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Enzymes can support the synthesis or degradation of biomacromolecules in natural processes. Here, we demonstrate that enzymes can induce a macroscopic-directed movement of microstructured hydrogels following a mechanism that we call a "Jack-in-the-box" effect. The material's design is based on the formation of internal stresses induced by a deformation load on an architectured microscale, which are kinetically frozen by the generation of polyester locking domains, similar to a Jack-in-thebox toy (i.e., a compressed spring stabilized by a closed box lid). To induce the controlled macroscopic movement, the locking domains are equipped with enzyme-specific cleavable bonds (i.e., a box with a lock and key system). As a result of enzymatic reaction, a transformed shape is achieved by the release of internal stresses. There is an increase in entropy in combination with a swelling-supported stretching of polymer chains within the microarchitectured hydrogel (i.e., the encased clown pops-up with a pre-stressed movement when the box is unlocked). This utilization of an enzyme as a physiological stimulus may offer new approaches to create interactive and enzyme-specific materials for different applications such as an optical indicator of the enzyme's presence or actuators and sensors in biotechnology and in fermentation processes.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ansatz verfolgt, die besonderen Eigenschaften der Strukturbildung sequenzdefinierter Peptide mit den vielseitigen Materialeigenschaften synthetischer Blockcopolymere zu kombinieren. Dazu wurde ein synthetisches Polymer kovalent mit einer definierten Peptidsequenz verknüpft. Der Peptidblock (die Organisationseinheit) wurde speziell designt, um später die Strukturbildung des Peptid-Polymerkonjugates induzieren und leiten zu können. Als Organisationsmotiv diente hierbei das aus der Natur bekannte β-Faltblatt Strukturmotiv. Das Peptidsegment wurde in einer festphasengebundenen Synthese aufgebaut. Dabei wurden temporäre Stör-Segmente (Switch-Segmente) in die Peptidsequenz integriert. Diese Segmente unterdrücken die Aggregationstendenz während der Synthese und können durch einen pH-abhängigen Schaltvorgang in das natürliche Peptidrückgrat überführt werden. Zusätzlich zu der verbesserten Ausbeute und Reinheit der entsprechenden Peptide war auf diese Weise eine kontrollierte Aktivierung der Mikrostrukturbildung möglich. Mit Hilfe zwei verschiedener Synthesestrategien (Kupplungs- bzw. Polymerisationsstrategie) wurde ein Satz von definierten Peptid-Polymerkonjugaten mit unterschiedlich großen Polymersegmenten synthetisiert. Diese wurden anschließend im Hinblick auf ihre Strukturbildungseigenschaften in organischen Lösungsmitteln untersucht. Durch mikroskopische Verfahren (AFM, TEM), konnte für alle Konjugate, die Bildung faserartiger Aggregate mit Dimensionen im Nano- bis Mikrometerbereich beobachtet werden. Genauere Untersuchungen zeigten, dass die Peptidsegmente in diesen Faserstrukturen ein β-Faltblatt ausbilden. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Strukturbildung der Konjugate tatsächlich durch den Peptidblock gesteuert und kontrolliert wurde.