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Synthese und Funktionalisierung von weichen Hydrogelsonden auf Basis von Poly(ethylenglykol) als Kohlenhydrat Biosensoren
Cells interact with their environment via their surface. Therefore, cell
surfaces play a crucial role in cellular processes such as signaling,
communication, viral infections and adhesion. Every process on the cell
surface relies on molecular forces that are a complex interplay of chemical,
biological and physical interactions. Those interfacial interactions are
mediated by ligands and receptors and are the basis of the commonly known
âlock and key principleâ that controls cellular behavior. However, the exact
mechanisms of such binding interactions at interfaces are not fully understood
yet. This is especially true for ligand-receptor interactions at soft surfaces
that are based on sugar ligand and protein receptor recognition. Sugar ligands
are abundant on every cell as part of the glycocalyx and take part in cell-
cell interactions such as tissue growth or viral infections although sugar
ligands have only low affinities towards receptors. Nature overcomes this
problem by using multivalency â the presentation of multiple low affinity
sugar ligands e.g. anchored to a cell membrane that then leads to a stronger,
since multivalent binding event. Understanding the interactions of sugar
ligand modified surfaces is not only relevant in biology and medicine but can
also help to use sugar ligand modification in material sciences to create e.g.
novel tissue scaffolds or antiviral coatings. Therefore, it is the broad aim
of this thesis to construct a robust experimental platform to precisely
measure surface interactions focusing on carbohydrate mediated interactions
and to elucidate the structural and physiochemical parameters that affect
those interactions at interfaces. As main parameter the adhesion between a
presenting carbohydrate ligand surface and protein receptors surface is
determined. There are several methods, like atomic force microscopy (AFM) or
surface plasmon resonance (SPR) that are suitable to quantify adhesion.
However, they require a high level of technical knowledge, rather expensive
equipment and most importantly do not allow for the straightforward variation
of the physicochemical properties of the investigated surfaces e.g. a
controlled change in mechanical properties. Therefore this work uses a novel
approach via soft, hydrogel based probes to detect carbohydrate interactions.
In the first part, the synthesis of soft colloidal probes suitable for
adhesion measurements will be presented. These soft colloidal probes are based
on a biocompatible PEG scaffolds in order to reduce non-specific interactions
and allow for surface functionalization. A surfactant free synthesis of PEG
microparticles using kosmotropic electrolytes to salt out PEG in an aqueous
solution was performed. In order to use the hydrogel probes for the analysis
of interfacial interactions, in the second part radical surface chemistry was
introduced by using benzophenone as the photoinitiator to graft polymerizable
monomers to the SCPs. With this highly versatile method, various
functionalities such as carboxy or amine groups can be directly introduced
into the PEG network. The obtained SCPs were further modified with more
complex structures such as sugars or peptides and then tested for their use as
SCPs in adhesion measurements. In the third part, the differently
functionalized SCPs were used to measure adhesion forces by Reflection
Interference Contrast Microscopy (RICM). RICM is a simple method based on
contact mechanics theory (JKR theory) which correlates the adhesion induced
elastic deformation of the SCPs directly to their surface energy. Special
focus was devoted to the measurement of sugar/lectin mediated adhesion. As a
model system; the well known interaction between mannose and ConA was
evaluated. Here the influence of the elasticity of the SCP, the surface bound
ligand concentration and the type of grafting chemistry, was evaluated in
terms of changes in the adhesion process. Then, the inhibition of the
previously characterized direct binding of mannose/ConA with different
monosaccharides was evaluated. Therefore, a new inhibition/competition assay
based on the adhesion induced elastic deformation of the SCPs was developed.
This method allowed for inhibition measurements and give fast and
straightforward access to relative affinities of a variety of sugar ligands.
