Polymer-protein conjugation via photo-induced inverse electron demand Diels-Alder (photo-IEDDA) reaction
Işık ile tetiklenen ters elektron talebi eden Diels-Alder metodu ile polimer-protein konjugatları
- Tez No: 871856
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUHAMMET ÜBEYDULLAH KAHVECİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 66
Özet
2022 yılında Bertozzi ve meslektaşları click kimyası ve bioorthogonal reaksiyonlarını geliştirdikleri için Noble Ödülü'ne layık görüldüler. Bu ödül click kimyasının ve bioorthogonal reaksiyonların ne kadar önemli bir konu olduğunun bir göstergesidir. Click kimyası ile ifade edilen reaksiyonlar, hızlı, spesifik yüksek etkinlikli ve başka fonksiyonel gruplara karşı inert bir grup kimyasal reaksiyonu kapsamaktadır. Bu avantajlarına ek olarak click reaksiyonları ılımlı reaksiyon koşullarında gerçekleştirildiği için de ön plana çıkmaktadır. Click kelimesi bagajlardaki kayışlardan gelen sesten ilham alınarak ortaya çıkmıştır ve eğer iki reaktan birbirlerini bulursa reaksiyon gerçekleşecek demektir. Click kimya reaksiyonları genelde hiçbir yan ürün üretmezler. Bu nedenle safsızlıklardan arındırmaları gerek yoktur. Click kimya reaksiyonlarının diğer avantajları başka fonksiyonel gruplara dayanıklı olmaları, düşük sıcaklıkta reaksiyonlarının yürütülmesi ve su bazlı çözücülerde çözünebilirlikleridir. Click kimya reaksiyonları 4 kategoriye ayrılmaktadırlar. Siklo katılma, nükleofilik yerdeğiştirme reaksiyonu, karbonil kondenzasyon ve katılma reaksiyonu. Bunların arasında önemli bir reaksiyon olan ters elektron gereksinimli Diels-Alder (IEDDA) bir siklo katılma reaksiyonudur. IEDDA reaksiyonları biyolojik ortama zarar vermediği için ve biyolojik ortamlardan etkilenmediği için biyoortogonal bir reaksiyon olarak kabul edilir. Biyoortogonal reaksiyonlar biyolojik ortamlarda yürütülen ve başka biyolojik reaksiyonlarla girişim yapmayan reaksiyonlardır. Bir reaksiyonun bioorthogonal olması için bazı şartları sağlaması gerekmektedir. Bu şartlar reaksiyonun gerçekleşmesi fizyolojik ortam şartlarında, yani ortam sıcaklık ve pH içinde olması, reaksiyonun hedefli ve yüksek verimli olması, ayrıca, başka nükleofiller, elektrofiller, yükseltgenler ve indirgeme reaktanlarla reaksiyona girmemesi düşük konsantrasyonlarda bile hızlı reaksiyona girmesi ve etkin ürün oluşturması ve normalde biolojik ortamda bulunmayan fonksiyonel gruplarla reaksiyona girmesidir Biyoortogonal reaksiyonların bazıları Staudinger ligasiyonu, bakır katalizörlü azid-alkin siklo katılması, bakırsız azid-alkin siklo katılması ve bazı Diels-Alder reaksiyonlarıdır. Diels-Alder reaksiyonu iki reaktanın verimli bir şekilde [4+2] siklokatılma reaksiyonudur. Diels-Alder reaksiyoları normal elektron gereksinimli Diels-Alder ve ters elektron gereksinimli Diels-Alder reaksiyonları şeklinde iki sınıfa ayrılır. Normal elektron gereksinimli Diels-Alder reaksiyonunda bir elektronca zengin dien bir elektron eksikliği olan dienofil ile reaksiyona girmektedir. Fakat bu reaksiyonlarda dienofil amin veya tiol gibi endojen nükleofiller tarafından saldırıya uğradığı için bir biyoortogonal reaksiyonu sayılmamaktadır. Ancak ters elektron gereksinimli Diels-Alder reaksiyonu bir elektron eksikliği olan dien ve bir elektronca zengin dienofil ile reaksiyona girmesi sebebi ile saldırıya uğrama sorunu olmadığı için bir bioorthogonal reaksiyonu sayılır. IEDDA reaksiyonun sonunda bir retro Diels-Alder reaksiyonu gerçekleşip bir nitrojen molekül ayrılması ile 4,5-dihidropyridazin oluşturur ki eğer yükseltgenilse pyridazin oluşur. IEDDA