Self-replicators from dynamic molecular networks: selection, competition and subsystem
coupling
Komáromy, Dávid
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from
it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Komáromy, D. (2019). Self-replicators from dynamic molecular networks: selection, competition and
subsystem coupling. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
243
Samenvatting
Complexe systemen zijn overal te finden. Een belangrijk kenmerk van zulke systemen is emergentie, d.w.z. het feit dat de eigenschappen van het geheele systeem kwalitatief anders is dan het totaal van zijn delen. Het begrijpen van complexe systemen is dus begrensd omdat we weinig aanblik hebben in de emergentie van de complexe eigenschappen van een systeem gebazeerd op zijn individuele elementen. Scheikunde is de beste veld van de exacte wetenschappen om zulke complexe systemen en hun eigenschappen te verklaren, want scheikunde omvat verscheidene lagen van complexiteit, van atomen tot macromoleculen. Het hoofddoel van dit proefschrift is om te verklaren hoe complexe chemische systemen van eenvoudige elementen kunnen worden geconstrueerd, en hoe de emergentie van phenomenen in zo’n systeem bottom-up vernadering kunnen worden begrepen.
In Hoofdstuk 1 worden de algemene begrippen geintroduceerd, die voor de beschrijving van complexe chemische systemen nodig zijn zoals reactienetwerken, zelf-assemblage, zelf-sortering, zelforganisatie, zelfreplicatie en de koppeling van zulke subsystemen. In deze context worden DCLs (dynamic combinatorial libraries of dynamische chemische bibliotheken) als een speciele soort van chemische reactienetwerken gedetailleerd beschreven. DCLs zijn dynamisch interconverterende mengsels van moleculen die van kleinere moleculaire bouwstenen geconstrueerd worden; de bouwstenen beschikken over functionele groepen, die reversibele covalente bindingen kunnen vormen. Door toevoeging van interne of externe templates of door fysische effecten worden nieuwe, secondaire interacties geintroduceerd, waarbij de evenwichtssamenstelling van DCLs veranderd kan worden. Thiol-disulfide chemie wordt als een typisch voorbeeld voor dynamische chemie geintroduceerd. Verder, baserend op onze expertise in chemie van synthetisch zelfreplicerende systemen, worden onze nieuwe ontwikkelde peptide-disulfide replicatoren beschreven. In deze DCLs worden peptid-dithiol bouwstenen in waterige oplossing onder roeren geoxideerd, die daarbij een mengsel van disulfide macrocycles vormen. Één (of meer) van deze macrocyclen zijn in staat zich autokatalytisch te zelf-assembleren, die daarbij door hydrofobische interacties tussen de aromatisch ringen en intermoleculaire waterstofbrugen tussen de peptide zijketens, nanostapels vormen. De stapels kunnen aan beide uiteinden verder groeien door binding van macrocycles uit de oplossing; bovendien, worden ze door mechanische agitatie gebroken, wat het aantaal van katalytisch actief uiteinden verdubbelt wat het systeem naar exponentiële autokatalytisch zelfassemblage drijft.
In Hoofdstuk 2, is er beschreven hoe niet-covalente zelf-assemblage de vorming van covalente bindingen naar twee totaal verschillende uitkomsten kan leiden, resulterend ofwel in een diverse collectie van macrocycles of één specifieke macrocycle. De nieuwe oligo(ethyleenoxide)-gefunctionaliseerde
244
dithiol bouwsteen 1b (Scheme 6. 1) wordt beschreven, die twee verschillende groepen van disulfide macrocycles vormt, afhankelijk van de mechanochemische behandeling van de oplossing. In de afwezigheid van mechanische agitatie ontstaan grote macrocycles (GMCs), tot de cyclische 44mer. De vorming van GMCs gebeurt door aggregatie van trimeren en tetrameren (aangedreven van de hydrofobiciteit van de macrocycles), die grotere macrocycles vormen door aggregatie-versterkte uitwisseling van covalente bindingen. Als echter de oplossing geroerd wordt, ontstaat uitsluitend de zelf-replicerende hexamer (1b)6, die zelf-assembleert in nanolinten. Kleine veranderingen in de structuur van de bouwstenen leidt tot grote veranderingen op het systemniveau: oxydatie van bouwsteen 1a leidt tot de zelf-replicerende tetramer (1a)4 bij mechanische agitatie en alleen een kleine hoeveelheid van GMcs, terwijl de oxydatie van dithiol 1c uitsluitend tot de vorming van GMCs (onafhankelijk van de aanwezigheid van mechanische agitatie) leidt.
