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Vom Monomer zum Glykopolymer
(2019)
Glykopolymere sind synthetische und natürlich vorkommende Polymere, die eine Glykaneinheit in der Seitenkette des Polymers tragen. Glykane sind durch die Glykan-Protein-Wechselwirkung verantwortlich für viele biologische Prozesse. Die Beteiligung der Glykanen in diesen biologischen Prozessen ermöglicht das Imitieren und Analysieren der Wechselwirkungen durch geeignete Modellverbindungen, z.B. der Glykopolymere. Dieses System der Glykan-Protein-Wechselwirkung soll durch die Glykopolymere untersucht und studiert werden, um die spezifische und selektive Bindung der Proteine an die Glykopolymere nachzuweisen. Die Proteine, die in der Lage sind, Kohlenhydratstrukturen selektiv zu binden, werden Lektine genannt.
In dieser Dissertationsarbeit wurden verschiedene Glykopolymere synthetisiert. Dabei sollte auf einen effizienten und kostengünstigen Syntheseweg geachtet werden.
Verschiedene Glykopolymere wurden durch funktionalisierte Monomere mit verschiedenen Zuckern, wie z.B. Mannose, Laktose, Galaktose oder N-Acetyl-Glukosamin als funktionelle Gruppe, hergestellt. Aus diesen funktionalisierten Glykomonomeren wurden über ATRP und RAFT-Polymerisation Glykopolymere synthetisiert.
Die erhaltenen Glykopolymere wurden in Diblockcopolymeren als hydrophiler Block angewendet und die Selbstassemblierung in wässriger Lösung untersucht. Die Polymere formten in wässriger Lösung Mizellen, bei denen der Zuckerblock an der Oberfläche der Mizellen sitzt. Die Mizellen wurden mit einem hydrophoben Fluoreszenzfarbstoff beladen, wodurch die CMC der Mizellenbildung bestimmt werden konnte.
Außerdem wurden die Glykopolymere als Oberflächenbeschichtung über „Grafting from“ mit SI-ATRP oder über „Grafting to“ auf verschiedene Oberflächen gebunden. Durch die glykopolymerbschichteten Oberflächen konnte die Glykan Protein Wechselwirkung über spektroskopische Messmethoden, wie SPR- und Mikroring Resonatoren untersucht werden. Hierbei wurde die spezifische und selektive Bindung der Lektine an die Glykopolymere nachgewiesen und die Bindungsstärke untersucht.
Die synthetisierten Glykopolymere könnten durch Austausch der Glykaneinheit für andere Lektine adressierbar werden und damit ein weites Feld an anderen Proteinen erschließen. Die bioverträglichen Glykopolymere wären alternativen für den Einsatz in biologischen Prozessen als Transporter von Medikamenten oder Farbstoffe in den Körper. Außerdem könnten die funktionalisierten Oberflächen in der Diagnostik zum Erkennen von Lektinen eingesetzt werden. Die Glykane, die keine selektive und spezifische Bindung zu Proteinen eingehen, könnten als antiadsorptive Oberflächenbeschichtung z.B. in der Zellbiologie eingesetzt werden.
Untersuchungen zur Entwicklung und Synthese neuartiger Gelenkstäbe basierend auf Oligospiroketalen
(2019)
Untersuchungen an neuartigen sauerstoffsubstituierten Donoren und Akzeptoren für Singulettsauerstoff
(2019)
Im Verlauf dieser Arbeit wurden Aromaten wie Naphthaline und Anthracene mit Singulettsauerstoff, einer reaktiven Form des gewöhnlichen Sauerstoffs, zu sogenannten Endoperoxiden umgesetzt. Die hier eingesetzten Systeme wurden mit funktionellen Gruppen modifiziert, die über eine Sauerstoffbrücke mit dem Aromaten verknüpft sind. Die daraus entstandenen Endoperoxide sind meist besonders labil und konnten in dieser Arbeit isoliert und umfassend untersucht werden.