In addition, more complex molecules like multivalent glycooligomers were used
as inhibitors and screened for their relative affinities, thereby analyzing
the role of multivalent ligands and their surface interactions. Finally, the
combination of RICM with AFM is presented as a new technique to measure first
adhesion forces between receptor-modified surfaces and the SCPs under
variation of loading rate, loading forces as well as the contact time. In the
same time the contact area of the adhering object can be detected. The use of
such ligand modified hydrogels as force probes is supposed to mimic the
physiological situation, where the soft hydrogel-like glycocalyx interacts
with cell receptors. Secondly it allowed studying the ability of multivalent
carbohydrates to remain bound to the receptor surface upon forced contact and
competition with a ligand presenting SCP. Different ligands such as mannose or
multivalent glycooligomers were used as inhibitors and screened for their
inhibitory potential. In general, a new method based on PEG SCPs was developed
that is suitable for the measurement of adhesion with high sensitivity
allowing the detection of very weak biological interactions. On the one hand,
physiochemical influences can be studied by measuring direct binding between
ligands on the probes and receptors on a surface. On the other hand, stepwise
inhibition of these interactions with an analyte permits the performance of an
inhibition/competition assay. Thus, IC50 values suitable for determining
relative affinities of molecules towards their binding to the corresponding
receptors can be evaluated. Based on those adhesion measurement techniques,
kinetics can be measured by combining them with AFM. Therefore, more sensitive
measurements are achieved which additionally allow the measurement of forces
between these two bodies. Future work will focus on expanding the techniques
to further ligand/receptor pairs and to develop for high throughput screenings
as a new method to determine ligand affinities. Moreover, the application of
the hydrogel probes as extracellular matrix model will be tested for direct
cell interaction studies via AFM.Durch die spezifische Wechselwirkungen an der ZelloberflÀchen werden viele
biologischer Funktionen gesteuert. Beispielhaft hierfĂŒr ist die
Signaltransduktion, die AdhÀsion zweier Zellen oder das Anhaften eines Virus
an die ZelloberflÀche. Diesen Prozessen liegt die Bindung von Liganden und
Rezeptoren an der ZelloberflÀche zugrunde. Die strukturelle KomplexitÀt der
Bindungspartner und ermöglicht eine sehr selektive Ausbildung von Bindungen
und die Steuerung einer erstaunlichen Vielzahl von Prozessen nach dem
sogenannten SchlĂŒssel Schloss Prinzip. Die Mechanismen solcher
Bindungswechselwirkungen an OberflÀchen und die physikalisch-chemischen
EinflĂŒsse der Membran sind dabei nicht vollstĂ€ndig bekannt. Dies gilt
insbesondere fĂŒr die Ligand/Rezeptor-Wechselwirkungen auf weichen, flexiblen
OberflÀchen wie der Zellmembran oder der Glykokalyx. Die Zell-Glykokalyx ist
eine Kohlenhydrat-reiche Schicht, die jede eukaryotische Zelle umschlieĂt. Die
spezifischen Wechselwirkungen zwischen den Zuckerliganden der Glykokalyx und
Proteinrezeptoren sind ein wichtiger Teil der Erkennungsprozesse von Zellen.
Dies ist insofern erstaunlich, da Zuckerliganden nur eine geringe
BindungsaffinitÀt zu ihren Rezeptoren zeigen. Die Natur löst das Problem der
geringen AffinitĂ€t durch Multivalenz â dabei werden mehrere Zuckerliganden mit
ihrer geringen AffinitÀt prÀsentiert, z.B. verankert an einer Zellmembran, die
dann zu einem stĂ€rkeren, da mehrwertigen, Bindungsereignis fĂŒhrt. Das
VerstÀndnis von der Wechselwirkung von Zuckerligand modifizierten OberflÀchen
ist nicht nur in der Biologie und Medizin relevant, sondern wird auch in den
Materialwissenschaften angewendet, um z.B. GewebegerĂŒste oder antivirale
Beschichtungen herzustellen. Deshalb ist es das Ziel dieser Arbeit eine
robuste Plattform fĂŒr die Quantifizierung von schwachen Wechselwirkungen
zwischen weichen OberflÀchen zu schaffen, um insbesondere zuckergesteuerte
Wechselwirkungen zu analysieren zu können. Dabei sollen die strukturellen und
physikalisch chemischen Parameter aufgeklÀrt werden, die diese
Wechselwirkungen beeinflussen können, z.B. die Weichheit der OberflÀche oder
Dichte der Zuckerliganden. Der zentrale Messparameter bei dem entwickelten
Prinzip, ist die AdhÀsion, die zwischen einer Zucker- und RezeptoroberflÀche
wirkt. Es gibt mehrere Verfahren, wie die Rasterkraftmikroskopie (AFM) oder
OberflÀchenplasmonresonanz (SPR), die geeignet sind, um spezifische zwischen
BiomolekĂŒlen AdhĂ€sion zu quantifizieren. Allerdings erfordern sie ein hohes
MaĂ an technischem Wissen, teuren AusrĂŒstungen. Zudem erlauben sie nicht die
einfache Variation von physikalisch-chemischen Eigenschaften der zu
untersuchenden Objekte z.B. eine gezielte Ănderung der mechanischen
Eigenschaften der bindenden OberflÀchen. In dieser Arbeit wird eine neue
Methode prÀsentiert, welche weiche Hydrogelsonden (SCPs, soft colloidal
probes) fĂŒr die AdhĂ€sionsmessungen verwendet. Im ersten Teil dieser Arbeit
wird die Synthese dieser weichen Hydrogelsonden beschrieben. Dabei wird
Poly(ethylenglykol) (PEG) als Hydrogelmaterial verwendet, da es unspezifische
Wechselwirkungen reduziert und somit die SpezifitÀt der AdhÀsionsmessung
erhöht. Die Synthese der Sonden erfolgt durch das AusfÀllen von PEG aus einer
kosmotropen Salzlösung. Um die Hydrogelsonden fĂŒr AdhĂ€sionsmessungen nutzen zu
können, wird im zweiten Abschnitt die PEG OberflÀche mittels radikalischer
OberflÀchenchemie durch Verwendung von Benzophenon funktionalisiert. Dabei
entstehen Radikale am PEG GerĂŒst, die das Graften von polymerisierbaren
MolekĂŒlen ans PEG ermöglichen. Mit dieser Methode lassen sich eine Vielzahl an
funktionellen Gruppen wie Carboxyl- oder Amingruppen an die PEG Sonden
addieren. Diese funktionellen Gruppen können dann genutzt werden um komplexere
MolekĂŒle wie Zucker oder Peptide an die Sonden zu binden. Im dritten Teil der
Arbeit werden AdhÀsionsmessungen der funktionalisierten Sonden auf OberflÀchen
mittels Reflektionsinterferometrie (RICM) gemessen. RICM ist eine optische
Methode um KontaktflÀchen der adhÀrierenden Hydrogensonden sichtbar zu machen.
