Preparation of functional surfaces and protein polymer conjugates via light induced tetrazine click reaction
Işıkla tetiklenebilir tetrazine klik reaksiyonu ile fonksiyonel yüzeylerin ve protein polimer konjugatlarının hazırlanması
- Tez No: 633554
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUHAMMET ÜBEYDULLAH KAHVECİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyokimya, Kimya, Biochemistry, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
“Click”(Klik) reaksiyonları, yirmi birinci yüzyılın başlarından itibaren fonksiyonel malzemelerin üretimi ve modifikasyonu için çok önemli bir reaksiyon haline gelmiştir. Bu tarihi denemeden sonra, siklokatılma reaksiyonları (Huisgen 1,3 ‐ dipolar siklokatılma ve ayrıca Diels-Alder(DA) reaksiyonları), 2-4 nükleofilik halka açılma reaksiyonları, bazı karbonil bileşiklerinin reaksiyonu, tiol-ene kimyası ve Michael katılmaları geliştirilmiştir. Ilımlı koşullar altında kantitatif verimleri içeren, herhangi bir rahatsız edici yan ürün üretmeyen ve birçok kimyasal işlevselliğe toleranslı olan değerli özellikler, bu kimyayı malzeme bilimi ve makromoleküler mühendislikte mükemmel bir araç haline getirir. Ayrıca, bu reaksiyonların bazıları kimyasal biyolojide kullanılır ve doğal biyokimyasal süreçlere müdahale etmeden canlı sistemlerin içinde meydana gelebildikleri için biyo-ortogonal reaksiyonlar olarak kabul edilir. Ters elektron gereksinimli Diels-Alder (IEDDA) reaksiyonu, kayda değer kinetiği ve biyoortogonal özelliği nedeniyle son zamanlarda öne çıkmıştır. IEDDA [4 + 2] siklokatılma reaksiyonu, elektronca zengin bir dienofil (çoğunlukla gergin halkalı olefin) ve elektron bakımından fakir bir dien (çoğunlukla 1,2,4,5-tetrazin)olmak üzere iki öncü molekül arasında köprü oluşmasıyla ve azot gazı salımıyla altı üyeli bir halka verecek şekilde gerçekleşir. Tetrazin her zaman iki bileşenden biri olduğundan, reaksiyona bazen tetrazin ligasyonu denir. İkinci bileşen en reaktif substrat molekülü olan trans-siklookten türevi olduğunda, kantitatif verim saniyeler ila dakikalar arasında elde edilir. Polimer kimyacılarının amaçlarından biri, ileri mimarilere sahip (örneğin homopolimerler, telekelik, dendronize ve yıldız polimerler ve blok ve aşı kopolimerleri) olan makromoleküllerin sentezidir. Yaşayan / kontrollü polimerizasyon yöntemleri (tersinir ilaveli parçalanma zinciri transfer polimerizasyonu (RAFT), nitroksit aracılı radikal polimerizasyon (NMRP), atom transfer radikal polimerizasyonu (ATRP), halka açma polimerizasyonu (ROP) ile kombinasyon halinde DA“click”reaksiyonları çeşitli mimarilere erişmek için kolay bir rotadır. Bu tez çalışmasında kullanılan tetrazin aracılı IEDDA Click Reaksiyonu yüksek seçiciliği ve süper hızlı kinetiğe sahip olması nedeniyle önemli bir modifikasyon tekniğidir. Polimer zincirlerine tetrazin kısımlarının eklenmesi, çok aşamalı sentetik yollar ve fonksiyonel polimerik malzemelere yol açan bir polimerizasyon sonrası adımı gerektirir. Bu tür yaklaşımlar, polimerin ve modifikasyonda kullanılacak olan molekülün ayrışmasıyla sonuçlanır. Bir başka çalışma alanı olan ışıkla tetiklenmiş fonksiyonel kaplamalar, günümüz toplumunun