischer Erkennungsereignisse an einen Signalumwandler. Durch den DET können Redoxmediatoren vermieden und damit potentielle Grenzflächen und Nebenreaktionen reduziert werden. Ebenso wird damit die Kompatibilität für in vivo Bedingungen erhöht. Jedoch zeigen nur einige Hämproteine wie das Redoxprotein Cytochrom c (Cyt c) und blaue Kupferproteine einen effizienten DET auf verschiedenen Elektrodentypen. Bisherige Untersuchungen mit Cyt c konzentrierten sich hauptsächlich auf den heterogenen Elektronentransfer von Monoschichten dieses Proteins auf Gold. Ein wichtiger Fortschritt war die Herstellung von Cyt c Multischichten durch die elektrostatische Layer-by-Layer-Technik. Die einfache Herstellung, die Stabilität sowie die kontrollierbaren Permeationseigenschaften von Polyelektrolyt-Multischichten machte sie besonders attraktiv für elektroanalytische Anwendungen. So gelang es auch zum ersten Mal vollständig elektroaktive Multischichten aus Cyt c und Polyanilinsulfonsäure zu präparieren. Dieser Ansatz wurde hier erweitert, um eine analytische Signalkette auf der Basis von Multischichten aus Cyt c und Xanthinoxidase zu entwerfen. Das System bedarf keinen externen Mediator, es hängt jedoch von der in situ Generierung eines vermittelnden Radikals ab und erlaubt daher einen Signaltransfer von Hypoxanthin über ein substratumwandelndes Enzym und Cyt c zur Elektrode. Eine andere Art von Signalketten basiert auf der Assemblierung von Proteinen in Komplexen auf Elektroden in solcher Art und Weise, daß ein direkter Protein-Protein-Elektronentransfer möglich wird. Dieser Ansatz benötigt keinen Redoxmediator in Analogie zu Beispielen aus dem biologischen Signaltransfer. Zu diesem Zweck werden Cyt c und das Enzym Bilirubinoxidase mit einem selbst-assemblierenden Polyelektrolyten auf einer Goldelektrode koimmobilisiert. Obwohl diese zwei Proteine keine natürlichen Reaktionspartner sind, unterstützt die Protein-Architektur einen Elektronentransfer von der Elektrode über mehrere Proteinschichten zu molekularem Sauerstoff und ergibt einen signifikanten katalytischen Reduktionsstrom. Schließlich wird eine neue Strategie beschrieben für eine Selbstassemblierung von Proteinen ohne zusätzlichen Polyelektrolyten - am Beispiel der Kombination von Cyt c mit Sulfitoxidase. Es stellte sich heraus, daß die elektrostatische Wechselwirkung zwischen diesen zwei Proteinen mit ziemlich weit voneinander entfernt liegenden pI-Werten während des Assemblierungsprozesses durch einen Puffer mit geringer Ionenstärke ausreicht um die beiden Biomoleküle nach dem Layer-by-Layer-Prinzip auf einer Elektrode abzuscheiden. Es wird erwartet, daß das entwickelte Konzept von Multiprotein-Assemblaten auf Elektroden weitere Fortschritte bei dem Entwurf von Multischichten und sogar noch komplexeren biomimetischen Signalkaskaden anregen wird und dabei der Vorteil der direkten Kommunikation zwischen Proteinen genutzt wird.
