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Katalytische molekular geprägte Polymere : Herstellung und Anwendung in einem Thermistor

Catalytically molecular imprinted polymers : synthesis and application in a thermistor

  • Biomakromoleküle sind in der Natur für viele Abläufe in lebenden Organismen verantwortlich. Dies reicht vom Aufbau der extrazellulären Matrix und dem Cytoskelett über die Erkennung von Botenstoffen durch Rezeptoren bis hin zur Katalyse der verschiedensten Reaktionen in den Zellen selbst. Diese Aufgaben werden zum größten Teil von Proteinen übernommen, und besonders das spezifische Erkennen der Interaktionspartner ist für alle diese Moleküle äußerst wichtig, um eine fehlerfreie Funktion zu gewährleisten. Als Alternative zur evolutiven Erzeugung von optimalen Bindern und Katalysatoren auf der Basis von Aminosäuren und Nukleotiden wurden von Wulff, Shea und Mosbach synthetische molekular geprägte Polymere (molecularly imprinted polymers, MIPs) konzipiert. Das Prinzip dieser künstlichen Erkennungselemente beruht auf der Tatsache, dass sich funktionelle Monomere spezifisch um eine Schablone (Templat) anordnen. Werden diese Monomere dann vernetzend polymerisiert, entsteht ein Polymer mit molekularen Kavitäten, in denen die FunktionalitätenBiomakromoleküle sind in der Natur für viele Abläufe in lebenden Organismen verantwortlich. Dies reicht vom Aufbau der extrazellulären Matrix und dem Cytoskelett über die Erkennung von Botenstoffen durch Rezeptoren bis hin zur Katalyse der verschiedensten Reaktionen in den Zellen selbst. Diese Aufgaben werden zum größten Teil von Proteinen übernommen, und besonders das spezifische Erkennen der Interaktionspartner ist für alle diese Moleküle äußerst wichtig, um eine fehlerfreie Funktion zu gewährleisten. Als Alternative zur evolutiven Erzeugung von optimalen Bindern und Katalysatoren auf der Basis von Aminosäuren und Nukleotiden wurden von Wulff, Shea und Mosbach synthetische molekular geprägte Polymere (molecularly imprinted polymers, MIPs) konzipiert. Das Prinzip dieser künstlichen Erkennungselemente beruht auf der Tatsache, dass sich funktionelle Monomere spezifisch um eine Schablone (Templat) anordnen. Werden diese Monomere dann vernetzend polymerisiert, entsteht ein Polymer mit molekularen Kavitäten, in denen die Funktionalitäten komplementär zum Templat fixiert sind. Dadurch ist die selektive Bindung des Templats in diese Kavitäten möglich. Aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität und ihrer geringen Kosten haben “bio-inspirierte” molekular geprägte Polymere das Potential, biologische Erkennungselemente in der Affinitätschromatographie sowie in Biosensoren und Biochips zu ersetzen. Trotz einiger publizierter Sensorkonfigurationen steht der große Durchbruch noch aus. Ein Hindernis für Routineanwendungen ist die Signalgenerierung bei Bindung des Analyten an das Polymer. Eine Möglichkeit für die markerfreie Detektion ist die Benutzung von Kalorimetern, die Bindungs- oder Reaktionswärmen direkt messen können. In der Enzymtechnologie wird der Enzym-Thermistor für diesen Zweck eingesetzt, da enzymatische Reaktionen eine Enthalpie in einer Größenordnung von 5 – 100 kJ/mol besitzen. In dieser Arbeit wird die Herstellung von katalytisch geprägten Polymeren nach dem Verfahren des Oberflächenprägens erstmalig beschrieben. Die Methode zur Immobilisierung des Templats auf der Oberfläche von porösem Kieselgel sowie die Polymerzusammensetzung wurden optimiert. Weiter wird die Evaluation der katalytischen Eigenschaften über einen optischen Test, sowie das erste Mal die Kombination eines kalorimetrischen Transduktors – des Thermistors – mit der Analyterkennung durch ein katalytisch aktives MIP gezeigt. Bei diesen Messungen konnte zum ersten Mal gleichzeitig die Bindung/Desorption, sowie die katalytische Umwandlung des Substrats durch konzentrationsabhängige Wärmesignale nachgewiesen werden.show moreshow less
  • Bio macromolecules are responsible in nature for many reactions in living organisms. This reaches from the structure of the extra cellular matrix and the cytoskeleton over the recognition of ligands by receptors up to the catalysis of the most diverse reactions in the cells themselves. These tasks are taken over to the largest part by proteins, and particularly specific recognizing of the interaction partners is extremely important for all these molecules, in order to ensure an error free function. As alternative to the evolutionary production of optimal binders and catalysts on the basis of amino acids and nucleotides, synthetic molecularly imprinted polymer (MIPs) were invented by Wulff, Shea and Moosbach. The principle of these artificial recognition elements is based on the fact that functional monomers specifically arrange themselves around a template. If these monomers are copolymerized with crosslinking monomers, a polymer with molecular cavities is created, in which the functionalities are fixed complementary to the template.Bio macromolecules are responsible in nature for many reactions in living organisms. This reaches from the structure of the extra cellular matrix and the cytoskeleton over the recognition of ligands by receptors up to the catalysis of the most diverse reactions in the cells themselves. These tasks are taken over to the largest part by proteins, and particularly specific recognizing of the interaction partners is extremely important for all these molecules, in order to ensure an error free function. As alternative to the evolutionary production of optimal binders and catalysts on the basis of amino acids and nucleotides, synthetic molecularly imprinted polymer (MIPs) were invented by Wulff, Shea and Moosbach. The principle of these artificial recognition elements is based on the fact that functional monomers specifically arrange themselves around a template. If these monomers are copolymerized with crosslinking monomers, a polymer with molecular cavities is created, in which the functionalities are fixed complementary to the template. Thus the selective binding of the template is possible into these cavities. Due to their high chemical and thermal stability and their small costs "bioinspired" molecularly imprinted polymers have the potential to replace biological recognition elements in affinity chromatography as well as in biosensors and biochips. Despite some published sensor configurations the large break-through is still pending. An obstacle for routine application of is the signal generation on connection of the analyte to the polymer. A possibility for marker-free detection is the use of calorimeters, which can measure heats of reaction or adsorption directly. In enzyme technology the enzyme thermistor is used for this purpose, as enzymatic reactions possess enthalpies in an order of 5 - 100 kJ/mol. In this work the production of catalytically imprinted polymers is described for the first time by the procedure of surface imprinting. The method for immobilization of the template on the surface of porous silicagel as well as the polymer composition were optimized. The evaluation of the catalytic characteristics is shown by an optical test, as well as the first time the combination of a calorimetric transducer - the thermistor - with the analyte recognition by a catalytically active MIP. With these measurements for the first time the binding/desorption, as well as the catalytic transformation of the substrate could be proven at the same time by concentration-dependent heat signals.show moreshow less

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Metadaten
Author:Kristian Lettau
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-14804
Advisor:Frieder W. Scheller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2007/07/19
Release Date:2007/07/25
Tag:Biosensoren; Enzymmodelle; Kalorimetrie; Katalyse; molekular geprägte Polymere
biosensors; calorimetry; catalysis; enzyme models; molecularly imprinted polymers
RVK - Regensburg Classification:WC 3420
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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