enerji ve çevre ile ilgili sorunlarına yönelik malzemelerin başarılı, etkili ve verimli bir şekilde kullanılması için önemli bir teknoloji sunmaktadır. Fotokatalist kaplamalar geleneksel olarak fiziksel / kimyasal buhar biriktirme veya sol-gel ile ilgili teknikler yoluyla elde edilir. Bu çalışma kapsamında IEDDAreaksiyonunun ışıkla tetiklenebilir versiyonu kullanılarak cam yüzeylerin modifikasyonu yapılmıştır. Bu reaksiyonda gerekli olan moleküllerden tetrazin molekülünün fotooksidasyon yoluyla elde edilmiştir. Bunun için iki farklı strateji uygulanmıştır; (1) dHTz fonksiyonel substratın (yani polimer) trans-5-hidroksisiklookten (TCO) ile modifiye edilmiş yüzeylere uygulanması ve (2) TCO-fonksiyonel substratın (yani protein) dHTz ile modifiye edilmiş yüzeylere uygulanması. İlk stratejide, cam yüzeyler, sırasıyla 3-aminopropiltrietoksisilan (APTES) ile tipik bir silanizasyon işlemi yapıldı ve ardından TCO molekülleri ile modifiye edilmiştir. PNIPAAm RAFT polimerizasyonu ile sentezlendi ve polimerin karboksilik asit uç grubu amidasyon yoluyla dHTz türevi (PPA-dHTz) ile fonksiyonlandırılmıştır. Sonuç olarak, dHTz fonksiyonel uçlu PNIPAAm, dihidrotetrazinin tetrazine in situ fotokimyasal dönüşümü ve IEDDA click reaksiyonu ile TCO fonksiyonelleştirilmiş cam yüzeylere bağlanmıştır. İkinci stratejide, TCO-fonksiyonel proteinler foto-IEDDA yoluyla dHTz ile fonksiyonlandırılmış cam yüzeylere bağlanmıştır. Her iki durumda da, yüzeyler su temas açısı ölçümleri (WCA), SEM ve FT-IR spektroskopi analizleri ile karakterize edilmiştir. Burada kilit nokta dHTz'nin tetrazine dönüşümü esnasındaki oksidasyon basamağının fotokimyasal olarak gerçekleşmesi ve in situ oluşan tetrazin molekülünün klik/konjugasyon reaksiyonunu vermesini sağlamaktır. Bu çalışma ile ileri teknolojik uygulamalardaki malzeme yüzeyinin modifikasyonunu sağlayacak, hızlı, etkin, ışık ile tetiklenebilir tetrazin click reaksiyonuyla ilk defa cam yüzeyler modifiye edilmesini sağlayacak bir yöntem geliştirilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca bu yenilikçi yaklaşımı kullanarak protein-polimer konjugatları (PPC) hazırlanmıştır. Bu konjügatlar, reaksiyonun ortak molekülü olan TCO ile ışık altında oluşturulan tetrazin molekülünün ve polimer bağının yardımıyla ışığa bağlı bir IEDDA reaksiyonu gerçekleştirilerek hazırlanmıştır. Bu amaçla, dHTz esas olarak siyano gruplarına sahip dipiridil öncüleri ile sentezlendi ve karboksilik asitle sonlanan PNIPAAm-COOH gibi terminal polimer grubuna bağlanmıştır. Öte yandan, proteinler (Concanavalin A ve sığır serum albümini, BSA), PBS ortamında TCO molekülü ile fonksiyonelleştirilmiştir. Son olarak, dHTz fonksiyonel PNIPAAm ve TCO fonksiyonel proteinler ışığa bağlı IEDDA yoluyla konjüge edilmiştir. Fonksiyonlandırılmış cam yüzeylerin hazırlanmasında kullanılan, dHTz'nin tetrazine dönüşümü sırasında oksidasyon aşamasının fotokimyasal klik / konjugasyon reaksiyonu ile gerçekleşmesini sağlayan strateji, PPC'nın hazırlanması için de kullanılmıştır. Hazırlanan konjugatlar kütle spektroskopisi (MALDI-TOF) ile analiz edilmiştir. Devam etmekte olan bu yaklaşım gelecekteki çalışmalarla iyileştirilebilir.
