• No results found

University of Groningen Folding and replication in complex dynamic molecular networks Liu, Bin

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "University of Groningen Folding and replication in complex dynamic molecular networks Liu, Bin"

Copied!
27
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

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.

(2)

Chapter 1 Folding and Replication in Complex

Chemical Systems

 

The origin of life and the de novo synthesis of life are among the greatest challenges in contemporary  science.  It  is  well  known  that  life  consists  of  many  complex  processes  in  which  self‐replication  and  folding play key roles. One of the most important features of a living system is its ability to replicate  itself. Self‐replication is one of the most important ingredients in the origin of life and self‐replicating  molecules  are  a  promising  starting  point  for  the  de  novo  synthesis  of  life.  Folding  is  the  process  by  which  proteins  and  nucleic  acid  strands  acquire  a  three‐dimensional  structure  with  a  biologically  functional conformation in a fast and reproducible manner. The most critical metabolic processes in  organisms rely on the correct folding of biomolecules such as proteins and DNA. Therefore, the study  of self‐replication and folding may not only help us uncover the mystery of the origin of life, but may  also guide us to synthesize life.  

Dynamic  combinatorial  chemistry  (DCC)  is  a  promising  tool  for  creating  and  studying  chemical  complexity. DCC not only allows us to simulate and control the process of self‐replication, but also to  study the process of folding. More importantly, as demonstrated in this thesis, DCC provides a simple  way  to  combine  these  two  complex  processes  in  a  single  system.  In  this  chapter,  we  first  briefly  highlight  the  current  state  of  the  art  of  synthetic  folding  and  self‐replicating  systems,  and  then  we  summarize the folding and self‐replicating systems constructed by using DCC. Finally, the contents of  this thesis are outlined.               

(3)

The  central  principle  of  molecular  biology  includes  two  important  parts:  the  replication  of  genetic  information  and  its  transcription  into  proteins.  Replication  of  genetic  information  is  a  biological  process that occurs in all organisms and is the basis of biological inheritance. Proteins, as the basic  substances  of  cells,  play  an  important  role  in  all  living  systems.  In  order  to  achieve  functions,  the  protein needs to be correctly folded into a three‐dimensional structure. The synthesis of proteins in  the cell starts with messenger RNA which is formed through the transcription of DNA, which is then  translated into unfolded or randomly coiled peptide chain. Finally, the linear peptide chain is folded  into  a  three‐dimensional  structure  borne  from  the  primary  sequence.  The  primary  sequence  of  a  protein plays a decisive role in its folding, but environmental changes and chaperones may also affect  the  spatial  structure  of  the  protein  (secondary,  tertiary  and  quaternary  structures)  and  biological  activity.  In  the  majority  of  the  protein  structures  hydrophobic  residues  are  concealed  inside  the  protein, minimally exposed to the solution, and hydrophilic residues are exposed to the outside and  interact with the solution to stabilize the protein conformation. 

1.1 Systems chemistry and the de‐novo synthesis of life

For  many  years,  chemists  have  been  more  inclined  to  study  isolated  substances  than  complex  mixtures of molecules that can interact and react with each other. Nowadays, this situation is likely  to  change  because  of  the  great  interest  in  systems  biology  and  the  availability  of  analytical  techniques.1,2 Unlike other areas of chemistry that focus on simple systems, systems chemistry tends  to  study  multiple  variables  simultaneously.  Over  the  past  decade,  scientists  have  established  three  thermodynamic  models  for  characterizing  complex  chemical  systems:  (i)  systems  that  achieve  minimum energy states under thermodynamic control, and (ii) systems that can be trapped in local  minimum energy states under kinetics control, and (iii) systems that are kept away from equilibrium  by continuous energy input.3‐5   

The emergence of systems chemistry has spurred effects directed towards the de‐novo synthesis of  life  and  the  origin  of  life.  A  reasonable  approach  toward  constructing  the  first  protocell,  from  the  highly  diverse  components  available  on  prebiotic  Earth,  involves  the  integration  of  primitive  metabolism,  self‐replication  and  membrane  subsystems  through  different  physicochemical  mechanisms and reaction pathways.6 The prebiotic Earth can be seen as a huge reactor that contains  complex, different types of small molecules that engage in a huge variety of possible interactions and  reactions.  When  such  systems  are  maintained  far  from  equilibrium,  this  complex  collection  can  explore  an  extremely  large  number  of  possible  reaction  pathways.  Attempts  at  identifying  thermodynamically  sound  chemical  pathways  leading  to  life  often  involves  studying  a  mixture  of 

(4)

potential molecular components and studying the chemical and physical interactions between them  (eg, interconversion, condensation, and polymerization).  

DNA and proteins are two of the most important molecules in all known living systems. However, the  DNA‐protein tandem seems too complicated to appear spontaneously. There is a “chicken and egg”  problem:  which  is  first,  chicken  (protein,  phenotype)  or  egg  (DNA,  genotype)?  The  most  widely  accepted solution to this problem is the existence of an RNA world before DNA and proteins.7 RNA is  ubiquitous and  plays a different role in nature: in  addition to storing  genetic information, it is also  involved  in  gene  expression,  catalysis  and  translation  of  some  steps  in  the  flow  of  genetic  information.  The  chemical  basis  of  this  versatility  relies  on  the  fact  that  RNA  is  usually  a  single‐ stranded  molecule,  thus  facilitating  intramolecular  base  pairing  to  generate  more  types  of  three‐ dimensional structure/functional motifs than double‐stranded DNA. The secondary structure of RNA  also  provides  a  simplified  and  appropriate  phenotype  of  the  genotype,  which  is  useful  for  solving  related  evolutionary  problems.  Therefore,  the  clear  relationship  between  sequence,  structure  and  function makes RNA the best model for molecular evolution experiments and computational studies.  Although  the  possibilities  of  the  RNA  world  are  supported  by  some  experiments,  a  "spontaneously  generated"  RNA  world  that  produces  proteins  and  DNA  is  not  obvious.  Perhaps  more  importantly,  the initial emergence of the RNA world itself remains an open question.  

