| License: Publishing license for publications excluding print on demand (13MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-133949
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.13394
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 19 July 2010 |
| Referee: | Prof. Dr. Burkhard König |
| Date of exam: | 26 June 2009 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected |
| Keywords: | Koordinationschemie, molekulare Erkennung, Isothermischer Titrationskalorimetrie, Fluoreszenz, Cyclen, coordination chemistry, molecular recognition, isothermal titration calorimetry, fluorescence, cyclen |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 13394 |
Abstract (English)
Reversible coordinative binding of Lewis basic donors to iminodiacetato (IDA) and nitrilotriacetato (NTA) metal complexes is widely used for the design of synthetic receptors binding to peptides, proteins or enzymes at physiological conditions. However, no data on the affinity of M(II)-NTA (M = Cu, Ni, Zn) to a single histidine or imidazole moiety are available. We herein report (chapter 1) the ...
Abstract (English)
Reversible coordinative binding of Lewis basic donors to iminodiacetato (IDA) and nitrilotriacetato (NTA) metal complexes is widely used for the design of synthetic receptors binding to peptides, proteins or enzymes at physiological conditions. However, no data on the affinity of M(II)-NTA (M = Cu, Ni, Zn) to a single histidine or imidazole moiety are available. We herein report (chapter 1) the investigation of the binding affinity and thermodynamics of copper(II), nickel(II) and zinc(II) NTA complexes to histidine, imidazole and hen egg white lysozyme, bearing a single surface exposed histidine unit, by isothermal titration calorimetry at physiological conditions. Further, we describe a peptide-metal complex hybrid approach to enhance the binding affinity of Cu(II)-NTA to lysozyme.
In the second part of this work (chapter 2) the rationally design of a selective peptide receptor is described. The combination of copper(II)nitrilotriacetato (NTA) complex with an ammonium-ion sensitive and luminescent benzocrown ether revealed a peptide receptor with a micromolar affinity and selectivity for glycine and histidine containing peptide sequences. This affinity closely resembles that of copper(II) ion peptide binding: The two free coordination sites of the copper(II) NTA complex bind to imidazole and amido nitrogen atoms, retracing the initial coordination steps of non-complexed copper(II) ions. The benzocrown ether recognizes intramolecularly the N-terminal amino moiety and the significantly increased emission intensity signals the binding event, as only if prior coordination of the peptide has taken place, the intramolecular ammonium ion � benzocrown ether interaction is of sufficient strength in water to trigger an emission signal. Intermolecular ammonium ion � benzocrown ether binding is not observed. Isothermal titration calorimetry confirmed the binding constants derived from emission titrations. Thus, as deduced from peptide coordination studies, the combination of a truncated copper(II) coordination sphere and a luminescent benzocrown ether allows for the more rational design of sequence selective peptide receptor. Suitable combinations of an affinity tag and an artificial probe are useful for non-covalent protein labelling. Several of such peptide tag � probe pairs have been developed and reported in the literature. The most prominent example is the His-tag � Ni(II)-NTA (nitrilotriacetic acid) pair. Recently, the Hamachi group reported a genetically encodable oligo-aspartate sequence (D4-tag) and a corresponding oligonuclear Zn(II) dipicolyl¬amine (Zn(II)-Dpa) complex as new peptide tag � probe pair, which is orthogonal to the His-tag � Ni(II)-NTA pair. We describe in the third part of this work (chapter 3) the preparation of fluorescent 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (cyclen) Zn(II) complexes and their application as an alternative artificial probe for the D4-tag system. The binding affinities of the new complexes to the affinity tags were investigated by emission and UV-vis titration. Tetranuclear Zn(II)-cyclen complexes respond to the presence of oligo-aspartate, oligo-glutamate and oligo-aspartate dimers in aqueous solution at micromolar concentrations by a strong spectroscopic change. Based on the high binding affinities due to strong electrostatic interactions and Job´s plot analysis, we propose the formation of receptor�peptide tag aggregates. The results clearly show the potential of Zn(II)-cyclen complexes for applications as non-covalent protein markers, although their optical properties require further optimization for practical use.
The fourth part of this work (chapter 4) deals with the syntheses of new amphiphilic 1,4,7,10-tetraazacyclododecane Zn(II) complexes for a template guided cooperative self-assembly of nucleotides at interfaces fabricated by combination of self-assembly monolayer technique (SAM) and Langmuir Blodgett technique (LB). Three amphiphilic Zn(II)-cyclen complexes were synthesized as binding sites at interfaces prepared by a combination of SAM and LB film approaches or in vesicles. Detailed investigations of the binding properties of surfaces incorporating the new amphiphilic complexes are in progress.