Mit Hilfe der Kontaktmechanik (JKR Theorie) kann aus der elastischen
Deformation der Sonden die AdhÀsionsenergie bestimmt werden. Ein besonderes
Augenmerk liegt auf der Messung von Ligand/Rezeptor Wechselwirkung von
Zucker/Proteinen an OberflÀchen. Um die Anwendbarkeit der neuen Methode zu
zeigen, wurde das bekannte Zucker/Lektin-Paar Mannose und Concanavalin A
(ConA) gewĂ€hlt. Die EinflĂŒsse von der ElastizitĂ€t der Sonden, der
Ligandenkonzentration sowie der Art der Funktionalisierung auf die AdhÀsion
wurde evaluiert. AnschlieĂend wurde die Inhibierung der zuvor
charakterisierten direkten Bindung von Mannose/ConA durch verschiedene
Monozucker getestet. Daher wurde eine neue Inhibitionsmessung, basierend auf
der spezifischen AdhÀsion des SCPs entwickelt. Dieses Verfahren zur
Inhibitionsmessung erlaubt schnellen und einfachen Zugang zur relativen
AffinitÀten einer Reihe von Zuckerliganden. Desweiteren wurden auch komplexere
Strukturen, die sogenannten sequenzdefinierten Glykooligomere auf ihre
inhibierende Wirkung getestet. Im letzten Teil der Arbeit wird die Kombination
von RICM mit AFM als neue Technik vorgestellt, um AdhÀsionskrÀfte zwischen
rezeptormodifizierten OberflÀchen und den SCPs unter Variation der
Beladungsrate, Krafteinwirkung als auch der Kontaktzeit zu messen. Die
Verwendung von ligandmodifizierten Hydrogelen als Kraftsensor soll die
physiologische Situation der weichen Glykokalyx und ihrer Wechselwirkung mit
Zellrezeptoren nachahmen. Zudem erlaubt es die Untersuchung der FĂ€higkeit
mehrwertiger Zucker unter Kontakt und unter Konkurrenz mit einem
ligandprÀsentierenden SCP an den Rezeptoren zu binden und die AdhÀsion der SCP
zu unterbinden. Verschiedene Liganden, wie Mannose oder mehrwertige
Glykooligomere wurden als Inhibitoren verwendet und auf ihre inhibitorische
Wirkung getestet. Generell wurden neue Methoden entwickelt, die mit Hilfe von
funktionalisierten PEG SCPs Messungen von AdhÀsion mit hoher Empfindlichkeit
erlauben und schwache biologische Wechselwirkungen nachzuweisen. Einerseits
konnten physikalisch chemische EinflĂŒsse durch direkte Bindungsstudien
zwischen Liganden und Rezeptoren an einer OberflÀche getestet werden,
andererseits konnte durch eine schrittweise Hemmung der Wechselwirkung durch
einen Analyten die DurchfĂŒhrung einer Inhibitionsmessung ermöglicht werden.
Dies ermöglichte die Etablierung eines screening assays, welcher relative
AffinitÀten der Analyten entsprechend ihrer Bindung an die Rezeptoren liefert.