Self‐replication can be  considered as a key process  for a protocell. Autocatalysis is a relatively rare  and  complex  behavior  in  chemistry.8  In  addition,  autocatalysis  is  also  the  basis  for  oscillatory  behavior in several reactions. Autocatalysis is a fundamental concept for all living systems that make  more  copies  of  themselves,  and  it  produces  a  series  of  potentially  more  complex  systems  through  evolution. Without autocatalysis, the transition from a chemical system to a biological system does  not  seem  to  be  feasible.  Furthermore,  the  process  of  self‐replication  makes  information  transfer  between molecules and systems possible, which is essential for Darwinian evolution. 

Metabolism  is  another  important  ingredient.9  The  metabolic  network  in  life  is  a  large  chemical  reaction system with amazing complexity and adaptability.10 It has two main purposes: the first is to  convert energy in the environment into a form of energy that is useful to the organism; the second is  to obtain nutrients from the environment to synthesize the small molecules needed for cell growth.  These  small  molecules  include  DNA  nucleotides,  RNA  nucleotides,  sugars,  lipids  and  amino  acids.  Most  reactions  in  an  organism  are  controlled  by  enzymes,  which  determine  the  rates  and  the  selectivities. An  enzyme  must  be  folded  into  a  specific  configuration  before  it  can  perform  its  function.11 So the process of folding is the key to bring functions to biomolecules. 

(5)

As  part  processe establish (1.2 and 

1.2 Syn

The wor polymer added  o state  in  between explorat Accordin classified highlight 1.2.1 Ali Folded p 20 natur foldame Strategie chains o effective the most of  building  es  of  self‐re hed  separate

1.3) we will 

nthetic fold

d ‘foldamer’ r  with  a  stro on  this  defin

solution, th n  non‐adjace tion, chemist

ng  to  the  dif d into two cl t the most im phatic pepti peptides are  ral amino ac rs can also a es for the m or the peptid e and involve t popular ali a  synthetic  plication  (ge e  systems  th briefly summ

ded struct

’ was used fo ong  tendenc ition  as  "A  f e structures ent  monome ts have succe fferent  back lasses: alipha mportant ach ide foldame the structur ids are arran adopt well‐d modification o de backbone es introducti phatic peptid Figure 1. protocell,  w enotypes)  an hat  show  eit marize synth

ures ‐ fold

or the first ti cy  to  adopt  foldamer  is  a of which ar er  units".14  essfully synth bones  of  th atic peptides hievements f rs  ral basis for p nged dictates defined confo of folded str s. Modifying on of non‐n des foldame .1. The backbo

we  must  fin nd  folding  (p ther  folding  hetic folding 

damers

me in 1996 b a  specific  c any  oligome re stabilized  In  recent  ye hesized vario e  synthetic  s and aroma for synthetic proteins to a s dynamicity ormations.16 ructures hav g the backbo atural peptid ers.18  ones of alipha d  a  reasona phenotypes) or  self‐repli and replicat by Gellman.  compact  con er  that  folds  by a  collect ears,  after  c ous helical st folded  struc atic foldamer c foldamers.  achieve their y and the fun 6 In most cas ve focused o one of peptid des. Figure 1 atic peptides f

able  way  to  .  In  past  stu cation.  In  th ing systems. 

He proposed nformation".

into  a  confo tion  of  non‐c continuous  e tructures and ctures,  folda rs.15 In this s r functions. T nctional shap ses these are n modifying des has prov 1.1 summariz foldamers    combine  th udies,  scient he  following     d the definit .12,13  In  2001 ormationally covalent  int experimenta d functional  mers  can  be section we w The way in w pe. Synthetic e helical stru g the amino‐ ven to be pa zes the back   hese  two  ists  have    sections  ion: "Any  1,  Moore  y  ordered  eractions  ation  and  folds.15  e  roughly  will briefly  which the  c peptide  uctures.17  ‐acid side  articularly  kbones of 

(6)

β‐Peptid foldame hydroge peptides atoms ap Analogo bonding  shows th bind to α Kunvar u an order de  foldamers r  consisting n  bonds  bet s  that  adopt part (Figure  Figu us  γ‐peptide between ad hat it is folde α and γ posi used carbofu red 9‐helix st Figur s  are  determ g  of  cyclic  β tween  sites  t  a  14‐helix  1.2b).21  re 1.2. The β‐ e  foldamers djacent amid ed into a C9‐ tions of prol uranosyl as a tructure (Fig re 1.3. C9 H‐b mined  by  12 β  amino‐acid separated  b with  intram ‐peptide (a) 12 s  are  more  de bonds.23 T ‐related stru line are in th a conformati ure 1.3b).25  bonded rings i   and  14  hel ds  to  form  by  12  atoms molecular  hy 2 and (b) 14 h likely  to  ac The NMR of  ucture. In the he same plan ional stabiliz n γ‐peptide fo ices.19  Gellm a  stable  12 s  (Figure  1.2 ydrogen  bon helical folds. A quire  confo the cis‐γ‐am e secondary  ne as the pro zing side cha oldamers. Ada

man  et  al.  co 2‐helical  con 2a).20  Seebac ds  between  Adapted from  rmational  st mino‐1‐prolin structure, tw oline (Figure in to force t apted from re onstructed  a nformation  ch  et  al.  des

  amides  tha ref.22  tability  by  h ne γ‐peptide wo amide bo e 1.3a).24 Sha the γ‐peptide   ef.24,25  a  peptide  featuring  signed  β‐ at  are  14    hydrogen  in water  onds that  arma and  e to form 