The fifth part of this work (chapter 5) deals with the preparation of self assembled vesicular polydiacetylene (PDA) particles with embedded metal complex receptor sites. The particles respond to the presence of ATP and PPi (pyrophosphate) in buffered aqueous solution by visible changes of their color and emission properties. Blue PDA vesicles of uniform size were obtained upon UV irradiation from mono- and dinuclear zinc(II)-cyclen and iminodiacetato copper [Cu(II)-IDA] modified diacetylenes, embedded in amphiphilic diacetylene monomers. Addition of ATP and PPi to the PDA vesicle solution induces a color change from blue to red observable by the naked eye. The binding of ATP and PPi changes the emission intensity. Other anions like ADP, AMP, H2PO4¯, CH3COO¯, F¯, Cl¯, Br¯ and I¯ failed to induce any spectral changes. The zinc(II)-cyclen nanoparticles are useful for the facile detection of PPi and ATP in millimolar concentrations in neutral aqueous solutions, while Cu(II)-IDA modified vesicular PDA receptors are able to selectively discriminate between ATP and PPi.
In the sixth chapter (chapter 6) we report a new methodology for the preparation of a artificial phosphate receptors. Phosphate anion probes typically consist of a binding site and a luminescent reporter group. The luminescent moiety is either part of the chemosensor in close proximity of the analyte binding site or in indicator displacement assays non-covalently bound to the binding site and displaced by the analyte. We report here the preparation and binding properties of 80 nm vesicular synthetic receptors, which contain amphiphilic 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (cyclen) Zn(II) complexes as phosphate anion binding sites and amphiphilic coumarin derivatives as fluorescent reporter groups. By colocalization of binding sites and reporter groups in the vesicle they respond to the presence of phosphate anions in aqueous solution at micromolar concentrations by a strong emission decrease. The technique avoids the covalent synthesis of labelled analyte binding sites and allows the rapid and versatile preparation of luminescent nanometer size synthetic receptors.
In the last part of this work (chapter 7) the syntheses of new non-fluorescent and fluorescent amphiphilic Lewis acidic metal complexes (metal chelating artificial lipids) based on 1,4,7,10-tetraazacyclododecane Zn(II) complexes, dipicolylamine (Dpa) complexes and a nitrilotriacetato acid (NTA) complex are described. The prepared metal chelating artificial lipids will be used for fabrication of complex self-assembled supramolecular surfaces by one or more different chemosensors for molecular recognition at interfaces.
Translation of the abstract (German)
Die reversible koordinative Bindung von Lewis basischen Donoren an Iminodiacetato (IDA) und Nitrilotriacetato (NTA) Metallkomplexe findet eine breite Anwendung für die Entwicklung von synthetischen Rezeptoren für die Bindung von Peptiden, Proteinen oder Enzymen unter physiologischen Bedingungen. Dennoch sind Daten für den Bindungsprozess von M(II)-NTA (M = Cu, Ni, Zn) an einfaches Histidin und ...
Translation of the abstract (German)
Die reversible koordinative Bindung von Lewis basischen Donoren an Iminodiacetato (IDA) und Nitrilotriacetato (NTA) Metallkomplexe findet eine breite Anwendung für die Entwicklung von synthetischen Rezeptoren für die Bindung von Peptiden, Proteinen oder Enzymen unter physiologischen Bedingungen. Dennoch sind Daten für den Bindungsprozess von M(II)-NTA (M = Cu, Ni, Zn) an einfaches Histidin und Imidazol in der Literatur nicht verfügbar. Deshalb konzentriert sich das erste Kapitel auf die Untersuchung der Bindungsaffinität und der Thermodynamik von Kupfer(II), Nickel(II) und Zink(II) NTA Komplexen an Histidin, Imidazol und Hühnereiweiß Lysozym, das ein oberflächenexponiertes Histidin trägt, mittels Isothermischer Titrationskalorimetrie (ITC) unter physologischen Bedingungen. In einem weiteren Ansatz wurde versucht, die Bindungsaffinität von Cu(II)-NTA an Lysozym durch einen Peptid � Metall Komplex Hybridrezeptor zu steigern. Die reversible koordinative Bindung von Lewis basischen Donoren an Iminodiacetato (IDA) und Nitrilotriacetato (NTA) Metallkomplexe findet eine breite Anwendung für die Entwicklung von synthetischen Rezeptoren für die Bindung von Peptiden, Proteinen oder Enzymen unter physiologischen Bedingungen. Dennoch sind Daten für den Bindungsprozess von M(II)-NTA (M = Cu, Ni, Zn) an einfaches Histidin und Imidazol in der Literatur nicht verfügbar. Deshalb konzentriert sich das erste Kapitel auf die Untersuchung der Bindungsaffinität und der Thermodynamik von Kupfer(II), Nickel(II) und Zink(II) NTA Komplexen an Histidin, Imidazol und Hühnereiweiß Lysozym, das ein oberflächenexponiertes Histidin trägt, mittels Isothermischer Titrationskalorimetrie (ITC) unter physologischen Bedingungen. In einem weiteren Ansatz wurde versucht, die Bindungsaffinität von Cu(II)-NTA an Lysozym durch einen Peptid � Metall Komplex Hybridrezeptor zu steigern.
