University of Groningen
Supercharged proteins and polypeptides for advanced materials in chemistry and biology
Ma, Chao
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):
Ma, C. (2019). Supercharged proteins and polypeptides for advanced materials in chemistry and biology. 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.
175
Samenvatting
176
In dit proefschrift werd aangetoond dat het assemblagegedrag van genetisch gemanipuleerde supercharged polypeptiden (SUPs), en hun fusies met andere eiwitten, aanzienlijk konden worden uitgebreid. Dit werd enerzijds bereikt door sequenties afwisselend te combineren met hoge netto-ladingsdichtheids β-sheet vormende motieven. Aan de andere kant werden SUPs gecombineerd met tegengesteld-geladen eiwitten, waaronder sferische capsidestructuren om cocrystals te vormen. Bovendien werden SUPs en hun fusies voor verschillende potentiele applicaties toegepast, waaronder oppervlaktefunctionalisatie voor het controleren van ijsvorming, als actieve componenten in de constructie van een chemische tong, en voor de productie van bioprotonische apparaten.
In hoofdstuk 2 werden kationische en anionische SUPs op oppervlakken afgezet. Er werd aangetoond dat de positief geladen SUPs ijskiemvorming vergemakkelijken, terwijl negatief geladen SUPs het onderdrukken. Deze experimentele waarnemingen kunnen worden gerationaliseerd door de asymmetrische polarisatie van grensvlak water op positief en negatief geladen oppervlakken te beschouwen. SUP-materialen zijn dus veelbelovend in het onderzoek naar nieuwe generatie oplossingen tegen ijsvorming of de cryopreservatie van biologische materialen in een medische context.
SUPs kunnen niet alleen op oppervlakken functioneren, maar hun fusies kunnen ook een belangrijke rol als detectiesystemen in oplossingen spelen. In hoofdstuk 3 hebben we twee verschillende arrays toegepast, bestaande uit supercharged GFPs of fluorescerende polyelektrolyten, als een hypothese-vrije chemische tong die meer dan dertig verschillende whisky’s kon onderscheiden op basis van hun herkomst, merk, mengstatus en smaak. Het onderliggende mechanisme berust op de aanpassing van fluorescentie intensiteit, d.w.z. uitdoving, van array-elementen veroorzaakt door analytische whisky's. Daarbij werden leeftijd, land van herkomst en mengstatus met een nauwkeurigheid van 100% succesvol onderscheiden wanneer zowel SUP-fusies en geconjugeerde polyelektrolyten werden gebruikt in deze chemische-tong opzet.
De studie van SUPs in hoofdstuk 4 werd ook uitgevoerd in waterige oplossing. K72 en GFP-K72 ondergingen omkeerbare zelfassemblage met zowel CCMV als aFT via elektrostatische interacties, om tot nu toe ongekende cocrystals te vormen. Elektrolytconcentratie welke een kritisch punt overschreed (~100 mM NaCl) schermde de interacties af en zorgde ervoor dat de structuren weer uiteen gingen. Hetzelfde effect kan zeer waarschijnlijk worden bereikt door de pH van de
Samenvatting
177
oplossing aan te passen. Alle complexen kwamen samen tot macrocopische structuren, wat aantoont dat extra functionaliteiten kunnen worden toegepast in de systemen zonder zelfassemblage te voorkomen. Hier werd dit aangetoond voor GFP. Dergelijke structuren lijken op inclusielichamen welke in de natuur worden gevonden, en zouden potentiële toepassingen kunnen vinden voor het handhaven van stabiliteit in gevoelige biomoleculen.
Vanuit het oogpunt van materiaal ontwikkeling is het zeer aantrekkelijk om de prestatieverbetering van een apparaat stapsgewijs te realiseren. In hoofdstuk 5 hebben we moleculair ontwerp en genetische manipulatie toegepast om een stapsgewijze toename van protongeleiding te bereiken. Er moet worden benadrukt dat het een zeer moeilijke taak is om de eigenschappen van op eiwit gebaseerde bulkmaterialen te verbeteren. De reden is dat de eigenschappen van bulkmaterialen niet alleen worden bepaald door een enkel molecuul, maar sterk afhankelijk zijn van het geheel van moleculen, de vorming van hun suprastructuren en hun verwerking. Voor de evolutie van protongeleidbaarheid zijn we uitgegaan van volledig ongestructureerde anionische polypeptiden. We ontdekten dat gevouwen eiwitten met vaste ladingen een hogere protongeleiding opleverden in vergelijking met ongestructureerde eiwitten. Vervolgens combineerden we ongestructureerde anionische SUP-motieven met β-sheet vormende motieven, welke hiërarchische structuurvorming van protonroutes opleverde. Deze architectuur draagt bij aan de uiteindelijke protonische geleidbaarheid en robuuste mechanica. Protongeleidende vermogens met, voor biomacromoleculen, recordwaardes van 18,5 ± 5,5 mS/cm bij een relatieve vochtigheid van 90% werden bereikt. Bovendien werden de mechanische eigenschappen van de materialen tijdens het ontwerpproces verbeterd, wat uiteindelijk vrijstaande membranen opleverde.