(7)

1.2.2 Aro The  field rings we to the ro of  an  or 1.4a).26  benzene hindranc five  ben benzene to obtai member combina form  a  b oligome extende Figure  Apart  fr common omatic folda d  of  aromati ere connecte otatability of rtho‐benzene Yashima  et  e  ring,  giving ce limits its c zene  rings,  e, six‐membe n biphenyl‐l red  heterocy ations thereo biphenyl‐like rs constructe d to form a h 1.4. Molecula om  direct  b n methods fo amers  ic  foldamers ed directly to f the C‐C bon e  subunit  re al.  synthes g  rise  to  an 

conformatio which  can  f ered aromat ike  molecule ycles  such  a of can also fo e  structure  w ed by Moore helical config ar structures w bonding,  the  or obtaining s  started  wit o each other. nd. Simpkins esulting  in  a ized  anothe angle  of  120 nal freedom orm  a  doub ic heterocyc es, folding in as  thiophene orm differen when  they  c e can not onl guration (Fig with different fr

use  of  ami g aromatic fo

th  the  synth . These mole s et al. synth

n  angle  of  6 er  type  of  b

0°  between  m, leading to  ble  helix  in  w

lic rings such nto various s e,  furan,  tri nt helical stru connect  two ly form a cyc gure 1.4e).39,4 t aromatic ring rom ref.26‐28,34

des  to  link  oldamers.41  T

esis  of  a  he ecules can ad esized a biph 60°  between biphenyl  stru adjacent  aro the formatio water.27  Due h as pyridine structures (F azole  and  o uctures (Figu   benzene  rin clic six‐memb 40  gs folded into 4,39  different  aro The amide b lical  structur dopt differen henyl oligom n  adjacent  b ucture  using omatic  rings on of a helic to  the  stru e derivatives  Figure 1.4c).2 other  conjug ure 1.4d).34‐38 ngs.  The  m‐ bered ring bu o different hel omatic  units bond has a p

re  in  which  nt conformat mer by direct benzene  ring g  a  meta‐su s  (Figure  1.4 cal structure  ctural  simila  can also be  28‐33 In addit gated  struct 8 Acetylene  phenylene  a ut can also b ical shapes. A

s  is  one  of  t planar rigid  aromatic  tions due  t bonding  gs  (Figure  bstituted  b).  Steric  of about  arity  with  included  tion, five‐ ures  and  units can  acetylene  be further    Adapted  the  most  structure 

(8)

and is al and can  rotation, conform using am A series  the  pion amide fo by hydro forming  1.5b).48,4 replacing In the de are wide Lehn rep oligome showed  stranded quinolin tricentric rings suc building  different so a good hy form a hyd ,  which  faci mation.  Recen mide bonds.4 of hydrogen neering  work oldamer, wh ogen bonds ( folded  stru 49

In additio g the amide  Figure  esign and pr ely used to c ported a pyr ric  molecule that  the  he d  helix  in  so e could gene c  hydrogen  ch as derivat blocks  to  co t  types  of  h ydrogen bon rogen bond  litates  the  i ntly,  rapid  p 2‐46   n‐bonding‐dr k  of  Gellman ich consists  (Figure 1.5a) uctures  using n, the same bonds with  1.5. Non‐hete reparation o control the c ridine‐based  es  with  helic elical  oligom olution.  In  a  erate oligom bond  (Figur tives of pyrid onstruct  var helical  oligom nd donor and with a neigh nteraction  b progress  has riven non‐he n  on  peptid of an amide .47

After tha g  a  methoxy  research gr hydrazide bo erocyclic arom of amide‐bas onformation amide folda cal  conforma mer  exhibited subsequent mers that pos e  1.6b).55  Ap dine and qui ious  helical  mers  by  usin

d acceptor. It hboring hyd between  aro s  been  made eterocyclic ar e‐based  fold ‐linked benz at, Li and Zen y  group  at  roup synthes onds (Figure  matic amide fo sed aromatic n of the fold amer in  200 ations  const d  a  dynamic t  study,  they ssessed a co part  from  th inoline, naph structures  ( ng  quinoline t can be intr rogen bond  omatic  rings e  in  constru

romatic amid damers.  Gon zene ring tha ng et al. prep the  2‐positi sized novel a 1.5c).50,51   oldamers. Ada c foldamers,  amers throu 00 (Figure  1.6 tructed  by  p c  exchange  y  found  that

mpact folde he  pyridine  hthalene and Figure  1.6c,  e  derivatives oduced into  donor or ac   and  the  ad cting  aroma de foldamers ng's  group  re at forms a fo ared similar  on  of  the  b aromatic hyd apted from re aromatic he ugh hydrogen 6a). They sy yridine  amid between  a  t  the  δ‐amin d conformat and  quinolin d anthracene d  and  e).  H ,56  hydrazine  the aromat cceptor to li doption  of  a atic  folded  s s were repor eported  an  lded structu oligomers c benzene  ring drazide folda ef.47,48,50  eterocyclic m n bonds.52‐54 ynthesized a  de  units.  Th single  and  no  acid  deriv

tion through ne,  other  co e can also be

uc  et  al.  con e  derivatives ic system  mit bond  a  specific  tructures  rted after  aromatic  re driven  apable of  g  (Figure  amers by    molecules  4 Huc and  series of  he  results  a  double  ved  from  h a stable  onjugated  e used as  nstructed  s57,58  and 

(9)

their  hy phenant 1.2.3 Ali The hybr of both t first such a  rigid  herringb structure Waals in