Im zweiten Kapitel dieser Arbeit wird die rationale Entwicklung eines selektiven Peptidrezeptors beschrieben. Die Kombination aus einem Kupfer(II) nitrilotriacetato (NTA) Komplex und einem Ammoniumionen sensitiven und lumineszenten Benzokronenether, zeigte einen Peptidrezeptor mit mikromolarer Affinität und Selektivität für Peptidsequenzen, die Glycin und Histidin enthalten. Der Bindungsprozess verläuft ähnlich dem bekannter Kupfer(II) Ionen bindender Peptidsequenzen: Zwei der verbleibenden freien Koordinationsplätze am Kupfer(II) NTA Komplex werden durch Imidazol und den Amid Stickstoff besetzt. Dies entspricht in analoger Weise der schrittweisen Koordination freier Kupfer(II) Ionen durch die Peptidesequenz. Der Benzokronenether ist nun in der Lage intramolekular die verbleibende N-terminale Amingruppe des Peptides zu erkennen und der Bindungsvorgang wird durch einen signifikanten Anstieg der Fluoreszenzemission angezeigt. Dies ist jedoch nur möglich, wenn eine Vorkoordination des Peptides an den Metall Komplex erfolgt. Nur unter diesen Bedingungen ist die intramolekulare Ammoniumion � Benzokronenether Wechselwirkung von ausreichender Stärke um unter physiologischen Bedingungen eine Emissionsänderung hervorzurufen. Eine intermolekulare Ammonium Ion � Benzokronenether Wechselwirkung wurde nicht beobachtet. Mittels isothermischer Titrationskalorimetrie (ITC) konnten die Bindungskonstanten, die durch Emissionstitrationen erhalten wurden bestätigt werden. Abgeleitet von Peptid Koordinationsstudien an den Peptidrezeptor, kann gefolgert werden, dass die Kombination aus einer eingeschränkten Koordinationssphäre am Kupfer(II) Ion und einem lumineszenten Benzokronenether eine weitaus rationelleren Entwicklungsansatz von sequenzselektiven Peptidrezeptoren ermöglicht.
Nichtkovalente Proteinmarkierung durch die Wahl einer geeigneten Kombination aus einem Affinitäts-Tag und einem kleinen artifiziellen Molekül ist äußerst nützlich. Verschiedene derartiger Kombination wurden entwickelt und sind literaturbekannt. Das bekannteste Beispiel hierfür ist die Kombination aus einem His-Tag und einem Ni(II)-NTA Komplex. Hamachi et al entwickelten kürzlich eine neue Kombination bestehend aus einer genetisch kodierbaren oligo-Aspartat Sequenz (D4-tag) und einem zweikernigen Zn(II) Dipycolylamin (Zn(II)-Dpa) Komplex, der orthogonal zu oben genanntem System ist. Im dritten Kapitel dieser Arbeit berichten wir die Synthesen von fluoreszenten 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (Cyclen) Zn(II) Komplexen und deren Anwendung als alternative artifizielle Moleküle für das D4-System. Die Bindungsaffinitäten an die Affintäts-Tags wurde mittels UV-vis � und Emissions � Titration bestimmt. Nur die vierkernigen Zn(II)-Cyclen Komplexe zeigten eine starke spektroskopische Veränderung ihrer Banden in Anwesenheit von oligo-Aspartat, oligo-Glutamat und einem oligo-Aspartat Dimer bei mikromolarer Konzentration in wässriger Lösung. Basierend auf der hohen Bindungsaffinität, hervorgerufen durch starke elektrostatische Wechselwirkungen, und der Stöchiometrie des Bindungsprozesses ermittelt durch Job´s plot, wird eine Bildung von Peptid-Tag � Rezeptor Aggregaten angenommen. Die Ergebnisse zeigen deutlich das Potential der untersuchten Zn(II)-Cyclen Komplexe für Anwendungen im Bereich zur nichtkovalenten Proteinmarkierung, wenngleich deren optische Eigenschaften für praktische Anwendungen noch Verbesserungsbedarf benötigen.