reaksiyonu çok hızlı ve yüksek verimli bir reaksiyondur. Bu reaksiyon başka fonksiyonel gruplara karşı dayanıklı ve uyumlu olup su bazlı çözücülerde oda sıcaklığında bile katalizörsüz hızlıca gerçekleşebilir. IEDDA reaksiyonun gerçekleştirilirken gerekli olan tetrazin molekülünün sentezinde en çok kullanılan yöntem alkil veya aril nitrillerin hidrazin ile reaksiyona girmesi ve dihidrotetrazin oluşulması ve sonrasında dihidrotetrazinin yükseltgenmesi ve tetrazinin oluşmasıdır. Reaksiyonun verimini daha da artırmak için sülfür katalizör olarak kullanılır. Bu reaksiyonlarda kullanılan bir çok yükseltgenme ajanları vardır. Bunların bir kaç tanesi sodium nitratın asit ile reaksiyona girdikten sonra oluştuğu azot gazı, 〖MnO〗_2 veya 〖CrO〗_3 gibi metal oksitler, veya peroxy asit, m-CPBA ve benzoyl peroxit ve hatta ışık olabilir. Işık ile tetiklenen IEDDA reaksiyonu methylene blue gibi ışığa duyarlılaştırıcılar ile 660 nm LED ışık ile yapılmaktadır. Bu sayede reaksiyon 200 saniyede bile gerçekleşebilir. Bu tür click reaksiyonları protein-polimer konjugatlarının elde kullanılan önemli konjugasyon reaksiyonlarıdır. Proteinler, biyouyumlulukları ve çeşitli biyolojik fonksiyonları gereği terapötik ajan, doku iskelesi, ilaç taşıyıcı sistem ve benzeri amaçlarda kullanılabilen biyomakromoleküllerdir. Ancak, proteinler doğaları gereği kısa in vivo yarı ömre, düşük kararlılığa, düşük çözünürlüğe ve immüniteye sahiptirler ve bu nedenle kullanımlar sınırlanmaktadır. Bu kısıtlayıcı dezavantajları gidermek için genellikle proteinler polimerlerle konjuge edilirler.“Grafting to”ve“Grafting from”metodlar ile polimer-protein konjugatları oluşturup proteinlerin kullanımlarını genişletmek mümkün olabilir. Bu tezde protein-polimer konjugatı elde etmek için ışıkla tetiklenebilir IEDDA reaksiyununa dayanan yeni bir konjugasyon yaklaşımı geliştirilmesi amaçlanmıştır. Geliştirilen yaklaşım bir fotouyarıcının ışıkla aydınlatılması sonucu dihidrotetrazin molekülünü oksitleyerek tetrazine dönüştürmesine ve oluşan tetrazinin IEDDA reaksiyonunun diğer subststrat molekülü olan bir olefinle kovalent bağ oluşturmasına dayanmaktadır. Bu bağlamda üzerinde olefin taşıyan proteine dihidrotetrazin uç fonksiyonlu polimerin bir fotouyarıcı varlığında aydınlatılması sonucu bağlanması hedefelenmiştir. Bu çalışmada ilk önce 6-(6-pyridin-2-yl)-1,4-dihydro-1,2,4,5-tetrazin-3-yl)-pyridin-3-amine (PPA-dHTz) sentezlendi. Bunun için 2-piridin-karbonitril ile 5-amino-2-piridin-karbonitril hidrazin ile reaksiyona girdi ve bu reaksiyonda sülfür katalizör olarak kullanıldı. Daha sonra PPA-dHTz süksinik anhidrit ile modifiye edildi ve PPA-dHTz-COOH elde edildi. Daha sonra PPA-dHTz-COOH poli(etilen glikol) (PEG) ve poli(beta amino ester) (PβAE) polimerlerinin uç gruplarına bağlandı. Diğer taraftan trans-5-hydroxy-1-cyclooctene (TCO) sentezlendi. Bunun için cis-5-hydroxy-1-cyclooctene (CCO), metil benzoat varlığında 254 nm ışık ile cis konformosyonundan trans konformosyonuna dönüştürüldü. Daha sonra disüksinimidil karbonat aracılığı ile TCO'nun süksinimidil ester türevi (TCO-NHS) elde edildi. Son olarak TCO-NHS, Concanavalin A proteininin serbest amin grupları ile reaksiyona sokularak Concanavalin A-TCO elde edilmiştir. MALDI-TOF analizleri TCO ile Concanavalin A'nın düşük verimle bağlandığını göstermektedir. Son olarak Concanavalin A proteine bağlı kabul edilmiş TCO'yu ışık ile tetiklenen IEDDA reaksiyonu metodu ile PβAE'e bağlı olan dihidrotetrazin bağlanmaya çalışıldı. Ancak MALDI-TOF analizi iyi sonuç vermediği için verimin artırılması yönünde çalışmalar devam etmektedir.