1.3 Syn

Understa consiste During t ybrids.42,59  C throline and  Figure phatic and a rids of arom the aromatic h hybrid that helical  stru bone spiral.66 e is formed  nteractions o

nthetic self

anding the e nt with living he past two

hen  et  al.  ortho‐benze e 1.6. Heteroc aromatic hyb atic and alip c and the alip t folded in an ucture,  whic 6 For molecu by π‐π intera or hydrogen b

f‐replicati

essence of th g systems re o decades, a  constructed  ene rings.60  cyclic aromati brid foldame hatic buildin phatic folded n aqueous en ch,  upon  fin ules with alte action betwe bonds betwe

ng system

he process o quires the d large numb

a  new  clas

ic amide folda ers   ng blocks hav d structures. nvironment. ne‐tuning  g ernating aro een adjacent een adjacent

ms

of self‐replica evelopment er of such s ss  of  helica amers. Adapte ve the poten 62‐64 In 1995, 65 Huc et al.  ives  rise  to omatic and a t or non‐adja t or non‐adja ation and es t of minimal  elf‐replicatin l  oligomers  ed from ref.55‐ tial to posse , Lokey and I introduced a o  a  new  he liphatic unit acent aroma acent aliphat stablishing se synthetic sel ng systems h using  hete ‐57,60,61    ess the chara verson desc a methylene elical  struct ts, the intram atic rings and tic units.67‐69  elf‐replicatio lf‐replicating have been d erozygous    acteristics  ribed the  e group in  ture—the  molecular  d van der    on theory  g systems.  eveloped 

(10)

from sim we will s systems  molecule In  gene autocata catalytic the self‐ formed  autocata to be co The first of  which complem speed  u channel  by molec noncova mple self‐rep summarize t based  on  es. 

eral,  a  mol alytic  proces cally  active  t replicators m during  the  alysis. Figure nsidered.     channel is t h  is  the  tem mentary bina p  the  initial is autocataly cular recogn alent dimer o plicators ope he most sign biological  m ecular  self‐ ss.  The  rate  template.  Se must form sp early  stage e 1.7 shows a Figure 1.7. M he non‐cata mplate  T  of  t ary complex  l  reaction  ra ytic. In this c nition to form of the produ rating in isol nificant deve molecules,  i ‐replicating  of  the  auto elf‐replicating pontaneously es  of  the  re a minimal rep

Minimal mode

lytic bimolec the  self‐repli [AB], which  ate,  the  resu channel, first m a catalytic  uct [T‐T]. Its  lation to com elopments an including  DN system  tra ocatalytic  re g  systems  u y at the beg eaction  cata plicating sys el of self‐replic cular reactio icating  syste has no activ ulting  templ t, starting m ternary com dissociation  mplex replica nd achievem NA,  RNA  an nsfers  struc eaction  is  di sually  featu inning of the alyzes  the  s tem, in whic cation. Adapte n between c em.  In  the  s ve recognitio late  is  cataly

aterials A an mplex [A‐B‐T] produces tw ator network ents for synt nd  peptides ctural  infor rectly  relate re  two  react e reaction. S ynthesis  of  ch several rea ed from ref.74 components  econd  chann on site. Altho ytically  inert nd B are bou ]. Then A and wo separate  ks.70‐73 In this thetic self‐re s  and  small rmation  thr ed  to  the  am

tion  process Secondly, the copies  of  action chann   4   A and B, the nel,  the  pro ough this cha t.  The  third  und to the te d B react to  template m s section,  eplicating  l  organic  ough  an  mount  of  ses.  First,  e product  itself  via  nels need  e product  duct  is  a  annel can  reaction  emplate T  form the  molecules, 

(11)

each  of  which  can  participate  in  another  replication  cycle.  In  an  ideal  self‐replication  system,  the  number of templates in the system is doubled in each cycle, so their growth is exponential. However,  as components A and B are depleted, the growth rate diminishes and eventually stops. Overall this  leads to the sigmoidal growth curve, typical of autocatalytic reactions in closed systems.   

1.3.1 DNA‐based self‐replicating systems 

In  1986,  Günter  von  Kiedrowski  developed  the  first  non‐enzymatic  chemical  self‐replicating  system  based  on  an  oligonucleotide  strand  with  a  palindromic  sequence  (Figure  1.8).75  In  the  replication  cycle,  a  trinucleotide  CCG  (protected  at  the  5’  end)  was  coupled  with  another  trinucleotide  CGG  (protected at the 3’ end) in the presence of EDC to generate a template hexanucleotide CCGCGG. The  resulting 5' and 3' protected hexanucleotide CCGCGG facilitated the formation of a reaction product  that  was  both  complementary  and  identical  to  the  template  via  Watson‐Crick  base  pairing.  The  resulting  double‐stranded  product  can  then  dissociate  into  two  single‐stranded  molecules  that  can  be used as templates for next catalytic cycle. 

 

Figure 1.8. The first chemical self‐replicating system reported by von Kiedrowski in 1986

The existence of an autocatalytic pathway in this system was demonstrated by the addition of a small  amount  of  template  at  the  beginning  of  the  reaction  which  was  found  to  accelerate  product  formation.  However,  the  uncatalyzed  background  reaction  contributed  significantly  to  the  overall  reaction rate. Another limitation of this system is that the reaction rate is slow and only 12 % product  formed after 4 days reaction. 

