Self-regulatin materials with transient lifetimes via internal feedback in PH

Heuser, Thomas; Möller, Martin (Thesis advisor); Walther, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Die Fähigkeit lebender Organismen, sich aktiv an ihre Umgebung anzupassen, wird von einer Vielzahl selbst-regulierender Prozesse gesteuert und dient damit als Vorbild für eine neue Generation autonomer, weicher Materialien. Die räumliche Domäne einer entstehenden Überstruktur lässt sich bereits durch gezieltes molekulares Design der zugrunde liegenden Bausteine steuern, wohingegen die Kontrolle der zeitlichen Domäne als eine große Herausforderung verbleibt. In meiner Arbeit befasse ich mich mit der Integration zeitlicher Signaturen in responsive, selbst-assemblierende Systeme, um so adaptionsfähige und selbst-regulierende Materialien zu erzeugen. Im vergangenen Jahrzehnt ist es Wissenschaftlern generell gelungen, die räumliche Organisation komplexer und hierarchisch aufgebauter Strukturen zu kontrollieren. Im einfachsten Fall steuert die gegenseitige Erkennung komplementärer Bausteinen, wie zum Beispiel DNA Basenpaarung, den Aufbau der entstehenden Überstruktur. Die Implementierung responsiver Komponenten erlaubt eine Schaltung zwischen getrennten Gleichgewichtszuständen durch äußere Reize und ermöglicht es so, Assemblierungs-/Disassemblierungsprozesse gezielt zu steuern. Um lebensähnliche Eigenschaften wie zum Beispiel Anpassung, vorgegebene Lebenszeiten und Selbstregulierung in der nächsten Generation bioinspirierter Materialien zu verwirklichen, ist der Strukturaufbau unter Nichtgleichgewichtsbedingungen ein wichtiges Kriterium. In meiner Arbeit programmiere ich transiente, kinetisch und biokatalytisch kontrollierte pH-Profile, welche die Lebenszeit verschiedener pH-responsiver, selbst-assemblierender Systeme steuern. Als erstes präsentiere ich ein kinetisches Konzept, welches die zeitliche Kontrolle eines selbst-assemblierenden Systems ermöglicht, indem dieses direkt an ein transientes, alkalisches pH-Profil gekoppelt wird. Durch die Kombination eines schnellen Promotors (Base) und eines langsam hydrolysierenden Deaktivators (Säure) lässt sich dieses pH-Profil realisieren. Diesen kinetischen Ansatz haben wir weiterentwickelt und den Feedback-gesteuerten biokatalysierten Umsatz von Urea in Ammonium-Ionen mit einem sauren Puffer gekoppelt, was uns die zeitliche Kontrolle von sauren pH-Profilen ermöglicht. Koppelt man diese an einen Peptid-Gelator, ermöglicht die Veränderung der Konzentration des Biokatalysators die zeitliche Steuerung der Lebenszeit der Hydrogele. Integriert man dieses biokatalytische Feedback System in ein photonisches Gel, welches auf einem pH-responsiven Blockcopolymer basiert, lassen sich so selbst-regulierende Bildschirme sowie fernsteuerbare Signalverbreitung realisieren. Abschließend ersetze ich sowohl den aktivierenden als auch den deaktivierenden Schritt durch Feedback-kontrollierte biokatalytische Reaktionen, wodurch ich sowohl einen vorgebebenen Startzeitpunkt, als auch die Lebenszeit transienter DNA-Hydrogele orthogonal steuern kann. Obwohl die Zielsetzung zeitlicher Kontrolle in allen präsentierten Konzepten grundlegend ist, zeichnen sie sich durch unterschiedliche Komplexität und Kontrollierbarkeit aus. Während das erste System auf einfacher Esterhydrolyse basiert, beruht das letzte auf zwei entgegengesetzt wirkenden, orthogonal steuerbaren Biokatalysatoren.