570 Biowissenschaften; Biologie
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Molecularly imprinted polymers (MIPs) mimic the binding sites of antibodies by substituting the amino acid-scaffold of proteins by synthetic polymers. In this work, the first MIP for the recognition of the diagnostically relevant enzyme butyrylcholinesterase (BuChE) is presented. The MIP was prepared using electropolymerization of the functional monomer o-phenylenediamine and was deposited as a thin film on a glassy carbon electrode by oxidative potentiodynamic polymerization. Rebinding and removal of the template were detected by cyclic voltammetry using ferricyanide as a redox marker. Furthermore, the enzymatic activity of BuChE rebound to the MIP was measured via the anodic oxidation of thiocholine, the reaction product of butyrylthiocholine. The response was linear between 50 pM and 2 nM concentrations of BuChE with a detection limit of 14.7 pM. In addition to the high sensitivity for BuChE, the sensor responded towards pseudo-irreversible inhibitors in the lower mM range.
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 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.
Biomimetic binders and catalysts have been generated in order to substitute the biological pendants in separation techniques and bioanalysis. The two major approaches use either "evolution in the test tube" of nucleotides for the preparation of aptamers or total chemical synthesis for molecularly imprinted polymers (MIPs). The reproducible production of aptamers is a clear advantage, whilst the preparation of MIPs typically leads to a population of polymers with different binding sites. The realization of binding sites in the total bulk of the MIPs results in a higher binding capacity, however, on the expense of the accessibility and exchange rate. Furthermore, the readout of the bound analyte is easier for aptamers since the integration of signal generating labels is well established. On the other hand, the overall negative charge of the nucleotides makes aptamers prone to non-specific adsorption of positively charged constituents of the sample and the "biological" degradation of non-modified aptamers and ionic strength-dependent changes of conformation may be challenging in some application.