In a subsequent experiment, von Kiedrowski and colleagues found that the problem of low efficiency  can  be  solved  by  replacing  the  phosphodiester  bond  in  the  DNA  strand  with  a  phosphoramidate 

(12)

linkage.76 Furthermore, the rate of self‐replication relative to the background reaction was increased  in this system, and they therefore observed the first synthetic self‐replicator with a sigmoidal growth  profile. However, the growth of the replicator was parabolic rather than exponential. After that, they  found  that  this  approach  can  also  be  applied  to  a  self‐replicating  system  consisting  of  three  nucleotide building blocks.77 Zielinski and Orgel also established a self‐replicating system based on 3’‐ amino‐3’‐deoxynucleotides.  However,  the  replication  of  the  resulting  tetranucleotide  was,  again,   hampered by product inhibition.78  

To  obtain  a  self‐replicating  system  with  exponential  growth  properties,  von  Kiedrowski  and  colleagues  designed  a  method  called  SPREAD  (surface‐promoted  replication  and  exponential  amplification of DNA analogs).79 In their method, the single‐stranded template was first immobilized  onto the surface of a solid support and then the complementary nucleotide fragments were bound  to the template. The nucleotide fragments were linked by a coupling reagent and the product was  then  liberated  from  the  template  at  elevated  temperature  to  free  the  template  and  product  for  a  second  replication  cycle.  The  liberated  product  was  bound  to  free  sites  on  the  surface  of  the  solid  support and the above process was repeated to obtain exponential growth.  

1.3.2 RNA‐based self‐replicating systems 

Paul  and  Joyce  successfully  developed  the  first  RNA‐based  self‐replicating  system  in  2002  (Figure  1.9).80  Their  experiments  employed  a  modified  R3C  ligase  that  catalyzes  the  formation  of  3',5'‐ phosphodiester  bonds  between  two  separate  RNA  molecules.  The  RNA  ribozyme  template  T  is  capable  of  achieving  its  own  precise  replication  by  ligating  two  RNA  subunits  A  and  B  through  a  ternary  complex.  The  addition  of  a  pre‐formed  template  to  the  reaction  revealed  a  significant  increase  in  the  initial  rate  of  template  formation,  indicating  that  template  formation  was  an  autocatalytic  process.  However,  the  increase  in  reaction  rate  occurs  only  in  the  initial  stage  of  the  reaction, which indicates that product self‐inhibition occurs. Kinetic fitting revealed that the reaction  contained two phases. The increase in replication rate observed early in the reaction is attributed to  the  formation  of  the  [A_B_T]  complex.  In  contrast,  the  second,  slower  phase  is  the  bimolecular  reaction of A and B without a template. The authors suggested that the inefficiency of the designed  RNA system is due to the similarity in the nucleotide sequences of components A and B, which leads  to the formation of the inactive binary complex [A_B], which does not dissociate even upon addition  of the template. Subsequently, they found that the deleterious effects on the replication due to the  formation of the stable complex [A_B] can be avoided by premixing T with B before adding A or by  adding an excess of A to the reaction mixture. 

(13)

They hav were  ca but  the  subsequ the synt These cr other  bi modifica 1.3.3 Pe Ghadiri e simple p assembl interacti capable  the stab heptad r replicatio two  pep template occurred Kinetic e ve further m pable  of  cat new  self‐re ent  work,  th hesis of eac ross‐replicati iological  ma ations to get  ptide‐based et al. report protein consi ed  into  two ions  (Figure  of  driving  th bility and hel

repeats drive on  of  the  pe ptide  buildin

e  are  assem d  to  produc experiments  Figure 1.9. R modified the  talyzing  each plicating  sys hey  develop h other from ing RNA enz aterials  and  further insig  self‐replicat ed the first  isting of a se o  entangled  1.10).  Amin he  recognitio ical orientat e intramolec eptides  relie g  blocks  con mbled  into  a e  a  stable  a showed tha

NA based self

structure of h  other’s  syn stem  still  ex

ed  two  mut m a mixture o zymes under can  persist ght into the R ting systems peptide‐base even‐peptide coiled‐coil  s no‐acid  resid on  between tion of the c cular recogni es  on  native  ntaining  a  th a  ternary  co amide  bond  t the additio f‐replicating sy f the ligases  nthesis.81  Th xhibited  ‘bur tually  replica of four diffe rgo sustained t  indefinitely RNA‐based s ed self‐replic e repeat (ab structures  a dues  at  posi   the  helices  coiled‐coil st ition by elec chemical  lig hiobenzyl  es omplex  with by  intramo on of templa ystem. Adapt in order to  his  modificat rst  phase’  ki ative  RNA  en erent structu d amplificati y.  In  additio self‐replicatio

cating system cdefg)n cont

s  a  result  o tions  a  and

by  hydroph ructure. Res ctrostatic int gation.  Unde ster  and  free h  a  coiled‐c olecular  rear te at the beg ed from ref.80 generate tw ion  resulted netics  simila nzyme  syste ral units by  on in the ab on,  they  als on mechanis m in 1996.90  aining 32 re of  hydropho d  of  the  pe hobic  interac idues at pos eractions. Th er  the  direct

e  cysteine,  r coil  structure rrangement  ginning of th 0   wo RNA enzy d  in  cross‐re ar  to  earlier 

ms  that  can template gu bsence of pr so  made  a  sm.83‐89 

0 Their system

esidues, whic bic  and  elec eptide  sequ ctions  and  d sitions e and he realizatio tion  of  the  t respectively, e.  Then  the at  the  junct he reaction p   ymes that  plication,  ones.  In    catalyze  uidance.82  oteins or  series  of  m used a  ch can be  ctrostatic  ence  are  etermine  d g in the  n of self‐ template,    and  the  e  ligation  tion  site.  promoted 