Hierbei wurde zum einen das Reaktionsverhalten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Aromaten in Abhängigkeit ihrer funktionellen Gruppen unterschiedlich schnell mit Singulettsauerstoff reagieren. Die so ermittelten Reaktivitäten wurden zusätzlich durch theoretische Berechnungen gestützt.
Die resultierenden Endoperoxide wurden unter verschiedenen Bedingungen wie erhöhter Temperatur oder einem sauren bzw. basischen Milieu auf ihre Stabilität hin untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die auf Naphthalinen basierenden Endoperoxiden den gebundenen Singulettsauerstoff in guten Ausbeuten oft schon bei sehr niedrigen Temperaturen (−40 bis 0 °C) freisetzen. Diese Verbindungen können daher als milde Quellen dieser reaktiven Sauerstoffspezies eingesetzt werden. Weiterhin konnten bei den Anthracenendoperoxiden Zerfallsmechanismen aufgeklärt und andere reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid oder Persäuren nachgewiesen werden.
Zu den Modifikationen der Aromaten gehören auch Glucosereste. Dadurch könnten sich die hier hergestellten Endoperoxide als vielversprechende Verbindungen in der Krebstherapie herausstellen, da Krebszellen deutlich stärker als gesunde Zellen kohlenhydratreiche Verbindungen für ihren Stoffwechsel benötigen. Bei der Spaltung von Endoperoxiden mit Glucosesubstituenten werden ebenfalls reaktive Sauerstoffspezies frei, die so zum Zelltod führen könnten.
Totalsynthese benzoannellierter Sauerstoffheterocyclen durch Mikrowellen induzierte Tandem-Sequenzen
(2019)
The fabrication of 1D nanostrands composed of stimuli responsive microgels has been shown in this work. Microgels are well known materials able to respond to various stimuli from outer environment. Since these microgels respond via a volume change to an external stimulus, a targeted mechanical response can be achieved. Through carefully choosing the right composition of the polymer matrix, microgels can be designed to react precisely to the targeted stimuli (e.g. drug delivery via pH and temperature changes, or selective contractions through changes in electrical current125).
In this work, it was aimed to create flexible nano-filaments which are capable of fast anisotropic contractions similar to muscle filaments. For the fabrication of such filaments or strands, nanostructured templates (PDMS wrinkles) were chosen due to a facile and low-cost fabrication and versatile tunability of their dimensions. Additionally, wrinkling is a well-known lithography-free method which enables the fabrication of nanostructures in a reproducible manner and with a high long-range periodicity.
In Chapter 2.1, it was shown for the first time that microgels as soft matter particles can be aligned to densely packed microgel arrays of various lateral dimensions. The alignment of microgels with different compositions (e.g. VCL/AAEM, NIPAAm, NIPAAm/VCL and charged microgels) was shown by using different assembly techniques (e.g. spin-coating, template confined molding). It was chosen to set one experimental parameter constant which was the SiOx surface composition of the templates and substrates (e.g. oxidized PDMS wrinkles, Si-wafers and glass slides). It was shown that the fabrication of nanoarrays was feasible with all tested microgel types. Although the microgels exhibited different deformability when aligned on a flat surface, they retained their thermo-responsivity and swelling behavior.
Towards the fabrication of 1D microgel strands interparticle connectivity was aspired. This was achieved via different cross-linking methods (i.e. cross-linking via UV-irradiation and host-guest complexation) discussed in Chapter 2.2. The microgel arrays created by different assembly methods and microgel types were tested for their cross-linking suitability. It was observed that NIPAAm based microgels cannot be cross-linked with UV light. Furthermore, it was found that these microgels exhibit a strong surface-particle-interaction and therefore could not be detached from the given substrates. In contrast to the latter, with VCL/AAEM based microgels it was possible to both UV cross-link them based on the keto-enol tautomerism of the AAEM copolymer, and to detach them from the substrate due to the lower adhesion energy towards SiOx surfaces. With VCL/AAEM microgels long, one-dimensional microgel strands could be re-dispersed in water for further analysis. It has also been shown that at least one lateral dimension of the free dispersed 1D microgel strands is easily controllable by adjusting the wavelength of the wrinkled template. For further work, only VCL/AAEM based microgels were used to focus on the main aim of this work, i.e. the fabrication of 1D microgel nanostrands.
