On the interaction between proteins and nanoparticles [Elektronische Ressource] : coiled coil peptides organize nanoparticles and vice versa / vorgelegt von Sara C. Wagner

Sara Teasdale

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• Publié par: freie_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 40
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

On the interaction between proteins and nanoparticles:
Coiled coil peptides organize nanoparticles
and vice versa








Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades des
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)



eingereicht im Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie
der Freien Universität Berlin


vorgelegt von

Diplom-Chemikerin SARA C. WAGNER
aus Berlin, Deutschland


Januar, 2010































1. Gutachterin: Prof. Dr. Beate Koksch
2. Gutachterin: Prof. Dr. Sabine Schlecht

Disputation am 19.01.2010
ERKLÄRUNG

Hiermit erkläre ich, dass ich die hier vorliegende Arbeit ohne die unzulässige Hilfe
Dritter und ohne die Verwendung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt
habe. Die aus anderen Quellen direkt oder indirekt übernommenen Daten und
Konzepte sind unter Angabe der Quelle gekennzeichnet.

Die vorliegende Arbeit wurde in keinem früheren Promotionsverfahren angenommen
oder als ungenügend beurteilt.



Berlin, Januar 2010 Sara C. Wagner



Die Dissertation wurde in englischer Sprache verfasst. Aus dieser Dissertation gingen
folgende Veröffentlichungen hervor:


• Sara C. Wagner, Meike Roskamp, Manjula Pallerla, Raheleh Rezaei Araghi,
Sabine Schlecht, Beate Koksch, Nanoparticle induced folding and fibril formation of
coiled coil based model peptides, submitted.


• Sara C. Wagner, Meike Roskamp, Helmut Cölfen, Christoph Böttcher, Sabine
Schlecht, Beate Koksch, Switchable electrostatic interactions between gold
nanoparticles and coiled coil peptides direct colloid assembly, Org. Biomol. Chem.
2009, 7, 46-51.


• Kevin Pagel*, Sara C. Wagner*, Raheleh Rezaei Araghi, Hans von Berlepsch,
Christoph Böttcher, Beate Koksch, Intramolecular charge interactions as a tool to
control the coiled-coil-to-amyloid transformation, Chem. Eur. J. 2008, 14, 11442-
11451 (* Joint first authors).
DANKSAGUNG

Mein herzlicher Dank gilt Frau Prof. Dr. Beate Koksch für die Überlassung und
Betreuung dieses sehr interessanten und hoch aktuellen Promotionsthemas. Dabei
habe ich insbesondere die gewährte Freiheit zur Umsetzung geschätzt. Auch für die
Finanzierung und weitere Förderung meiner Arbeit durch die Teilnahme an
internationalen Konferenzen möchte ich mich bedanken.

Auch Frau Prof. Dr. Sabine Schlecht und Diplom-Chemikerin Meike Roskamp bin ich
zu großem Dank für die sehr fachkundige und erfolgreiche Kooperation verpflichtet.
Sowohl die sehr fachkundige Herstellung und Charakterisierung der Nanopartikel als
auch die kompetente Diskussionsbereitschaft haben erheblich zum Gelingen dieser
Promotionsarbeit beigetragen. Außerdem möchte ich mich bei Frau Schlecht ganz
besonders für die Übernahme der Begutachtung der Arbeit innerhalb eines sehr
knappen Zeitraumes bedanken.

Weiterhin gilt mein Dank Herrn PD Dr. Christoph Böttcher für die sehr kompetente und
ausführliche Einarbeitung in die Elektronenmikroskopie, die mir eine selbstständige
Anwendung dieser Methode auf diverse Fragestellungen in meiner Doktorarbeit
ermöglichte. Fachkompetente Diskussionen mit Herrn Dr. Christoph Böttcher und
Herrn Dr. Hans von Berlepsch sind von unersetzlichem Wert für das Gelingen dieser
Arbeit gewesen.

Herrn Prof. Dr. Rainer Haag danke ich für die Erlaubnis zur Benutzung des
isothermalen Titrationskalorimeters. Bei M.Sc. Mohiuddin Abdul Quadir möchte ich
mich für die engagierte experimentelle Einführung in die Isothermale
Titrationskalorimetrie bedanken.

Frau Antje Völkel und Herrn Dr. Helmuth Coelfen danke ich für die Kooperation zur
Durchführung und Auswertung der Ultrazentrifugationsexperimente.

Bei meinen Kollegen in der Arbeitsgruppe Koksch möchte ich mich für die
freundschaftliche und hilfsbereite Zusammenarbeit bedanken. Insbesondere M.Sc.
Raheleh Araghi Rezaei und Dr. Kevin Pagel danke ich für die Mitwirkung bei der
Entwicklung pH-sensitiver Modellpeptide.
Ich danke auch der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Fonds der Chemischen
Industrie und der FU Berlin für die Finanzierung meiner Promotionstätigkeit und der
Teilnahme an internationalen Konferenzen.