(14)

the  form Howeve process  dissociat Subsequ Although the stab structure partially  the  inco addition double‐s system c nanoshe facilitate exponen diminish 1.3.4. No In  1990, organic  mation  of  pr r,  due  to  th shows parab tion of the d Fi uently,  Chmi h the system ility of the d e  by  subtly  solved the p orporation  of   of  proline  stranded  he consisting of eet‐like  struc

e  the  replic ntially. Howe hes.   on‐biologica ,  Rebek  and  molecules.95 oduct,  show he  high  sta bolic growth ouble strand gure 1.10. Pe ielewski  and m exhibited a duplex. To so modifying  t problem and f  proline  int makes  the  elix  structure f alternating  ctures  in  w cation  react ever, upon ag al self‐replica colleagues  5  This  syste

wing  the  abil bility  of  the . This is the  ds previously ptide based s d  colleagues  sigmoidal g olve this prob the  sequenc d resulted in 

to  the  peptid peptide  seq e.93  Ashkena

hydrophobic water.94  The 

tion.  A  kin ging, the asse

ating system developed  t m  utilizes  t

lity  of  the  d e  double‐str same proble y observed in elf‐replicating s  developed  rowth curve blem, Chmie ce  of  the  te close to exp de  sequence quence  more asy  et  al.  c c and hydrop

assembled  etic  analysi embly morp

ms 

the  first  self the  amide  b esigned  coil randed  coile em as the in n nucleic acid g system. Ada a  similar  p e, the replicat elewski reduc emplate  pep ponential gro e  can  achiev e  distorted  a constructed  philic amino  nanostructu is  shows  th hology chan f‐replicating  bond  format ed‐coil  pept ed‐coil  struct hibition of s d‐based self‐ pted from ref peptide  self‐ tion process ced the stab ptide.92  This  owth. In addi ve  the  same and  reduces a  β‐sheet‐b acids that ca ures  can  ac hat  the  sys ges and the 

system  base tion  betwee

tide  to  self‐r ture,  the  re self‐replicatio ‐replicating s f.70   ‐replicating  s s was still inh ility of the c simple  mod ition, they fo e  effect,  bec s  the  stabilit based  self‐re an be assem ct  as  a  tem stem  initiall replication e

ed  on  fully  en  an  amine

replicate.  eplication  on by the  systems.    system.91  hibited by  oiled‐coil  dification  ound that  cause  the  ty  of  the  eplicating  bled into  mplate  to  ly  grows  efficiency  synthetic  e  and  an 

(15)

activated no  sigmo amount  process. catalyzed the Rebe analysis  pathway reaction catalytic (pathwa the  leng complex replicatio In  1997, reaction were co reaction studying effects.1 developm research d ester as a s oidal  growth of  amide  te  However, in d by the add ek system.96  of the Rebe ys  that  prom

  pathways  d c  pathway  is y II). Subseq gth  of  the  xes, and final on systems b Fig ,  Sutherland  between m nfirmed by t   to  construc g the effects  07‐112  In  add ment of a se h found that  strategy for f h  curve  was  emplate  to  n 1994, Men dition of a sim This controv k system.97 C mote  the  fo depends  on  s  the  prima uently, Rebe self‐replicat lly observed  based on mo gure 1.11. Non 's  group  rep aleimide and the addition  ct  two  struc of structura dition  to  util

elf‐replicatin the constru forming tem observed,  t the  reaction nger and his mple amide,  versy was fin Complete kin rmation  of  the  concen ary  pathway ek and collea ting  precurs the S‐shape olecular reco n‐biological se

ported  a  non d cyclohexad of a pre‐for cturally  simil al variation o izing  the  Di g system ba ction of effic mplate 3 from the  initial  re n  mixture,  c s colleagues  which cause nally resolved netic analysi the  final  pr ntration  of  t y  for  produc agues redesig sors  misma ed growth cu ognition in lat elf‐replicating n‐biological  diene.106 The rmed templa ar  furan  and on replicatio iels‐Alder  re sed on the 1 cient self‐rep m adenine de action  rate  w confirming  th found that t ed doubts ab d by Reinhou s shows that roduct,  and  the  reactant ct  formation gned a new  tched,  hind urve.98 They a ter studies.99 g systems. Ada self‐replicat e self‐replicat ate. Philp and d  maleimide on efficiency  eaction,  Philp 1,3‐dipolar c plicating syst erivative 2 (F was  increase he  existence the formatio bout the self‐ udt et al. thr t there are fi the  contrib t.  The  binary n  in  this  se self‐replicati ering  the  f also develop 9‐105  apted from re ing  system  b tion characte d colleagues  e‐based  repl and other r p  and  collea ycloaddition tems require igure 1.11).  ed  by  addin e  of  an  auto on of templa f‐replicating  rough detaile

ive different ution  of  the y  complex  m elf‐replicating ing template formation  o ped other sim ef.70  based  on  Di eristics of th s used the Di icating  platf recognition‐m agues  pione n reaction.113 es a certain d Although  g  a  small  ocatalytic  ate 3 was  nature of  ed kinetic  t reaction  e  various  mediated  g  system  e to make  of  binary  milar self‐   iels‐Alder  he system  iels‐Alder  forms  for  mediated  ered  the  3‐115 Their  degree of 

(16)

rigidity  of  the  components  and  a  suitable  spatial  arrangement  of  recognition  sites  to  form  catalytically active ternary complexes.116 

1.4 Dynamic combinatorial chemistry

In  the  previous  sections,  we  briefly  summarized  the  state  of  the  art  in  the  fields  of  foldamers  and  self‐replicating systems. Although great achievements have been made in  these fields,  most of  the  systems  developed  relied  on  multi‐step  organic  synthesis  and  elaborate  design.  In  addition,  no  connections  have  been  developed  between  these  two  fields.  Dynamic  combinatorial  chemistry  not  only enables the processes of folding and self‐replication to occur with a relaxed demand for multi‐ step synthesis, but also offers the possibility of linking and merging these two processes, as will be  shown in this thesis. 