As an alternative to the unspecific and harsh UV cross-linking, the host-guest complexation via diazobenzene cross-linkers and cyclodextrin hosts was explored. The idea behind this approach was to give means to a future construction kit-like approach by incorporation of cyclodextrin comonomers in a broad variety of particle systems (e.g. microgels, nanoparticles). For this purpose, VCL/AAEM microgels were copolymerized with different amounts of mono-acrylate functionalized β-cyclodextrin (CD). After successfully testing the cross-linking capability in solution, the cross-linking of aligned VCL/AAEM/CD microgels was tried. Although the cross-linking worked well, once the single arrays came into contact to each other, they agglomerated. As a reason for this behavior residual amounts of mono-complexed diazobenzene linkers were suspected. Thus, end-capping strategies were tried out (e.g. excess amounts of β-cyclodextrin and coverage with azobenzene functionalized AuNPs) but were unsuccessful. With deeper thought, entropy effects were taken into consideration which favor the release of complexed diazobenzene linker leading to agglomerations. To circumvent this entropy driven effect, a multifunctional polymer with 50% azobenzene groups (Harada polymer) was used. First experiments with this polymer showed promising results regarding a less pronounced agglomeration (Figure 77). Thus, this approach could be pursued in the future. In this chapter it was found out that in contrast to pearl necklace and ribbon like formations, particle alignment in zigzag formation provided the best compromise in terms of stability in dispersion (see Figure 44a and Figure 51) while maintaining sufficient flexibility.
For this reason, microgel strands in zigzag formation were used for the motion analysis described in Chapter 2.3. The aim was to observe the properties of unrestrained microgel strands in solution (e.g. diffusion behavior, rotational properties and ideally, anisotropic contraction after temperature increase). Initially, 1D microgel strands were manipulated via AFM in a liquid cell setup. It could be observed that the strands required a higher load force compared to single microgels to be detached from the surface. However, with the AFM it was not possible to detach the strands in a controllable manner but resulted in a complete removal of single microgel particles and a tearing off the strands from the surface, respectively. For this reason, to observe the motion behavior of unrestrained microgel strands in solution, confocal microscopy was used. Furthermore, to hinder an adsorption of the strands, it was found out that coating the surface of the substrates with a repulsive polymer film was beneficial. Confocal and wide-field microscopy videos showed that the microgel strands exhibit translational and rotational diffusive motion in solution without perceptible bending. Unfortunately, with these methods the detection of the anisotropic stimuli responsive contraction of the free moving microgel strands was not possible. To summarize, the flexibility of microgel strands is more comparable to the mechanical behavior of a semi flexible cable than to a yarn. The strands studied here consist of dozens or even hundreds of discrete submicron units strung together by cross-linking, having few parallels in nanotechnology.
With the insights gained in this work on microgel-surface interactions, in the future, a targeted functionalization of the template and substrate surfaces can be conducted to actively prevent unwanted microgel adsorption for a given microgel system (e.g. PVCL and polystyrene coating235). This measure would make the discussed alignment methods more diverse. As shown herein, the assembly methods enable a versatile microgel alignment (e.g. microgel meshes, double and triple strands). To go further, one could use more complex templates (e.g. ceramic rhombs and star shaped wrinkles (Figure 14) to expand the possibilities of microgel alignment and to precisely control their aspect ratios (e.g. microgel rods with homogeneous size distributions).
This thesis covers the synthesis of conjugates of 2-Deoxy-D-ribose-5-phosphate aldolase (DERA) with suitable polymers and the subsequent immobilization of these conjugates in thin films via two different approaches.