Özet (Çeviri)
Click reactions have been essential tool for fabrication and modification of functional materials from the beginning of the twenty-first century. After this milestone, several click approach including cycloaddition reactions (Huisgen 1,3‐dipolar cycloaddition, also the Diels-Alder (DA) reactions), nucleophilic ring‐opening reactions, reactions of some carbonyl compounds, thiol‐ene chemistry and Michael additions have been developed. The valuable features including quantitative yields under mild conditions, not producing offensive byproducts and tolerant to many chemical functionalities make this chemistry elegant toolbox in material science and macromolecular engineering. Additionally, some of these reactions are employed in chemical biology and considered as bioorthogonal reactions, since they can occur inside of living systems without interfering with native biochemical processes. Amongst these reactions, Inverse Electron Demand Diels-Alder (IEDDA) Reaction has come into prominence recently, due to its remarkable kinetics and biorthogonality. Polymer chemists endeavor the synthesis of macromolecules, which have advanced architectures (e.g. homopolymers and block copolymers). Combinations of DA“click”reactions with live/controlled polymerization methods are effective solutions to create various architectures, which qualify reversible added fragmentation chain transfer polymerization (RAFT), nitroxide-mediated radical polymerization, atom transfer radical polymerization (ATRP), ring-opening polymerization (ROP). With its high selectivity and super-fast kinetics, the tetrazine-mediated IEDDA Click Reaction is an essential modification technique, which is used in this thesis study. The addition of tetrazine portions to the polymer chains requires a post-polymerization step leading to multi-stage synthetic routes and functional polymeric materials. Such approaches result in the decomposition of the polymer and the molecule, which are specified for modification. In this study, the modification of glass surfaces was made by using the light-induced version of the DA reaction. The molecule required in this reaction was obtained by photooxidation of the tetrazine molecule. Therefore, two distinct strategies were employed; (1) grafting dHTz functional substrate (i.e. polymer) onto trans-5-hydroxycyclooctene (TCO)-modified surfaces and (2) grafting TCO-functional substrate (i.e. protein) onto dHTz-modified surfaces. In the first strategy, glass surfaces were decorated with TCO molecules by a typical silanization with 3- aminopropyltriethoxysilane (APTES) followed by straightforward transformations, while PNIPAAm synthesized by RAFT polymerization, was functionalized with a dHTz derivative (PPA-dHTz) by amidation at carboylic acid terminal of the polymer. Then, dHTz functional PNIPAAm was grafted to TCO functionalized glass surfaces by in situ photochemical transformation of the dihydrotetrazine to tetrazine and consequent IEDDA Click Reaction. In the second strategy, glass surfaces were functionalized with dHTz, to which proteins containing TCO moiety was grafted via photo-IEDDA. In both cases, glass surfaces were characterized by water contact angle measurements, SEM and FT-IR spectroscopy analyses. The key point here is to ensure that the oxidation step during the conversion of dHTz to tetrazine occurs by photochemically by click / conjugation reaction. With this study, it is propounded to develop a method that will enable the modification of the material surface in advanced technological applications, and that glass surfaces will be modified for the first time with a fast, effective, light-induced tetrazine click reaction. Also, we applied this method on the preparation of protein-polymer conjugates (PPC). These conjugates are prepared by performing a light-induced IEDDA reaction with the help of the tetrazine molecule formed under the light with trans-cyclooctene (TCO), which is the partner molecule of the reaction, and polymer bonding. Similarly, dHTz functional PNIPAAm was perpared. On the other hand, proteins (Concanavalin A and bovine serum albumin, BSA) were functionalized with TCO molecule in the PBS medium. Finally, dHTz functional PNIPAAm and TCO functional proteins were conjugated via light-induced IEDDA. The same strategy of preparation of functionalized glass surface have been used for preparation of PPC, in which the oxidation step during the conversion of dHTz to tetrazine takes place by a photochemical reaction. Finally, the PPCs were analyzed with mass spectroscopy (MALDI-TOF) and this ongoing method could be improved in future studies.
Benzer Tezler
- Biyomedikal uygulamalarda kullanılabilecek fonksiyonel polimerik yapıların hazırlanması
Preparation of utilizable functional polymeric structure in biomedical applications
GÖZDE DEVECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ÜBEYDULLAH KAHVECİ
- Preparation and characterization of hydrogen-bonded layer-by-layer polymer films containing magnetic nanoparticles
Manyetik nanoparçacıklar içeren hidrojen-bağlı katman-katman polimer filmlerin hazırlanması ve tanımlanması
MUHAMMAD ALYAAN AHMED KHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. İREM EREL GÖKTEPE
- BIOINTERFACIAL CELL/PROTEIN–POLYMER INTERACTIONS INVESTIGATED BY QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE WITH DISSIPATION
Hücre/protein–polimer biyoarayüzündeki etkileşimlerin disipasyon izlemeli kuvars kristal mikroterazi ile incelenmesi
AYŞE BUSE ÖZDABAK SERT
Doktora
İngilizce
2023
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
- Glutatyon tayini için fonksiyonel uç gruplu polimerik fırça platformlarının hazırlanması
Preparation of polymeric brush platforms with functional end groups for glutathione determination
NAZLI ELMALI
- Preparation of nanostructured interface by polymer grafting on various solid substrates for biosensor applications
Biyosensör uygulamaları için farklı alttaşlar üzerine polimer aşılama ile nanoyapılı ara yüzeylerin hazırlanması
SEZER ÖZENLER
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜMİT HAKAN YILDIZ