In Hoofdstuk 3 wordt er voor de eerste keer gedemonstreerd hoe zelf-replicatie door een effectormolecuul in een systeem gecomponeerd van twee gekoppelde subsystemen (koppeling gerealiseerd door disulfide DCC) veroorzaakt kan worden. Het eerste subsysteem, gebaseerd op bouwsteen 1b is voor zelf-replicatie verantwoordelijk, terwijl het tweede ondersystem, opgesteld uit bouwsteen 2 en spermine (5) de rol van binding (moleculaire herkenning) speelt, door de vorming van de complex 24●5 met nanomolaire affiniteit m.b.t. spermine binding. Mechanische agitatie van een equimolaire mengsel van 1b en 2 leidt tot een DCL van meer dan 30 macrocyclische soorten, zonder de aanwezighied van replicator (1b)6. De toevoeging van effector 5 leidt tot de ogenblikkelijke vorming van complex 24.5, waardoor de rest van de DCL uit alleen oligomeren van bouwsteen 1 bestaat. In overeenstemming met de resultaten van Hoofdstuk 2, brengt verder roeren de autokatalytische vorming van replicator (1b)6 teweeg. Behalve van effector-veroorzaakte zelf-replicatie, is dit system een specifiek voorbeeld van zelf-sortering, waarin door de toevoeging van effector 5 het originele gemengde DCL in een twee-componenten mengsel van (1b)6 en 24.5 wordt getransformeerd. Bovendien, kan het systeem meerdere malen worden geschakeld tussen gemengde en zelf-gesoorteerde toestanden. Verder is het mogelijk, om het begin, de snelheid en omvang van zelf-replicatie af te stemmen door de hoeveelheid toegevoegde effector aan te passen. Ten slotte werd duidelijk dat deze benadering modulair is, d.w.z. de eigenschappen van zelfassemblage van 1a en 1c blijven behouden als deze gebruikt worden in het replicator subsysteem in plaats van 1b.
In de voorgaanden hoofdstuken werd een nieuwe zelf-replicerende disulfide macrocycle (1b)6 beschreven, met zelf-assemblage eigenschappen en morfologie anders dan die van eerder ontdekte, op peptiden gebaseerde replicerende macrocycles. In Hoofdstuk 4 word de sterkte van zelf-assemblage evenals de zelf-en cross-katalytische eigenschappen van (1b)6 met die van de peptide-gefunctionaliseerde replicatoren (3a)6 en (3b)8 vergelijkt. We constateerden dat in geroerde DCLs gemaakt van 1b en 3a de toevoeging van toenemende hoeveelheden van 1b de vorming van gemengde
245
hexameren veroorzaakten. De relatieve molaire verhoudingen van deze hexameren komen overeen met de verwachtte statistische distributies die de stoichiometrie van de bouwstenen afgeleidt van. Op het supramoleculaire niveau detecteerden we echter geen overgang van de een tot de andere morfologie, zulk doorlopende overgang van een tot de andere morfologie wordt niet gedetecteerd. De characteristische supramoleculaire eigenschappen van de individuele replicatoren zijn zelfs bij de toevoeging van kleine bedragen (10 mol %) van de andere bouwsteen niet meer detecteerbaar. Bij intermediare (20-80 mol%) stoïchiometrien ontstaat er een nieuwe supramoleculaire fase die assembleert in achirale stapels. De gemengde hexameren bij 50 mol% 1b ontstaan als één set van replicatoren. Ook constateerden we dat ze wederzijds cross-katalytisch zijn met (3a)6. In tegenstelling, toont (1b)6 alleen autokatalytische eigenschappen. Deze trend is aan de gelijke assemblage sterkte en morfologie van de gemengde replicatoren en (3a)6 toe te schrijven.
