Multivalent glycobiomaterials for specific recognition and binding by lectins

Rosencrantz, Ruben R.; Böker, Alexander; Elling, Lothar

doi:34936

Multivalent glycobiomaterials for specific recognition and binding by lectins = Multivalente Glykobiomaterialien für die spezifische Erkennung und Bindung durch Lektine

Rosencrantz, Ruben R.

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc., M.Sc. Ruben R. Rosencrantz aus Berlin-Neukölln

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang1 Online-Ressource (X, 175 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Elling, Lothar (Thesis advisor)^RWTH* ; Böker, Alexander (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-078389
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565371/files/565371.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565371/files/565371.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; glycopolymers (frei) ; multivalency (frei) ; chemo-enzymatic synthesis (frei) ; lectins (frei) ; biosensors (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Glykane gehören zu den komplexesten Biomolekülen und sind in der Natur für verschiedene Aufgaben von Zell-Zell-Adhäsionen und Kommunikation bis hin zur Invasion von Pathogenen verantwortlich. Der wichtigste Begriff bei Protein-Glykan-Interaktionen ist der "multivalente Effekt". Dieser beschreibt die Erhöhung in der Affinität, sobald die Anzahl der präsentierten Glykane in unmittelbarer Nähe zueinander erhöht wird. In dieser Arbeit war die Entwicklung und Evaluation von neuartigen Zucker-Gerüsten auf Basis von Polymeren für die spezifische Erkennung durch Lektinen unser Ziel. Hierfür wurden zwei Hauptansätze verfolgt: 1) Glykopolymere auf festen Trägern: Mit Hilfe von chemo-enzymatischen Synthesewegen wurden immobilisierte, multivalente Glykopolymer-Bürsten produziert, die verschiedene Glykane auf Basis von N-Acetyllaktosamin (LacNAc) auf Oberflächen wie Silizium oder Gold präsentieren. Die Glykosyltransferasen β4GalT-1, β3GlcNAcT und α3GalT wurden in biokatalytischen Kaskadenreaktionen genutzt, um auf der Oberfläche komplexer Glykane kontrolliert aufzubauen. Diese Oberflächen wurden mit verschiedenen Lektinen aus Pflanzen (GS-II, ECL, WGA) und humanem Galectin-3 untersucht. Die beschichteten Oberflächen erwiesen sich als hoch spezifisch in Kombination mit guten anti-adsorptiven Eigenschaften. Biosensoren wurden entwickelt, die mit Glykopolymer-Bürsten als funktionelle Oberfläche beschichtet sind. Mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) sowie lokalisierter Oberflächenplasmonresonanz-Spektroskopie (LSPR) wurde die Bindung von Lektinen verfolgt. Des Weiteren synthetisierten wir Siliziumoberflächen mit graduellen Bürstenlängen. Die erhaltenen Bindungsprofil-Funktions-Beziehungen waren spezifisch für jedes Lektin. 2) Glykopolymere in Lösung: Wir entwickelten ein doppelhydrophiles Blockcopolymer, das einen Glykopolymerblock aufweist. Als Grundlage diente Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) und an HEMA gekoppeltes N-Acetylglukosamin (GlcNAc). Diese Polymere bildeten in Wasser Mizellen und es konnten eine starke Bindung von Lektinen (GS-II) an die Zuckerkorona sowie die Möglichkeit der Aufnahme von hydrophoben Farbstoffen (Nile Red) nachgewiesen werden. Schließlich wurde in dieser Arbeit das Abfangen von bakteriellen Enterotoxinen mit glykofunktionalisierten Mikrogelen untersucht. Ein Trisaccharid bekannt als Galili-Struktur (Galα1,3Galβ1,4GlcNAcβ-) wurde in das biokompatible Gel einpolymerisiert und erstmals Durchflusszytometrie zur Bestimmung der Enterotoxin-Bindung an Mikrogele eingesetzt. Wir beobachteten eine starke Bindung von Toxin TcdA Rezeptorbindungsdomäne von Clostridium difficile an Galili-funktionalisierte Gele. In dieser interdisziplinären Arbeit konnten verschiedene multivalente Gerüste für spezifische Lektin-Bindung entworfen, hergestellt und mit analytischen und bioanalytischen Verfahren bewertet werden. Mögliche Anwendungen reichen von der Lektin-Charakterisierung bis zum biomedizinischen Gebrauch. Die Komplexität der Glykane und ihre Wechselwirkungen mit Proteinen bedingen die Kombination verschiedener Disziplinen aus Biotechnologie, Chemie, den Ingenieurwissenschaften und Medizin, um die Bedürfnisse an neuen glykobasierten Materialien zu erfüllen.

Glycans are one of the most complex biomolecules and are used in nature for various tasks from cell-cell adhesions and communication to invasion or pathogenic processes. The most important term in protein-glycan interaction is the “multivalent effect”. This describes the boost in avidity as soon as the number of presented glycans in close proximity to each other is increased. In this work, we aimed for the design and evaluation of multivalent scaffolds based on polymers for the specific recognition by lectins. Two major approaches have been taken: 1) Glycopolymers on solid supports: With chemo-enzymatic synthesis routes we produced immobilized, highly multivalent glycopolymer brushes presenting various glycans based on N-acetyllactosamine (LacNAc) on surfaces like silicon or even gold. Glycosyltransferases β4GalT-1, β3GlcNAcT, and α3GalT were utilized in biocatalytic cascade reactions to build-up complex glycans on the surface. These surfaces were evaluated with various lectins from plants (GS-II, ECL, WGA) and human galectin-3 and proved to be outstanding in means of avidity combined with good anti-fouling properties. We designed biosensors covered with glycopolymer brushes. With electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as well as localized surface plasmon resonance spectroscopy (LSPR) we followed the binding of lectins in up to two dimensions. Furthermore, we produced a gradient in brush length on silicon surfaces. Binding profiles for various lectins on different brush lengths were determined. This revealed interesting binding-profile-function relationships and was unique for each lectin. 2) Glycopolymers in solution: We developed block copolymers with a glycopolymer block based on hydroxyethylmethacrylate (HEMA) linked to N-acetylglucosamine (GlcNAc). The structures formed micelles in water and we proved strong binding of lectins (GS-II) to the sugar shell as well as the possibility of capturing hydrophobic dyes (Nile Red) within these nano-containers. Finally, the scavenging of bacterial enterotoxins with glyco-functionalized microgels was investigated within this work. Tri-saccharide known as Galili-structure (Galα1,3Galβ1,4GlcNAcβ-) was incorporated into the biocompatible polyethyleneoxide based gel and for the first time flow cytometry was used for determination of enterotoxin binding to the functionalized microgels. We evaluated gels loaded with LacNAc and Galili-structure and found strong binding of toxin TcdA receptor binding domain from Clostridium difficile to Galili-functionalized gels. In this interdisciplinary work, various multivalent scaffolds for specific lectin binding were designed, produced and evaluated with various analytical and bioanalytical methods. Possible applications range from deep and quantitative characterization of lectins to biomedical use and glyco-medicine. The complexity of glycans and their interactions with proteins force the combination of different disciplines from biotechnology, chemistry, to engineering and medicine to fulfill the needs of sophisticated novel sugar-based materials.

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