Das vierte Kapitel dieser Dissertation bezieht sich auf die Synthese neuer amphiphiler 1,4,7,10-tetraazacyclododecan Zn(II) Komplexe zur Templat gesteuerten kooperativen Selbstorganisation von Nucleotiden an Grenzflächen, die mittels einer Kombination aus selbstorganisierten Monoschichten (SAM) und der Langmuir Blodgett Technik (LB) erzeugt werden. Drei amphiphile Zn(II)-Cyclen Komplexe wurden für die Verwendung als Bindungsstellen in Grenzflächen synthetisiert. Genauere Untersuchungen der Bindungseigenschaften von Oberflächen modifiziert mit den hier dargestellten neuen amphiphilen Metall Komplexen sind aktuell noch in Bearbeitung.
Der fünfte Teil dieser Arbeit (Kapitel 5) beschäftigt sich mit der Herstellung von selbstorganisierten vesikulären Polydiacetylen (PDA) Vesikel, in die Lewis saure Metall Komplex Einheiten mit eingebaut wurden. In gepufferter wässriger Lösung zeigen diese Vesikel in Anwesenheit von ATP oder PPi eine erkennbare Farbveränderung und eine Veränderung ihrer Emissionseigenschaften. Die Herstellung von einheitlich großen, blauen PDA Vesikeln erfolgte durch UV Bestrahlung von mono- und dinuklearen Zn(II)-Cyclen und Cu(II)-IDA (iminodiacetato) modifizierten Diacetylenen, welche mit amphiphilen Diacetylen Monomeren gemischt wurden. Die Zugabe von ATP und PPi zu einer solch polymerisierten PDA Vesikel Lösung rief einen Farbwechsel von blau nach rot hervor, der selbst mit bloßem Auge erkennbar war. Nur ATP und PPi erzeugten eine Veränderung der Emissionsintensität. Weitere Anionen wie ADP, AMP, H2PO4¯, CH3COO¯, F¯, Cl¯, Br¯ and I¯ hatten keinen Einfluss auf die Emissionseigenschaften der Partikel. Die Nützlichkeit der dargestellten Zn(II)-Cylen Nanopartikel kann durch eine einfachen Nachweis von PPi und ATP in millimolarer Konzentration in neutraler wässriger Lösung gezeigt werden. Cu(II)-IDA modifizierte vesikuläre PDA Rezeptoren hingegen ermöglichen eine selektive Unterscheidung zwischen ATP und PPi.
Im sechsten Kapitel wird eine neue Methodik zur Herstellung artifizieller Phosphatanionen Rezeptoren vorgestellt. Solche Rezeptoren bestehen üblicherweise aus einer Bindungsstelle und einem lumineszenten Marker. Die lumineszente Einheit kann entweder Bestandteil des Chemosensor sein und befindet sich in kurzer Distanz zur Analyt Bindungsstelle oder wird in einem Indikator Verdrängungs-Assay (IDA) an die Bindungsstelle gebunden und durch den Analyt verdrängt. In diesem Abschnitt berichten wir die Herstellung und die Bindungseigenschaften von 80 nm großen vesikulären synthetischen Rezeptoren, die amphiphilie 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (Cyclen) Zn(II) Komplexe als Phosphate Bindungsstellen und amphiphile Coumarin Derivate als fluoreszente Marker beinhalten. Eine Kolokalisierung der Bindungsstellen und der fluoreszenten Marker im Vesikel erlaubt eine Phosphatanionenerkennung in wässriger Lösung im Bereich mikromolarer Konzentrationen durch eine starke Emissionsabnahme. Diese Technik vermeidet die aufwendige Synthese von Bindungsstellen, die kovalent mit fluoreszenten Chromophoren markiert werden und ermöglicht eine schnelle und vielseitig Herstellung von lumineszenten synthetischen Rezeptoren im Nanometerbereich.
Im letzten Kapitel dieser Arbeit wird die Synthese neuer nicht-fluoreszenter und fluoreszenter amphiphiler Lewis azider Metall Komplexe (Metall chelatisierende artifizielle Lipide) basierend auf 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (Cyclen) Zn(II) Komplexen, dipicolylamine (Dpa) Metall Komplexen und Nitrilotriacetato (NTA) Metall Komplex vorgestellt. Die dargestellten artifiziellen Metall chelatisierenden Lipide werden für die Herstellung von komplexen selbstorganisierten supramolekularen Oberflächen bestehend aus einheitlichen oder mehreren verschiedenartigen Chemosensoren zur molekularen Erkennung an Grenzflächen verwendet.
