University of Groningen Bio-organic hybrids of DNA, peptides and

University of Groningen
Bio-organic hybrids of DNA, peptides and surfactants: from liquid crystals to
molecular sleds
Zhang, Lei
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2017
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Zhang, L. (2017). Bio-organic hybrids of DNA, peptides and surfactants: from liquid crystals to molecular
sleds [Groningen]: University of Groningen
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting
Biomacromoleculen, waaronder DNA, eiwitten of zelfs grotere structuren zoals virussen bestaande
uit deze bouwstenen, kunnen worden gecomplexeerd met oppervlakteactieve stoffen om
oplosmiddel-vrije biologische vloeistoffen te vormen. De drijvende kracht om beide tegengesteld
geladen entiteiten te verbinden zijn elektrostatische interacties. De verkregen hybriden bevatten zeer
hoge concentraties van structureel en functioneel intacte biomacromoleculen en tonen nieuwe
eigenschappen welke sterk verschillen van de twee afzonderlijke componenten. Hun toepassingen
kunnen worden uitgebreid tot technologieën welke onverenigbaar zijn met oplosmiddel systemen.
Voorbeelden zijn katalyse bij temperaturen boven het kookpunt van water of de vervaardiging van
elektronische apparaten waarbij water vaak nadelig is voor de prestaties van het apparaat. In dit
proefschrift werden dergelijke elektrostatisch gestabiliseerde oplosmiddel systemen verder
ontwikkeld. Enerzijds werd een oppervlakte-actief systeem ingevoerd welke een verlengd
aromatisch π-systeem bevatte. In eerdere werk werden eenvoudigere oppervlakte-actieve structuren
geïntroduceerd in dergelijke oplosmiddel systemen. De keuze van de oppervlakte-actieve stof
verandert aanzienlijk de fysische eigenschappen van de resulterende polypeptiden-gebaseerde
materialen. Het kan worden aangetoond dat zelfs kleine afschuifkrachten leiden tot een blijvende
faseverandering.
Anderzijds,
de
aromatische
groepen
welke
deel
uitmaken
van
de
oppervlakteactieve stof laten de constructie van lichtgevoelig materiaal toe, vooral door opname
van een schakelbare azobenzeen eenheid. In deze context werden licht-geïnduceerde mechanische
veranderingen in dunne films uit DNA gebaseerde thermotrope vloeibare kristallen gerealiseerd.
Een ander voorbeeld waarbij elektrostatische hechting zeer belangrijk is voor het ontwikkelen van
dynamische functionele systemen zijn DNA-eiwit interacties in de natuur. Een opmerkelijk
voorbeeld is pVIc, een 11-aminozuur peptide welke in staat is om te diffunderen langs
dubbelstrengs DNA. In de natuur is een-dimensionale diffusie langs nucleïnezuren van belang om
de splitsing van eiwitten op DNA door de schuivende protease te versnellen. Deze splitsing is een
belangrijke stap tijdens virus ontwikkeling. Geïnspireerd door de natuurlijke functionaliteit kan dit
concept gebruikt worden om een bredere klasse van processen met algemene laboratorium reacties
te versnellen.
In hoofdstuk 1 werden oplosmiddelvrije nucleïnezuren, eiwitten en virus vloeistoffen verkregen
door deze componenten met oppervlakte-actieve stoffen te complexeren om intermoleculaire
krachten tussen dezen te overwinnen beoordeeld. Faseovergang temperaturen van deze biologische
vloeistoffen kunnen worden afgestemd door de alkylketen lengte van de
144
oppervlakte-actieve
stoffen te veranderen. Daarnaast zijn ze thermisch stabiel en kunnen bestaan in de afwezigheid van
oplosmiddelen, wat de mogelijkheid biedt voor de vervaardiging van biomateriaal-gebaseerde
Geïnspireerd door de bestaande bio-vloeistoffen gevormd door middel van elektrostatische
complexatie, beschreven we in hoofdstuk 2 een bio-hydrogel welke mogelijk werd gemaakt door
een reeks van negatief supergeladen ongevouwen polypeptiden (SUPs) te complexeren met
kationische oppervlakte-actieve stoffen welke een azobenzeen eenheid (AZO) bevatte. Onder
toepassing van afschuifkrachten vond een isotherme fase-overgang plaats van wanordelijke isotrope
hydrogel naar een geordende nematische lyotrope vloeibaar kristal. Door de π-π interacties tussen
aangrenzende oppervlakte-actieve AZO stoffen in de SUP-AZO complexen, kan de geïnduceerde
nematische structuur worden behouden. Het faseovergang gedrag werd verder onderzocht door
toepassing van oscillerende afschuiving op SUP-AZO vloeistoffen. De resultaten toonden aan dat
de E144-AZO vloeistof, welke het langste polypeptide ruggengraat bevatte, een snellere
faseovergang van isotrope naar nematische fase vertoonde dan E72- en E36-AZO materialen. Het
molecuulgewicht en ladingsdichtheid van SUPs spelen een belangrijke rol in het reguleren van het
zelfordenings gedrag. Daarnaast werden andere mechanische stimuli bestudeerd, zoals
vloeistofstroming en vinger drukkrachten. Met een debiet van 40 ml/s verscheen een georiënteerde
vloeibare kristalstructuur. De dubbele breking patronen geïnduceerd door te drukken met de
vingertoppen kwamen goed overeen met verschillende typen vingerafdruk technieken. Vloeibare
kristallen geïnduceerde dubbelle breking is een uitstekend uitlezings signaal voor potentiële
toekomstige individuele identificatie.