2-Deoxy-D-ribose-5-phosphate aldolase (DERA) is a biocatalyst that is capable of converting acetaldehyde and a second aldehyde as acceptor into enantiomerically pure mono- and diyhydroxyaldehydes, which are important structural motifs in a number of pharmaceutically active compounds. Conjugation and immobilization renders the enzyme applicable for utilization in a continuously run biocatalytic process which avoids the common problem of product inhibition. Within this thesis, conjugates of DERA and poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) for immobilization via a self-assembly approach were synthesized and isolated, as well as conjugates with poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMAA) for a simplified and scalable spray-coating approach. For the DERA/PNIPAm-conjugates different synthesis routes were tested, including grafting-from and grafting-to, both being common methods for the conjugation. Furthermore, both lysines and cysteines were addressed for the conjugation in order to find optimum conjugation conditions. It turned out that conjugation via lysine causes severe activity loss as one lysine plays a key role in the catalyzing mechanism. The conjugation via the cysteines by a grafting-to approach using pyridyl disulfide (PDS) end-group functionalized polymers led to high conjugation efficiencies in the presence of polymer solubilizing NaSCN. The resulting conjugates maintained enzymatic activity and also gained high acetaldehyde tolerance which is necessary for their use later on in an industrial relevant process after their immobilization.
The resulting DERA/PNIPAm conjugates exhibited enhanced interfacial activity at the air/water interface compared to the single components, which is an important pre-requisite for the immobilization via the self-assembly approach. Conjugates with longer polymer chains formed homogeneous films on silicon wafers and glass slides while the ones with short chains could only form isolated aggregates. On top of that, long chain conjugates showed better activity maintenance upon the immobilization.
The crosslinking of conjugates, as well as their fixation on the support materials, are important for the mechanical stability of the films obtained from the self-assembly process. Therefore, in a second step, we introduced the UV-crosslinkable monomer DMMIBA to the PNIPAm polymers to be used for conjugation. The introduction of DMMIBA reduced the lower critical solution temperature (LCST) of the polymer and thus the water solubility at ambient conditions, resulting in lower conjugation efficiencies and in turn slightly poorer acetaldehyde tolerance of the resulting conjugates. Unlike the DERA/PNIPAm, the conjugates from the copolymer P(NIPAM-co-DMMIBA) formed continuous, homogenous films only after the crosslinking step via UV-treatment. For a firm binding of the crosslinked films, a functionalization protocol for the model support material cyclic olefin copolymer (COC) and the final target support, PAN based membranes, was developed that introduces analogue UV-reactive groups to the support surface. The conjugates immobilized on the modified COC films maintained enzymatic activity and showed good mechanical stability after several cycles of activity assessment. Conjugates with longer polymer chains, however, showed a higher degree of crosslinking after the UV-treatment leading to a pronounced loss of activity. A porous PAN membrane onto which the conjugates were immobilized as well, was finally transferred to a dead end filtration membrane module to catalyze the aldol reaction of the industrially relevant mixture of acetaldehyde and hexanal in a continuous mode. Mono aldol product was detectable, but yields were comparably low and the operational stability needs to be further improved
Another approach towards immobilization of DERA conjugates that was followed, was to generate the conjugates in situ by simply mixing enzyme and polymer and spray coat the mixture onto the membrane support. Compared to the previous approach, the focus was more put on simplicity and a possible scalability of the immobilization. Conjugates were thus only generated in-situ and not further isolated and characterized. For the conjugation, PDMAA equipped with N-2-thiolactone acrylamide (TlaAm) side chains was used, an amine-reactive comonomer that can react with the lysine residues of DERA, as well as with amino groups introduced to a desired support surface. Furthermore disulfide formation after hydrolysis of the Tla groups causes a crosslinking effect. The synthesized copolymer poly(N,N-Dimethylacrylamide-co-N-2-thiolactone acrylamide) (P(DMAA-co-TlaAm)) thus serves a multiple purpose including protein binding, crosslinking and binding to support materials. The mixture of DERA and polymer could be immobilized on the PAN support by spray-coating under partial maintenance of enzymatic activity. To improve the acetaldehyde tolerance, the polymer in used was further equipped with cysteine reactive PDS end-groups that had been used for the conjugation as described in the first part of the thesis. The generated conjugates indeed showed good acetaldehyde tolerance and were thus used to be coated onto PAN membrane supports. Post treatment with a basic aqueous solution of H2O2 was supposed to further crosslink the spray-coated film hydrolysis and oxidation of the thiolactone groups. However, a washing off of the material was observed. Optimization is thus still necessary.