Das vierte Kapitel dieser Dissertation bezieht sich auf die Synthese neuer amphiphiler 1,4,7,10-tetraazacyclododecan Zn(II) Komplexe zur Templat gesteuerten kooperativen Selbstorganisation von Nucleotiden an Grenzflächen, die mittels einer Kombination aus selbstorganisierten Monoschichten (SAM) und der Langmuir Blodgett Technik (LB) erzeugt werden. Drei amphiphile Zn(II)-Cyclen Komplexe wurden für die Verwendung als Bindungsstellen in Grenzflächen synthetisiert. Genauere Untersuchungen der Bindungseigenschaften von Oberflächen modifiziert mit den hier dargestellten neuen amphiphilen Metall Komplexen sind aktuell noch in Bearbeitung.
Der fünfte Teil dieser Arbeit (Kapitel 5) beschäftigt sich mit der Herstellung von selbstorganisierten vesikulären Polydiacetylen (PDA) Vesikel, in die Lewis saure Metall Komplex Einheiten mit eingebaut wurden. In gepufferter wässriger Lösung zeigen diese Vesikel in Anwesenheit von ATP oder PPi eine erkennbare Farbveränderung und eine Veränderung ihrer Emissionseigenschaften. Die Herstellung von einheitlich großen, blauen PDA Vesikeln erfolgte durch UV Bestrahlung von mono- und dinuklearen Zn(II)-Cyclen und Cu(II)-IDA (iminodiacetato) modifizierten Diacetylenen, welche mit amphiphilen Diacetylen Monomeren gemischt wurden. Die Zugabe von ATP und PPi zu einer solch polymerisierten PDA Vesikel Lösung rief einen Farbwechsel von blau nach rot hervor, der selbst mit bloßem Auge erkennbar war. Nur ATP und PPi erzeugten eine Veränderung der Emissionsintensität. Weitere Anionen wie ADP, AMP, H2PO4¯, CH3COO¯, F¯, Cl¯, Br¯ and I¯ hatten keinen Einfluss auf die Emissionseigenschaften der Partikel. Die Nützlichkeit der dargestellten Zn(II)-Cylen Nanopartikel kann durch eine einfachen Nachweis von PPi und ATP in millimolarer Konzentration in neutraler wässriger Lösung gezeigt werden. Cu(II)-IDA modifizierte vesikuläre PDA Rezeptoren hingegen ermöglichen eine selektive Unterscheidung zwischen ATP und PPi.
Im sechsten Kapitel wird eine neue Methodik zur Herstellung artifizieller Phosphatanionen Rezeptoren vorgestellt. Solche Rezeptoren bestehen üblicherweise aus einer Bindungsstelle und einem lumineszenten Marker. Die lumineszente Einheit kann entweder Bestandteil des Chemosensor sein und befindet sich in kurzer Distanz zur Analyt Bindungsstelle oder wird in einem Indikator Verdrängungs-Assay (IDA) an die Bindungsstelle gebunden und durch den Analyt verdrängt. In diesem Abschnitt berichten wir die Herstellung und die Bindungseigenschaften von 80 nm großen vesikulären synthetischen Rezeptoren, die amphiphilie 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (Cyclen) Zn(II) Komplexe als Phosphate Bindungsstellen und amphiphile Coumarin Derivate als fluoreszente Marker beinhalten. Eine Kolokalisierung der Bindungsstellen und der fluoreszenten Marker im Vesikel erlaubt eine Phosphatanionenerkennung in wässriger Lösung im Bereich mikromolarer Konzentrationen durch eine starke Emissionsabnahme. Diese Technik vermeidet die aufwendige Synthese von Bindungsstellen, die kovalent mit fluoreszenten Chromophoren markiert werden und ermöglicht eine schnelle und vielseitig Herstellung von lumineszenten synthetischen Rezeptoren im Nanometerbereich.
Im letzten Kapitel dieser Arbeit wird die Synthese neuer nicht-fluoreszenter und fluoreszenter amphiphiler Lewis azider Metall Komplexe (Metall chelatisierende artifizielle Lipide) basierend auf 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (Cyclen) Zn(II) Komplexen, dipicolylamine (Dpa) Metall Komplexen und Nitrilotriacetato (NTA) Metall Komplex vorgestellt. Die dargestellten artifiziellen Metall chelatisierenden Lipide werden für die Herstellung von komplexen selbstorganisierten supramolekularen Oberflächen bestehend aus einheitlichen oder mehreren verschiedenartigen Chemosensoren zur molekularen Erkennung an Grenzflächen verwendet.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 10:00
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