Enzyme-mediated synthesis and post-modification of aqueous microgels

• Enzym-vermittelte Synthese und Post-Modifikation von wässrigen Mikrogelen

Gau, Elisabeth; Pich, Andrij (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Wässrige Mikrogele stehen in den letzten Jahren zunehmend im Fokus der Polymerforschung, da sie aufgrund ihrer Stimuli-responsiven Eigenschaften ein breites Anwendungsfeld eröffnen. Besonders Temperatur-responsive N-Vinylcaprolactam (VCL)-basierte Mikrogele sind von hohem Interesse für biomedizinische Anwendungen, da sie eine Volumen-Phasen-Übergangs-Temperatur (VPTT) nahe der Körpertemperatur sowie eine hohe Biokompatibilität aufweisen. Um die Anwendungsmöglichkeiten in diesem Bereich zu erweitern, steht die Entwicklung von Methoden zur Kombination von Mikrogelen und Biomolekülen besonders im Fokus der Forschung. Insbesondere die Kombination mit Enzymen bietet einen interessanten Ansatzpunkt, da diese als natürliche Alternativen für chemische Katalysatoren dienen und somit einen Weg zu nachhaltigerer Chemie eröffnen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Entwicklung verschiedener Methoden, um Mikrogele und Enzyme gewinnbringend zu kombinieren und so neue Materialien zu designen. Dazu sollen sich die Eigenschaften der hochporösen, adaptiven synthetischen Polymere und die der natürlichen, hoch selektiven Biokatalysatoren optimal ergänzen. In dieser Arbeit werden drei unterschiedliche Ansätze zur Kombination von Mikrogelen und Enzymen verfolgt. Zunächst werden zwei verschiedene Methoden zur Mikrogelsynthese untersucht, die darauf beruhen, Enzyme anstelle konventioneller, thermischer Initiatoren für die Radikalproduktion und anschließende Polymerisationsinitiierung zu nutzen. Hierbei werden Glukose Oxidase und Laccase verwendet, um Radikale für die Initiierung der Mikrogelsynthese durch freie, radikalische Fällungspolymerisation von VCL und Oligoethylenglykolacrylaten (OEGAs) zu generieren. Im zweiten Teil werden Methoden zur enzymbasierten Post-Modifikation von Mikrogelen analysiert. Eine generell anwendbare, hoch selektive Methode zur kovalenten Anbindung von Biomakromolekülen an Mikrogele durch Verwendung des Transpeptidase-Enzyms Sortase A wird etabliert, wobei das grün fluoreszierende Protein (eGFP) als Modelprotein verwendet wird. Zudem wird in einem anderen Ansatz das zuckerhaltige Monomer Ethylmetharylat-β-ᴅ-Galactopyranosid (Gal-EMA), das zuvor durch enzymatische Transglykosilierung mit Galactosidase hergestellt wurde, mit VCL copolymerisiert, um Mikrogele mit Galactose-Einheiten in den Seitenketten zu erhalten. Der dritte Teil dieser Arbeit widmet sich der Suche nach einer optimalen Immobilisierungsmethode für die Enzyme Phosphorylase b und Hyaluronan Synthase in Mikrogele. Hierbei werden Diffusion, kovalente Anbindung und elektrostatische Wechselwirkungen untersucht, um die Enzyme bestmöglich in Mikrogele zu immobilisieren.

Einrichtungen

• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie [154610]