Multivalent glycobiomaterials for specific recognition and binding by lectins

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015, 2016) [Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Glykane gehören zu den komplexesten Biomolekülen und sind in der Natur für verschiedene Aufgaben von Zell-Zell-Adhäsionen und Kommunikation bis hin zur Invasion von Pathogenen verantwortlich. Der wichtigste Begriff bei Protein-Glykan-Interaktionen ist der "multivalente Effekt". Dieser beschreibt die Erhöhung in der Affinität, sobald die Anzahl der präsentierten Glykane in unmittelbarer Nähe zueinander erhöht wird. In dieser Arbeit war die Entwicklung und Evaluation von neuartigen Zucker-Gerüsten auf Basis von Polymeren für die spezifische Erkennung durch Lektinen unser Ziel. Hierfür wurden zwei Hauptansätze verfolgt: 1) Glykopolymere auf festen Trägern: Mit Hilfe von chemo-enzymatischen Synthesewegen wurden immobilisierte, multivalente Glykopolymer-Bürsten produziert, die verschiedene Glykane auf Basis von N-Acetyllaktosamin (LacNAc) auf Oberflächen wie Silizium oder Gold präsentieren. Die Glykosyltransferasen β4GalT-1, β3GlcNAcT und α3GalT wurden in biokatalytischen Kaskadenreaktionen genutzt, um auf der Oberfläche komplexer Glykane kontrolliert aufzubauen. Diese Oberflächen wurden mit verschiedenen Lektinen aus Pflanzen (GS-II, ECL, WGA) und humanem Galectin-3 untersucht. Die beschichteten Oberflächen erwiesen sich als hoch spezifisch in Kombination mit guten anti-adsorptiven Eigenschaften. Biosensoren wurden entwickelt, die mit Glykopolymer-Bürsten als funktionelle Oberfläche beschichtet sind. Mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) sowie lokalisierter Oberflächenplasmonresonanz-Spektroskopie (LSPR) wurde die Bindung von Lektinen verfolgt. Des Weiteren synthetisierten wir Siliziumoberflächen mit graduellen Bürstenlängen. Die erhaltenen Bindungsprofil-Funktions-Beziehungen waren spezifisch für jedes Lektin. 2) Glykopolymere in Lösung: Wir entwickelten ein doppelhydrophiles Blockcopolymer, das einen Glykopolymerblock aufweist. Als Grundlage diente Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) und an HEMA gekoppeltes N-Acetylglukosamin (GlcNAc). Diese Polymere bildeten in Wasser Mizellen und es konnten eine starke Bindung von Lektinen (GS-II) an die Zuckerkorona sowie die Möglichkeit der Aufnahme von hydrophoben Farbstoffen (Nile Red) nachgewiesen werden. Schließlich wurde in dieser Arbeit das Abfangen von bakteriellen Enterotoxinen mit glykofunktionalisierten Mikrogelen untersucht. Ein Trisaccharid bekannt als Galili-Struktur (Galα1,3Galβ1,4GlcNAcβ-) wurde in das biokompatible Gel einpolymerisiert und erstmals Durchflusszytometrie zur Bestimmung der Enterotoxin-Bindung an Mikrogele eingesetzt. Wir beobachteten eine starke Bindung von Toxin TcdA Rezeptorbindungsdomäne von Clostridium difficile an Galili-funktionalisierte Gele. In dieser interdisziplinären Arbeit konnten verschiedene multivalente Gerüste für spezifische Lektin-Bindung entworfen, hergestellt und mit analytischen und bioanalytischen Verfahren bewertet werden. Mögliche Anwendungen reichen von der Lektin-Charakterisierung bis zum biomedizinischen Gebrauch. Die Komplexität der Glykane und ihre Wechselwirkungen mit Proteinen bedingen die Kombination verschiedener Disziplinen aus Biotechnologie, Chemie, den Ingenieurwissenschaften und Medizin, um die Bedürfnisse an neuen glykobasierten Materialien zu erfüllen.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Rosencrantz, Ruben R.

Gutachterinnen und Gutachter

Elling, Lothar
Böker, Alexander

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-078389
  • REPORT NUMBER: RWTH-2015-07838