The  concepts  and  principles  of  dynamic  combinatorial  chemistry  (DCC)  were  pioneered  by  Sanders  and Lehn in the mid‐1990s.117‐120 DCC relies on a reversible process to spontaneously produce many  possible  combinations  of  a  set  of  building  blocks.  Using  a  reversible  reaction  to  form  a  dynamic  combinatorial  library  (DCL),  all  components  in  the  library  can  continuously  interconvert  by  exchanging building blocks with each other. 

The  most  commonly  used  reversible  covalent  bonds  for  constructing  DCLs  are  imines,  hydrazones  and disulfides. Disulfide bonds play an important role in life’s chemistry.121 Proteins contain disulfide  bonds, and thiols and disulfides maintain the redox state of cells. Disulfide bonds have the following  characteristics:122   (1) In solution, thiols are easily oxidized to disulfides by oxygen in the air (Figure 1.12a).  (2) The exchange of disulfide bonds can occur in the presence of a catalytic amount of thiolate anion  (Figure 1.12b). 

(3)  The  disulfide  formation  and  exchange  reactions  are  typically  carried  out  under  neutral‐weakly  basic conditions and slow down under acidic conditions. 

(4)  The  oxidation  and  exchange  reactions  can  be  carried  out  in  aqueous  solution,  including  under  physiological conditions. 

(5) The oxidation and exchange reactions can be carried out at room temperature with quantitative  conversion. 

(17)

The  app molecule developm 1.4.1 Fol Balasubr formatio which co The  resu homodim disulfide also bee different coil asse sequenc Gly‐Gly‐G dimer by heterodi Figur In additi of G‐qua Figure 1 plications  of  es  and  (c)  se ments and a lding in DCLs ramanian’s  g on of second onsisted of L ults  show  th mers of the l e exchange w en applied to t peptides th emblies.125 B ces were rep Gly linker at  y oxidizing t imers were t re 1.13. Self‐s on, Balasubr adruplexes.12 1.12. Mechan DCC  include election  of  f chievements group  found dary structur eu‐Lys repea hat  self‐reco long‐chain se was enabled  o tertiary str hat can form oth peptide placed with h one end, fo he cysteine  transferred i orting of α‐he ramanian’s g 26 They chos ism for the fo

e:  (a)  select foldamers.117 s for self‐ass d  that  foldin re.123 They u at sequences ognition  did  equence, dir by using a re ucture‐direc m α‐helices, w s contain th hexafluorole llowed by a  thiol group  nto homodim elical peptide  group also re e PNA in the ormation (a) a

tion  of  a  ho

7  In  this  sect

sembly direct g  can  lead  t sed two pep s of different not  occur  rected by the edox buffer  cted peptide which are d e same sequ eucine residu cysteine res to a disulfid mer in redox assemblies by eported dyn eir research, nd exchange 

ost  or  guest; tion,  we  will ted self‐repl to  self‐sortin ptide buildin t lengths and upon  fast  o e formation  based on glu  self‐sorting esigned to f uence, excep ues. Each pe sidue, allowin e bond (Figu x buffer.  y folding in re amic self‐ass , because PN (b) of disulfide ;  (b)  selectio l  summarize  ication and f ng  of  peptid ng blocks tha d featured a  oxidation  of  of β‐sheets,  utathione. Th .124 Kumar e orm parallel pt  that all le ptide is equ ng for the fo ure 1.13). Th dox buffer. Ad semblies bas NA has good  e bonds. 

on  of  self‐re e  the  most  s

folding by us de  assemblie at can form  cysteine at t the  DCLs.  H were obtain he same stra et al. synthes l homodime eucines in on uipped with  ormation of a he author fo   dapted from r sed on the fo water solub   eplicating  ignificant  sing DCC. 

es  by  the  β‐sheets,  the ends.  However,  ned when  ategy has  sized two  ric coiled  ne of  the  a flexible  a peptide  ound that  ref.125  ormation  bility, and 

(18)

is easily functionalized with amino acids to introduce thiol groups for the exchange reaction. Under  kinetic control, dimers TSST, GSST and GSSG are formed in approximately statistical ratio. In contrast,  self‐sorting  was  observed  under  thermodynamic  control  in  the  presence  of  potassium  ions,  which  stabilize the G‐quadraplex structure.  

Inspired  by  folding  directed  self‐assembly  of  biomolecules,  chemists  have  also  developed  folding‐ induced dynamic assemblies of synthetic systems. Moore's group developed a series of methods for  assembling  monomers  into  folded  dimers  and  oligomers  using  reversible  chemical  bonds.127‐130  In  most of their studies, they used imine metathesis catalyzed by oxalic acid in organic solvents. In their  initial study, they used a mono‐functionalized building block to study the effect of oligomer length on  the  folding  characteristics.127  They  synthesized  two  types  of  m‐phenylene‐acetylene‐based  building  blocks with different lengths, one of which was functionalized by an amino group and the other by an  aldehyde group, each capped by an imine (Figure 1.14). Simulations show that six aromatic units are  necessary  to  form  a  complete  helix,  while  additional  aromatic  units  stabilize  this  folded  structure.  Indeed, the results of NMR studies indicate that imines containing two or five aromatic units didn’t  form a helical structure, whereas stable helical structures were observed when the oligomers have  more than six aromatic units. Folding  caused  the equilibrium of the reaction to be shifted towards  the  formation  of  longer  oligomers  that  can  form  stable  helical  structures.  Furthermore,  the  experimental  results  showed  that  no  helix  formed  in  chloroform,  while  a  helical  structure  was  observed in the more polar acetonitrile. In addition, they also found that the position of the imine  bond in the helix did not significantly affect the stability of the helical structure, confirming that the  imine  is  a  suitable  structural  analog  of  the  alkyne  linker.  Also,  if  the  length  of  the  building  block  is  extended such that it forms a stable helix by itself, further increasing the chain length does not affect  the position of the imine equilibrium. 