In hoofdstuk 3 hebben we een nieuwe vertakte kationische oppervlakte-actieve stof gesynthetiseerd
welke ook een azobenzeen groep bevatte. De zuivere
oppervlakte-actieve stof toonde een
lamellaire vloeibare kristal structuur van -5 tot 50 °C. Bij ultraviolet licht (UV) bestraling,
veranderde de laagafstand van twee isomeren (cis en trans) van 3,82 nm (trans) naar 3,43 nm (cis).
Na complexering met dubbelstrengs (ds) en enkelstrengs (ss) DNA en dehydratie werd een nieuwe
mesofase van DNA thermotrope vloeibare kristal (TLC) verkregen. Terwijl voorheen alleen
smectische lagen werden gerapporteerd, hebben we hier met succes nematische textures
gerealiseerd. Deze mesofase is aanwezig in een temperatuurbereik van -7 tot 110 °C en bevat
slechts 3~5 % water. Na dehydratatie, werd de dubbelstrengs configuratie van DNA verkregen in de
nematische TLCs zoals bewezen door SAXS metingen. DNA-AZO complexen vertoonden hogere
elastische moduli dan de zuivere AZO oppervlakte-actieve stof, en wegens de stijfheid van DNA,
werden de elastische viscositeit en de prestaties van DNA-AZO TLC materialen aanzienlijk
145
verbeterd in vergelijking met de oorspronkelijke oppervlakte-actieve stof. Op basis van de
conformationele verandering van trans naar cis in de azobenzeen groep onder UV-bestraling, werd
het mechanische fotogevoelige gedrag van DNA TLC materialen onderzocht. Het werd bevonden
dat de stijfheid van dsDNA-AZO architecturen succesvol gemanipuleerd konden worden met licht
als de stimulus.
Naast de biomacromolecule LC-gebaseerde systemen in hoofdstukken 2 en 3, werd de focus in
hoofdstuk 4 verschoven naar het gebruik van de moleculaire peptide slee, pVIc. Alexander Turkin
en Antoine M. van Oijen voorzagen van een proof-of-principle waarin de associatie tussen biotine
en streptavidine kon worden versneld door het gebruik van de pVIc peptide, welke eendimensionale
diffusie onderging langs DNA. Deze reactie wordt algemeen gebruikt als een veelzijdige conjugatie
strategie, maar vereist echter geen snelheids verhoging. We verlengden het concept om de
driedimensionale zoek van supramoleculaire reactanten naar een enkele dimensie voor relevante
biotechnologisch technieken te verminderen, dat wil zeggen de polymerase-kettingreactie (PCR).
Daarvoor werd een set van primers aan hun 5'-uiteinde gekoppeld aan de schuivende peptide en
werden gebruikt voor het versnellen van het PCR-experiment, in het bijzonder voor de primertemplaat hechting in dit drie-stappen proces. De smelttemperaturen van de gemodificeerde primers
waren identiek in vergelijking met de ongemodificeerde primers. In dit hoofdstuk werden twee
paren primers en twee lengtes van DNA templaten onderzocht en de resultaten toonden aan dat de
PCR-reactietijd kan worden verkort met 15~27 % met behulp van moleculaire slee
gefunctionaliseerde primers. Deze verbetering kan worden toegeschreven aan de vermindering van
de dimensionale zoektocht welke primers maken om te hybridiseren aan hun complementaire
doelsequentie van het DNA templaat, wat dus leidt tot een versnelling van de PCR procedure.
In hoofdstuk 5 pasten we dit 1D-diffusie mechanisme toe om de vorming van covalente chemische
bindingen te versnellen en om de efficiëntie van DNA lichtsplitsing te verbeteren. Om de snelheid
van een chemische reactie te verhogen, werd gekozen voor een model waarbij een nucleofiele
substitutie van een sulfhydrylgroep op één slee molecuul vervangen werd voor een bromide atoom
op een andere slee. In de aanwezigheid van DNA kan de initiële reactiesnelheid tot 17,9-voudig
verhoogt worden door de substraten diffusie-dimensionaliteit te verlagen van drie naar een in
vergelijking met de reactie zonder DNA. Bovendien toonden de resultaten het potentieel van chirale
inductie binnen 1D-reactiesystemen. Verder hebben wij het slee molecuul pVIc aan de
fotosensibilisator verteporfin (VP) gekoppeld om DNA onder invloed van licht te splitsen. Na 30
min bestraling werd er een zichtbare DNA-banden verkregen op een agarose gel wanneer de
146
concentratie van het VP-pVIc conjugaat verhoogd werd tot 5 uM, terwijl er nog 90% DNA over
was na een reactie met pure verteporfin. Dit kan worden toegeschreven aan de 1D diffusie van pVIc
langs DNA om de geproduceerde reactieve zuurstofspecies (ROS) in de nabijheid van DNA te
concentreren. Deze strategie biedt een manier om de beperking van de levensduur en de actieve
straal van ROS te overkomen. In de toekomst zouden vergelijkbare fotosensitizer conjugaten de
behandelingstechnieken van fotodynamische therapie kunnen verbeteren.
147