Zu guter letzt möchte ich mich bei meiner Familie und meinem Freund Michael für den
privaten Rückhalt und nötigen Freizeitausgleich danken. REFERAT

Nanotechnologie ist ein sehr junger und schnell wachsender Forschungsbereich, der
neue und sehr viel versprechende Lösungen für verschiedene Wissenschaftsbereiche
wie die Materialchemie oder Medizin verspricht. Die Verknüpfung mit dem Bereich der
Biotechnologie stellt einen sehr eleganten Ansatz dar, die ohnehin einzigartigen
optischen, elektronischen sowie magnetischen Eigenschaften von Nanopartikeln um
die vielfältigen und evolutionär selektierten Eigenschaften der Biomoleküle wie z. B.
hoch-spezifische Erkennungseigenschaften oder enzymatische Kontrolle zu erweitern.
Mehrere Studien haben erfolgreich gezeigt, dass Proteine eine Aggregation von
Nanopartikeln induzieren können, die gegebenenfalls in Abhängigkeit von
Umgebungsbedingungen wie pH-Wert oder Gegenwart von Metallionen schaltbar ist.
In keiner der bisherigen Veröffentlichungen konnte ein direkter Zusammenhang
zwischen der Symmetrie des Proteinfaltungsmotifs und der Geometrie der peptid-
induzierten Nanopartikelarchitektur gezeigt werden. Dennoch ist eine hochgeordnete
Anordnung der Nanopartikel ein entscheidendes Kriterium für
materialwissenschaftliche Anwendungen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit des α-helikalen coiled coil
Faltungsmotif für die Organisation von Nanopartikeln untersucht. Das Peptiddesign
wurde um zusätzliche Elemente erweitert, um elektrostatisch anziehende
Wechselwirkungen mit anionischen Goldnanopartikeln eingehen zu können. Das hier
entwickelte coiled coil-basierte Peptiddesign konnte erfolgreich dazu genutzt werden,
eine Aggregation der Nanopartikel zu induzieren. Diese Strukturierung konnte zudem
mittels pH-Wert reversibel geschaltet werden. Ein direkter Einfluss des
Oligomerisierungsgrads der coiled coil-Struktur auf die Strukturierung der Nanopartikel
konnte allerdings nicht nachgewiesen werden.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem umgekehrten Sachverhalt,
nämlich dem Einfluss des Nanopartikels auf die Proteinstruktur. Publikationen zu
nanopartikel-induzierten Proteinmissfaltungen führen zu wachsenden Bedenken
insbesondere hinsichtlich medizinischer Anwendungen von Nanoobjekten. Im Rahmen
dieser Dissertation wurde dieses Phänomen erstmals mit Hilfe von Modellpeptiden
untersucht. Insbesondere die Rolle der Primärstruktur sollte anhand eines coiled coil-
basierten Modellsystems geklärt werden. Es konnte gezeigt werden, dass vorrangig die
Bindungsstöchiometrie die Anreicherung des Peptids auf der Nanopartikeloberfläche
bestimmt und damit dramatisch die Konzentrationsgrenze für die Amyloidbildung
herabsetzt. Dennoch sind β-Faltblatt-induzierende Faktoren in der Peptidsequenz für
eine Missfaltung und Aggregation in Gegenwart von Nanopartikeln erforderlich. ABSTRACT

Nanotechnology is a very young and rapidly growing field that offers novel and very
promising solutions to different scientific areas such as materials science and
medicine. Its combination with biotechnology is a sophisticated way to complement the
unique optical, electronic, and magnetic properties of nanoparticles with the manifold
and evolutionarily selected features of biomolecules, i.e. highly specific recognition
interactions, structural diversity, sensitivity towards environmental conditions, or
enzymatic control. Several studies have already shown the applicability of proteins for
the assembly of nanoparticles that may be tuned by environmental conditions such as
the pH or the presence of metal ions in some cases. Nevertheless, to the best of our
knowledge, none of these approaches successfully devolved the symmetry of protein
folding motif to the geometry of the nanoparticle architecture in solution. At the same
time, a highly ordered nanoparticle arrangement is an essential requirement in
materials science.
In the first part of this thesis, the suitability of the α-helical coiled coil folding motif for
the organization of nanoparticles was investigated. The general coiled coil design was
modified such that the peptides were able to undergo electrostatically attractive
interactions with anionic nanoparticles. The design of coiled coil peptides developed
here induced an assembly of nanoparticles whereupon pH conditions were feasible to
direct this structuring in a reversible and repeatable manner. Th