University of Groningen
Folding and replication in complex dynamic molecular networks
Liu, Bin
DOI:
10.33612/diss.99784510
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):
Liu, B. (2019). Folding and replication in complex dynamic molecular networks. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.99784510
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.
Samenvatting
De systeemchemie is de afgelopen tien jaar tot bloei gekomen en heeft veelbelovende resultaten opgeleverd. Bij systeemchemie gaat het er vooral om de verbanden te onderzoeken tussen de individuele componenten in complexe systemen en de emergente eigenschappen die voortvloeien uit de interactie tussen deze componenten. De opkomst van de systeemchemie heeft ook nieuwe onderzoeksrichtingen geopend naar de oorsprong van het leven en de de novo synthese van leven. Een beter begrip van de principes van assemblage en functie in complexe systemen kan helpen bij het onthullen van de oorsprong van biologische complexiteit. De spontane opkomst van complexiteit, zoals zelfreplicatie en de vorming van geordende structuren, spelen ongetwijfeld een belangrijke rol in de oorsprong van het leven. Op de vroege aarde fungeerde zelfreplicatie niet alleen als een mechanisme voor de amplificatie van bepaalde moleculen in het chemische mengsel, maar ook als een maniee om informatie door te geven aan de nakomelingen van deze moleculen. Bovendien kan het spontaan ontstaan van complexe zelf‐synthetiserende gevouwen moleculen nieuw licht werpen op het mysterie van het ontstaan van het leven, aangezien het een mogelijke rol suggereert voor primitieve eiwitten. Dit proefschrift beschrijft nieuwe methoden om replicatoren en foldameren te maken.
In hoofdstuk 1 hebben we kort de basisbegrippen systeemchemie en de oorsprong van het leven geïntroduceerd. Om een aantal belangrijke kenmerken van het leven na te bootsen en om leven‐ achtig gedrag te bereiken, is het vooral belangrijk om complexe systemen te construeren die de processen van zelfreplicatie en vouwen combineren. Terwijl zelfreplicatie een middel kan zijn om informatie over te dragen, kunnen complexe gevouwen moleculen vaak bepaalde functies met zich meebrengen. We hebben de huidige stand van zaken van synthetische gevouwen systemen en zelf‐ replicerende systemen beschreven. De meeste momenteel ontwikkelde synthetische foldameren zijn gebaseerd op meerstapssyntheses en op een slechts beperkt aantal bouwstenen. De meeste synthetische zelf‐replicerende systemen kunnen geen exponentiële groei vertonen. Vervolgens introduceerden we dynamische combinatoriële chemie en de toepassing ervan op de synthese van zelf‐replicerende moleculen en gevouwen moleculen. De dynamische combinatoriële benadering vermindert de hoeveelheid synthetisch werk, waardoor de organische synthese niet langer een grote uitdaging vormt. Onze groep ontdekte net spontane ontstaan van zelf‐replicerende moleculen uit dynamische combinatoriële bibiliotheken (DCBen). We hebben ontdekt dat peptide‐gebaseerde zelf‐ replicerende moleculen kunnen ontstaan uit een DCB van korte peptiden gefunctionaliseerd met een aromatisch dithiol. Deze replicatoren vertonen een exponentiële groei. Met behoud van de
gesynthe synthetis replicere In hoofd gevouwe uit bouw foldame uit 15 id oplossin vorming stapeling tussen re dat DCBe het dom Om deze bouwste gesynthe verschill etiseerd. De serende co ende en gevo dstuk 2 heb en molecule wsteen 3, be er selectief dentieke een g. Single cr van het ge g, hydrofobe esiduen die en een effec mein van de b e methodolo enen aangep etiseerd, me ende groepe ze bouwste mplexe gev ouwen mole bben we be en met onge estaande uit kan worden nheden van rystal X‐ray evouwen m e interacties in de structu ctieve metho biologie. ogie verder past. In hoo et daarin ges en op de pa
nen stellen vouwen stru culen te kop eschreven ho kend comple asparaginez n gevormd. H bouwsteen 3 data en NM olecuul voo en watersto uurformule v odologie zijn
uit te breid ofdstuk 3 he substitueerd arapositie va
ons niet alle ucturen, ma ppelen in één
oe we DCBe exe structur zuur en nucl Het spontaa 3 en vormt MR spectros ornamelijk w ofbindingen. ver van elka voor het syn
den en toe ebben we e
e fenylalanin an de fenylr
een in staat aar bieden n enkel syste
en kunnen ren te identi