Im Rahmen dieser Dissertation konnten neue Kalium- und Natrium-Ionen Fluoreszenzfarbstoffe von der Klasse der Fluoroionophore synthetisiert und charakterisiert werden. Sie bestehen aus einem N Phenylazakronenether als Ionophor und unterschiedlichen Fluorophoren und sind über einen π-konjugierten 1,2,3-Triazol-1,4-diyl Spacer verbunden. Dabei lag der Fokus während ihrer Entwicklung darauf, diese in ihrer Sensitivität, Selektivität und in ihren photophysikalischen Eigenschaften so zu funktionalisieren, dass sie für intra- bzw. extrazelluläre Konzentrationsbestimmungen geeignet sind.
Durch Variation der in ortho Position der N-Phenylazakronenether befindlichen Alkoxy-Gruppen und der fluorophoren Gruppe der Fluoroionophore konnte festgestellt werden, dass die Sensitivität und Selektivität für Kalium- bzw. Natrium-Ionen jeweils durch eine bestimmte Isomerie der 1,2,3-Triazol-1,4-diyl-Einheit erhöht wird. Des Weiteren wurde gezeigt, dass durch eine erhöhte Einschränkung der N,N-Diethylamino-Gruppe des Fluorophors eine Steigerung der Fluoreszenzquantenausbeute und eine Verschiebung des Emissionsmaximums auf über 500 nm erreicht werden konnte. Die Einführung einer Isopropoxy-Gruppe an einem N-Phenylaza-[18]krone-6-ethers resultierte dabei in einem hoch selektiven Kalium-Ionen Fluoroionophor und ermöglichte eine in vitro Überwachung von 10 – 80 mM Kalium-Ionen. Die Substitution einer Methoxy-Gruppe an einem N-Phenylaza-[15]krone-5-ether kombiniert mit unterschiedlich N,N-Diethylamino-Coumarinen lieferte hingegen zwei Natrium-Ionen Fluoroionophore, die für die Überwachung von intra- bzw. extrazellulären Natrium-Ionen Konzentrationen geeignet sind.
In einem weiteren Schritt wurden N-Phenylaza-[18]krone-6-ether mit einem Fluorophor, basierend auf einem [1,3]-Dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol-(DBD)-Grundgerüst, funktionalisiert. Die im Anschluss durchgeführten spektroskopischen Untersuchungen ergaben, dass die Isopropoxy-Gruppe in ortho Position des N-Phenylaza-[18]krone-6-ether in einen für extrazelluläre Kalium-Ionen Konzentrationen selektiven Fluoroionophor resultierte, der die Konzentrationsbestimmungen über die Fluoreszenzintensität und -lebensdauer ermöglicht.
In einem abschließenden Schritt konnte unter Verwendung eines Pyrens als fluorophore Gruppe ein weiterer für extrazelluläre Kalium-Ionen Konzentrationen geeigneter Fluoroionophor entwickelt werden. Die Bestimmung der Kalium-Ionen Konzentration erfolgte hierbei anhand der Fluoreszenzintensitätsverhältnisse bei zwei Emissionswellenlängen.
Insgesamt konnten 17 verschiedene neue Fluoroionophore für die Bestimmung von Kalium- bzw. Natrium-Ionen synthetisiert und charakterisiert werden. Sechs dieser neuen Moleküle ermöglichen in vitro Messungen der intra- oder extrazellulären Kalium- und Natrium-Ionen Konzentrationen und könnten zukünftig für in vivo Konzentrationsmessungen verwendet werden.