Deze studies worden op het system gebaseerd op op bouwstenen 1b en 3b uitgebreid; gelijke systeemeigenbedrag word opgemerkt. Echter, als 3b de vorming van de octamer replicator (3b)8 in tegenstelling tot hexamer vormende 1b bevoordeelt, zijn er opmerkelijke verschillen in de katalytische verhoudingen. Ten eerste, bij geleidelijke toename van de relatieve hoeveelheid 1b verdwijnt octamer (3b)8 zelfs bij incorporatie van geringe hoeveelheden (<10 mol %) 1b. Ten tweede, bij cross-katalyse tussen de op peptide-gebaseerde en gemengde replicatoren ging tezamen met informatie verlies over de macrocycle grootte wat resulteerde in het ontstaan van hexamer replicatoren in alle gevallen. Zowel macrocyclus grootte als sterkte van de interacties tussen individuele macrocycles bepalen auto- en cross-katalytische eigenschappen van de verschillende replicators.
In Hoofdstuk 5 wordt er gedemonstreerd hoe in een DCL gecomponeerd van bouwstenen 3c and 2 drie disulfide macrocycles selectief worden gevormd. Deze selectivieteit kan alleen door de stoichiometrie van de DCL bestuurd worden. Verder, tonen elk van de drie macrocycles zeer verschillende characteristica m.b.t. de zelfassemblage. Bij geringe hoevelheden (< 10 mol%) van 2, wordt de zelf-replicerende octamer macrocycle (3c)8 gevormd, die zich assembleert in korte stapels. Bij intermediare hoeveelheden van 2 (20 mol%) ontstaat de gemiddelde hexamer (3c)422, die in lange en dikke bundels van stapels zelf-assembleert. Bij hogere (> 33 mol%) hoeveelheden van 2, verschijnt naast de hexamer de gemengde tetramer (3c)123, zelf-assemblerend in een [c3]-ketting [(3c)123]3. Deze macrocyclus wordt het enige product bij nog hogere (≥ 75 mol%) hoeveelheden van 2. De gemengde, stoïchiometrie-specifieke hexameer (3c)422 is een zelf-replicator, maar één met opmerkelijk laage kinetisch barrière voor de formatie. In aanvulling op het hydrofobische effect, wat verantwoordelijk is voor de verticale assemblage van hexameer macrocyclen, leiden ionische interacties tussen positief geladen lysine zijketens en negatief geladen aromatisch carboxylaatgroepen tot de zijdelings associatie de stapels, resulterend in bundels van meerdere stapels. De assemblage van de [c3]-ketting [(3c)123]3 wordt zowel door de ladingscomplementarieit, de hydrofobiciteit van de lysine zijketens en de kern van
246
de macrocylus bevorderd. Verder, hebben we de relatieve krachten van de interacties binnen de individuele assemblagesoorten vergeleken; de uitslagen van deze experimenten bewijzen de hexamer (3c)422 de thermodynamisch meest gunsdigde assemblage, door de multivalente interacties tussen de stapels. Opmerkelijk is dat de vorming van hexamer (3c)422 zoals van tetramer [c3]-ketting [(3c)123]3 vormen exclusief (> 90 % van de teoretisch opbrengst) bij elk bijbehorende DCL stoïchiometrie (33 en 75 mol% 2). Hoewel zelfs bij onevenwichtige stoïchiometries talrijke diverse macrocyclen kunnen ontstaan, geven deze bevindingen aan dat er van sterke en specifieke intermoleculaire interacties aanwezig zijn, die de assemblages organiseren en als gevolg de DCLs naar unieke stoïchiometrische uitkomsten sturen. Bovendien wordt de modulariteit van onze benaderingswijze onderzocht; er wordt waaruit bleek dat DCLs gebaseerd op de verwante peptide analogen 3b en 3d dezelfde systemseigenschappen (specifieke vorming van gemiddelde hexamer en tetramer met dezelfde stoïchiometrie) hebben, terwijl het gebruik van peptide 3a in plaats van 3c uitsluitend tot de vorming van de gemiddelde tetrameer leidt (de hexamer (3a)422 wordt niet gevormd). Ten slotte, in de DCL bereidt van 3c en bouwsteen 4 (isomeer van 2) wordt geen specifieke macrocyclen gevormd.