Basierend auf den SCP AdhÀsionsmessung wurde die Kinetik durch die Kombination
mit AFM gemessen. Dadurch konnten empfindliche Messungen erreicht werden, die
zusÀtzlich Kraftmessungen zwischen einer weichen und harten OberflÀche
erlauben. ZukĂŒnftige Arbeiten werden sich auf die Erweiterung der Techniken
konzentrieren und weitere Ligand/Rezeptor Paare testen, sowie auf die
Entwicklung von High Throughput Screenings. DarĂŒber hinaus wird die Anwendung
der Hydrogel SCPs als Zellmimetik fĂŒr direkte Zell Wechselwirkungsstudien
mittels AFM untersucht werden
Specific Adhesion of Carbohydrate Hydrogel Particles in Competition with Multivalent Inhibitors Evaluated by AFM
Synthetic
glycooligomers have emerged as valuable analogues for
multivalent glycan structures in nature. These multivalent carbohydrates
bind to specific receptors and play a key role in biological processes.
In this work, we investigate the specific interaction between mannose
ligand presenting soft colloidal probes (SCPs) attached to an atomic
force microscope (AFM) cantilever and a Concanavalin A (ConA) receptor
surface in the presence of competing glycooligomer ligands. We studied
the SCPâConA adhesion energy via the JKR approach and AFM pull-off
experiments in combination with optical microscopy allowing for simultaneous
determination of the contact area between SCP and ConA surface. We
varied the contact time, loading rate and loading force and measured
the resulting mannose/ConA interaction. The average adhesion energy
per mannose ligand on the probe was 5 kJ/mol, suggesting that a fraction
of mannose ligands presented on the SCP bound to the receptor surface.
Adhesion measurements via competitive binding of the SCP in the presence
of multivalent glycooligomer ligands did not indicate an influence
of their multivalency on the glycooligomer displacement from the ConA
surface. The absence of this âmultivalency effectâ indicates
that glycooligomers and ConA do not associate via chelate complexes
and shows that steric shielding by the glycooligomers does not slow
their displacement upon competitive binding of a ligand presenting
surface. These results highlight the high reversibility of carbohydrateâsurface
interactions, which could be an essential feature of recognition processes
on the cell surface
Metal-Mediated Molecular Self-Healing in Histidine-Rich Mussel Peptides
Mussels withstand high-energy wave
impacts in rocky seashore habitats
by fastening tightly to surfaces with tough and self-healing proteinaceous
fibers called byssal threads. Thread mechanical behavior is believed
to arise from reversibly breakable metal coordination cross-links
embedded in histidine-rich protein domains (HRDs) in the principle
load-bearing proteins comprising the fibrous thread core. In order
to investigate HRD behavior at the molecular level, we have synthesized
a histidine-rich peptide derived from mussel proteins (His<sub>5</sub>-bys) and studied its reversible adhesive self-interaction in the
presence and absence of metal ions using PEG-based soft-colloidal
probes (SCPs). Adhesion energies of greater than 0.3 mJ/m<sup>2</sup> were measured in the presence of metal ions, and the stiffness of
the modified SCPs exhibited a 3-fold increase, whereas no adhesion
was observed in the absence of metals. Raman spectroscopy confirmed
the presence of metal-coordination via histidine residues by the peptideâsupporting
the role of His-metal complexes in the mechanical behavior of the
byssus
Carbohydrate-Lectin Recognition of Sequence-Defined Heteromultivalent Glycooligomers
Multivalency as a key principle in
nature has been successfully
adopted for the design and synthesis of artificial glycoligands by
attaching multiple copies of monosaccharides to a synthetic scaffold.
Besides their potential in various applied areas, e.g. as antiviral
drugs, for the vaccine development and as novel biosensors, such glycomimetics
also allow for a deeper understanding of the fundamental aspects of
multivalent binding of both artificial and natural ligands. However,
most glycomimetics so far neglect the purposeful arranged heterogeneity
of their natural counterparts, thus limiting more detailed insights
into the design and synthesis of novel glycomimetics. Therefore, this
work presents the synthesis of monodisperse glycooligomers carrying
different sugar ligands at well-defined positions along the backbone
using for the first time sequential click chemistry and stepwise assembly
of functional building blocks on solid support. This approach allows
for straightforward access to sequence-defined, multivalent glycooligomers
with full control over number, spacing, position, and type of sugar
ligand. We demonstrate the synthesis of a set of heteromultivalent
oligomers presenting mannose, galactose, and glucose residues. All
heteromultivalent structures show surprisingly high affinities toward
Concanavalin A lectin receptor in comparison to their homomultivalent
analogues presenting the same number of binding ligands. Detailed
studies of the ligand/receptor interaction using STD-NMR and 2fFCS
indeed indicate a change in binding mechanism for trivalent glycooligomers
presenting mannose or combinations of mannose and galactose residues.
We find that galactose residues do not participate in the binding
to the receptor, but they promote steric shielding of the heteromultivalent
glycoligands and thus result in an overall increase in affinity. Furthermore,
the introduction of nonbinding ligands seems to suppress receptor
clustering of multivalent ligands. Overall these results support the
importance of heteromultivalency specifically for the design of novel
glycoligands and help to promote a fundamental understanding of multivalent
binding modes