Özet (Çeviri)
Click chemistry and bioorthogonal reactions have drawn attention in recent years which brought Noble Prize in 2022. This can be explained by the fact that these reactions have fast kinetics and not interferring other chemical reactions in vivo. There are several bioorthogonal click reactions, one of which is inverse electron-demand Diels-Alder cycloaddition (IEDDA). IEDDA is drawing attention due to its fast kinetics and is being utilized in different areas such as drug delivery, protein modification, cell imaging, etc. This reaction has fast kinetics and can be performed without any catalysts. Initiation of this reaction can be controlled by light; so that it is named photo-induced inverse electron-demand Diels-Alder reacytion (photo-IEDDA) which enables spatial and temporal control. In this study, polymer-protein conjugates were synthesized by photo-IEDDA. Briefly, 6-(6-pyridin-2-yl)-1,4-dihydro-1,2,4,5-tetrazin-3-yl)-pyridin-3-amine (PPA-dHTz) was synthesized by the reaction between 2-pyridine-carbonitrile and 5-amino-2-pyridine-carbonitrile in the presence of sulphur. PPA-dHTz was modified with succinic anhydride to obtain carboxylic acid end-functional PPA-dHTz. The resultant precursor was attached to 5 kDa poly(ethylene glycol) (PEG) using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and 4-dimethylaminopyridine (DMAP) to obtain PEG-COO-PPA-dHTz. Also, end groups of a poly(beta-amino ester) (PβAE) were modified with PPA-dHTz using EDC and N-hydroxysuccinimide (NHS) in a different experiment. Chemical structures of both polymers were confirmed by 1H-NMR spectroscopy. On the other hand, trans-5-hydroxy-1-cyclooctene (TCO) was obtained by converting cis-isomer to trans-isomer via 254 nm irradiation. Trans isomer of TCO had polar and apolar isomers which polar isomer was used in the next experiments. The polar TCO was modified with succinimidyl ester and TCO-NHS obtained. TCO-NHS was attached to Concanavalin A protein. The PPA-dHTz end-functionalized PβAE and TCO functionalized Concanavalin A were conjugated to via photo-IEDDA with 680 nm laser irradiation in the presence of photosensitizer, Methylene Blue. The preleminary results were obtained with low yield; hence, the studies are in progress to achieve a improve the yields. 1H-NMR, UV-vis and MALDI-TOF mass spectroscopies were used to characterize above mentioned precursors and resultants.
Benzer Tezler
- 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
NAGİHAN ÖZBEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ÜBEYDULLAH KAHVECİ
- 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
- Novel polymeric materials via reactive polymers
Reaktif polimerlerden yeni polimerik malzemeler
NERGİZ CENGİZ
Doktora
İngilizce
2014
KimyaBoğaziçi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AMİTAV SANYAL
DOÇ. DR. RANA SANYAL
- Design, synthesis and characterization of thiol reactive dendrons for bioconjugation
Biyobirliktelik için tiyol reaktif dendronların tasarımı, sentezi ve karakterizasyonu
PELİN ERTÜRK
- Işığa-duyarlı akıllı ilaç taşıyıcı sistemler: DNA-polimer ve protein-polimer konjugatlarının sentezi ve karakterizasyonu
Light-responsive smart drug delivery systems: synthesis and characterization of DNA-polymer and protein-polymer conjugates
İREM AKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyoteknolojiBezm-i Alem Vakıf ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİNNUR TEMEL