leobase‐resid n emergeren in bijna kwa scopie studi wordt aange . Niet‐covale ar gescheide nthetiseren v te passen, h een reeks n ne‐ en lysine ring van het
om toegan ook de mo em. gebruiken a ficeren. We duen, een o nde gevouw antitatieve o ies hebben dreven doo ente interact en zijn. Deze van complex hebben we ieuwe dipep eresiduen. N t fenylalanin ng te krijgen ogelijkheid
als een strat hebben ont opmerkelijk c wen molecuu pbrengst in aangetoond r niet‐coval ties worden e resultaten xe foldamere de structuu ptidebouwst Na de introd ne aminozuu tot zelf‐ om zelf‐ tegie om tdekt dat complexe ul bestaat waterige d dat de ente π‐π gevormd latenzien en buiten r van de tenen (2) uctie van ur residu,
hebben DCBen selectief foldameren opgeleverd die bestaan uit 9, 12, 13, 16, en 23 identieke bouwstenen. Single crystal structuren tonen aan dat deze complexe gevouwen moleculen tertiaire structuren aannemen en dat hun vorming wordt aangedreven door intramoleculaire niet‐covalente interacties, waaronder hydrofobe interacties, π‐π stapeling en waterstofbruggen. Aangezien het aantal bouwstenen in deze gevouwen moleculen verschillend is, worden ze op verschillende manieren gevouwen. Bovendien kan een kleine structuurverandering van de bouwstenen een enorme impact hebben op de aard van de foldamer, wat het moeilijk maakt om het ontstaan van gevouwen moleculen uit DCBen te voorspellen. We hopen dat in de nabije toekomst nog meer en nog complexere gevouwen structuren ontdekt zullen worden en dat uiteindelijk ook de voorspellingen van de structuur mogelijk worden. Hoewel de gevouwen moleculen die we op dit moment hebben gesynthetiseerd nog steeds geen functies hebben, of deze zijn nog niet ontdekt, zou het spontaan ontstaan van zelf‐synthetiserende functionele foldameren een belangrijk stukje van de puzzel van de opkomst van het vroege leven zijn.
Hoofdstuk 4 beschrijft het spontaan ontstaan van zelf‐replicerende moleculen die zowel aminozuren als nucleobasen bevatten. Om de combinatie van peptiden en nucleobasen, twee van de belangrijkste componenten van het leven, mogelijk te maken, hebben we twee strategieën ontworpen: de eerste is het construeren van een gemengde DCB bestaande uit peptide bouwsteen 1a en nucleobase bouwsteen 3; de tweede is het construeren van een DCB bestaande uit de PNA gefunctionaliseerde bouwsteen 4. De resultaten laten zien aan dat het ontstaan van zelf‐replicerende moleculen in de gemengde DCBen wordt bepaald door de verhouding van de twee bouwstenen. Alleen bij een specifieke verhouding ontstaat een zelf‐replicerend molecuul dat bestaat uit twee eenheden van bouwstenen 1a en één eenheid van bouwsteen 3. De vorming van zelf‐replicerende moleculen uit DCBen gemaakt van PNA‐gefunctionaliseerde bouwstenen wordt sterk beïnvloed door de structuur van het aminozuur. Samengevat, de vorming van zelf‐replicerende moleculen gebaseerd op nucleobasen en peptides uit DCBen wordt gedreven door van de vorming van geordende supramoleculaire structuren, in plaats van basenparen zoals het geval voor eerdere op nucleotiden gebaseerde zelf‐replicerende systemen.
In hoofdstuk 5 hebben we voor het eerst de zelf‐sortering beschreven tussen zelf‐replicerende en gevouwen moleculen in een DCB gemaakt van bouwstenen 1b en 3a. Verder ontwikkelden we een metastabiel zelf‐replicerend systeem dat gebruik maakt van dezelfde bouwstenen. In de DCB, bestaande uit equimolaire hoeveelheden van de bouwstenen 1b en 3a, werd in het beginstadium van het experiment het ontstaan van een zelf‐replicator bestaande uit beide bouwstenen waargenomen. Nadat alle bouwstenen van 1b zijn verbruikt, werden de resterende bouwstenen van
op zekere hoogte de vorming van gevouwen assemblages aan. De zelf‐sortering tussen zelf‐ replicerende moleculen en complexe gevouwen moleculen wordt ook hier vercorzaakt door niet‐ covalente interacties zoals intra‐ en intermoleculaire π‐π stapeling en de vorming van waterstofbruggen. Bij het verminderen van de concentratie van bouwsteen 3a in deze DCBen, hebben we onverwacht metastabiele zelfreplicatie waargenomen. Een metastabiele zelf‐replicator ontstond spontaan en groeide aanvankelijk. Na verloop van tijd werd de zelf‐replicator echter geleidelijk afgebroken en omgezet in een andere, thermodynamisch stabielere zelf‐replicator. De ontdekking van dergelijke metastabiele zelf‐replicatiesystemen maakt de weg vrij voor de studie van zelf‐replicatie ver van thermodynamisch evenwicht.