KW  - Protein Multilayer
KW  - Electron transfer
KW  - Signal transfer chain
KW  - Cytochrome c
KW  - Polyelectrolyte
KW  - Bilirubin oxidase
KW  - Surface characterization
KW  - Raman
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-17281
ER  - 
TY  - THES
A1  - Prevot, Michelle Elizabeth
T1  - Introduction of a thermo-sensitive non-polar species into polyelectrolyte multilayer capsules for drug delivery
T1  - Einbettung unpolarer, temperaturempfindlicher Substanzen in Polyelektrolytkapselsysteme zur Wirkstofffreisetzung
N2  - The layer-by-layer assembly (LBL) of polyelectrolytes has been extensively studied for the preparation of ultrathin films due to the versatility of the build-up process. The control of the permeability of these layers is particularly important as there are potential drug delivery applications. Multilayered polyelectrolyte microcapsules are also of great interest due to their possible use as microcontainers. This work will present two methods that can be used as employable drug delivery systems, both of which can encapsulate an active molecule and tune the release properties of the active species.  Poly-(N-isopropyl acrylamide), (PNIPAM) is known to be a thermo-sensitive polymer that has a Lower Critical Solution Temperature (LCST) around 32oC; above this temperature PNIPAM is insoluble in water and collapses. It is also known that with the addition of salt, the LCST decreases. This work shows Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) evidence that the LCST of the PNIPAM can be tuned with salt type and concentration. Microcapsules were used to encapsulate this thermo-sensitive polymer, resulting in a reversible and tunable stimuli- responsive system. The encapsulation of the PNIPAM inside of the capsule was proven with Raman spectroscopy, DSC (bulk LCST measurements), AFM (thickness change), SEM (morphology change) and CLSM (in situ LCST measurement inside of the capsules). The exploitation of the capsules as a microcontainer is advantageous not only because of the protection the capsules give to the active molecules, but also because it facilitates easier transport.  The second system investigated demonstrates the ability to reduce the permeability of polyelectrolyte multilayer films by the addition of charged wax particles. The incorporation of this hydrophobic coating leads to a reduced water sensitivity particularly after heating, which melts the wax, forming a barrier layer. This conclusion was proven with Neutron Reflectivity by showing the decreased presence of D2O in planar polyelectrolyte films after annealing creating a barrier layer. The permeability of capsules could also be decreased by the addition of a wax layer. This was proved by the increase in recovery time measured by Florescence Recovery After Photobleaching, (FRAP) measurements.  In general two advanced methods, potentially suitable for drug delivery systems, have been proposed. In both cases, if biocompatible elements are used to fabricate the capsule wall, these systems provide a stable method of encapsulating active molecules. Stable encapsulation coupled with the ability to tune the wall thickness gives the ability to control the release profile of the molecule of interest.
N2  - Verkapselung ist ein vielseitiges Werkzeug, das zum Schutz und zum Transport von Molekülen ebenso eingesetzt werden kann, wie zur Verbindung von Reaktionspartnern in einem gemeinsamen, von der Umgebung abgeschirmten Raum. Es basiert auf einem einfachen Vorbild der Natur. Pflanzen schützen ihren Samen zum Beispiel durch eine harte, nahezu undurchdringbare Schale (Nüsse) oder durch eine selektiv durchlässige Hülle, wie bei Weizen, der sobald er feucht wird zu keimen beginnt. Die Natur setzt durch den Einsatz des Hülle-Kern Prinzips sehr effizient die Kontrolle über Durchlässigkeit und Anpassung an bestimmte Aufgaben um.  Wird das Hülle-Kern-Prinzip zum Schutz oder Transport von Molekülen eingesetzt, so sind die zu verwendenden Kapseln nur wenige Mikrometer groß. Sie werden dann als Mikrokapseln bezeichnet. Zur Erzeugung dieser Mikrokapseln werden verschiedene Methoden verwendet. Der heute übliche Weg geht von einer ca. 5-10 Mikrometer großen Kugel (Kern) aus, die mit einer stabilen und an die gewünschten Eigenschaften angepassten Schicht von wenigen Nanometern versehen wird. Im Anschluss wird der Kern herausgelöst und eine hohle, stabile Kapsel erhalten.  Schichten von wenigen Nanometern Dicke können aus Polyelektrolyten durch das Layer-by-Layer-Verfahren (LbL) hergestellt werden. Dieses Verfahren eignet sich auf Grund seiner vielen Anpassungsmöglichkeiten besonders zum Aufbau der Schichten für Mikrokapseln, da sich die Eigenschaften der Beschichtung bereits beim Aufbau der Schicht auf die Bedürfnisse maßschneidern lassen. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung von Mikrokapseln, deren Eigenschaften temperaturabhängig sind. Dies wurde auf zwei Wegen erreicht. Zum einen wurden Kapseln aus Polyelektrolyten und Wachs aufgebaut. Bei Temperaturerhöhung schmilzt das Wachs und versiegelt die Kapsel. Zum anderen werden Kapseln mit einem Wärme empfindlichen Polymer gefüllt. Bei Temperaturerhöhung kollabiert das Polymergerüst. Der enthaltene Wirkstoff wird freigesetzt.
KW  - Mikrokapsel
KW  - Polyelektrolyt
KW  - Mehrschichtsysteme
KW  - Polyelectrolyte
KW  - Multilayers
KW  - Capsule
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7785
ER  -