(19)

The  aut building  only con the  two  assembly the  leng because  1.4.2 Em Philp's g The DCL an  amid benzalde equilibri At the e produce the  proc accelera Fig hors  also  st blocks  with ntained two  building  blo y.  Folding‐di gth  of  the  m  spiral forma mergence of s group report Ls they studie de  pyridine  ehyde,  a  p‐f um, two imi nd of the re d, and this p cess  was  co te the rate o gure 1.14. Fol tudied  foldin h  two  blocke aromatic un ocks  were  fo irected  poly monomer.  A ation is more self‐replicat ed the first  ed contained unit  with  fluoroaniline ines and two eaction, it wa product was onfirmed  by  of the reactio ding‐driven sy ng‐directed  ed  amine  or  nits, no polym ormed,  whic merization  d As  expected,  e advantageo ors from DC self‐replicati d four differe recognition e  and  fluoro

o nitrones w as found tha s found to ha the  additio on.132‐134  ynthesis of ol polymerizat aldehyde  fu mer formatio ch  were  stac did  occur  up   the  polyme ous in polar s CLs  ing system in ent compon n  function  ohydroxylam were formed. at only one o ave autocata n  of  a  smal

igomers. Adap

ion.128  They  unctional  gro on was obse cked  on  eac pon  changing er  length  in solvents.  n a dynamic ents: two ald while  the  ine  (Figure   Then a mal of the four p alytic proper ll  amount  o pted from ref. used  two  m oups.  When  erved, but cy h  other  and g  the  polarit creases  with combinator dehydes, one other  aldeh 1.15).  After  eimide is ad possible prod rties. The au f  template  w f.127  m‐phenylene both  buildin yclic dimers  d  formed  a  c

ty  of  the  sol h  increasing rial library in e of which c hyde  was  a r  the  library dded to the r ducts was se utocatalytic n which  was    e‐ethynyl  ng  blocks  based on  columnar  vent  and  g  polarity  n 2008.131  contained  a  simple  reached  reservoir.  electively  nature of  found  to 

(20)

 

Figure 1.15. 1,3‐dipolar cycloaddition triggered autocatalytic amplification from DCLs. Adapted from ref.70 

Subsequently,  Giuseppone’s  group  developed  an  autocatalytic  system  using  imine‐based  DCLs  in  2009.135  They  found  that  amphiphilic  imines  can  reversibly  assemble  into  spherical  micelles  and  cylindrical  micelles  (Figure  1.16).  Since  the  amphiphilic  imine  is  stabilized  by  forming  a  supramolecular  assembly,  the  formation  of  micelles  promotes  further  formation  of  the  imine,  resulting in the growth of the aggregates. As the micelles grow, they become unstable, which causes  them to split into smaller aggregates. In this case, the reproducing entity is the entire micelle. In the  dynamic  combinatorial  library  the  imines  that  were  able  to  form  nanostructures  were  formed  selectively.  

(21)

Figu Our  gro function chains  c generati oxidatio of the m grow lon fibers  c combina replicatio template replicato environm can exhi re 1.16. Imine oup  serendi alized  buildi composed  of on of β‐shee n of these b macrocyclic c ng enough, t creates  mor atorial library

on.  The  aut e  product  w ors  from  D ments139 and bit parasitic  e driven self‐a ipitously  dis ing  blocks  in f  alternating ets and an a building block compounds s they become re  fiber  end y toward a s tocatalytic  n which  was  fo DCLs  can  d pre‐existing phenomena assembly of di scovered  se n  2010.137  Th g  hydrophob aromatic dith ks in water,  stacks into f e susceptible ds,  thereby single produ ature  of  thi ound  to  acce

be  affected g replicators a similar to b ifferent autoc elf‐replicatin he  building  b bic  and  hydr

hiol core for  first a mixtu ibers due to e to shear s y  propelling  ct. The fiber s  process  w elerate  the  r d  by  temp s.140,141 More iological syst catalytic nanos g  molecule blocks  are  fu rophilic  amin thiol‐disulfi ure of macro o the format tress. Mecha the  replic r‐growth‐bre was  confirme rate  of  the  r plates,138  m eover, these  tems.142  structures. Ad s  in  DCLs  unctionalized no‐acid  resid de exchange ocyclic disulfi ion of β‐she anically indu ation  proce eakage cycle  ed  by  adding reaction.  The mechanical  a dynamic sel   dapted from r made  from d  with  short dues  to  facil e (Figure 1.1 ides forms. T eets. When t

uced breakag ess  in  the 

 enables exp g  a  small  am e  emergenc agitation,137  lf‐replication ef.136  m  dithiol  t  peptide  litate  the  17). Upon  Then one  the fibers  ge of the  dynamic  ponential  mount  of  e  of  self‐

solvent  n systems 

(22)

1.5 Aim

So  far,  m Howeve self‐repl Darwinia molecule studying efficient applicati One of t the princ principle applicati more int Figure 1.17

m and outl

many  synthe r,  most  of  t icating  syst an  evolution es. After ma g  complex  sy   method  fo ions have be hese involve ciple has bee e.  In  additio

ion is to mer teresting dyn . Emergence o

ine

etic  self‐repli hese  system ems  are  un n.  In  the  fi ny years of  ystems.  It  re or  construc een develope es the use of en proven m on,  since  DC rge subsyste namic behav of self‐replicat icating  and  f ms  rely  on  co nable  to  gr

eld  of  folda developmen elaxes  the  d ting  comple ed by using D f DCC to achi many years a CC  has  the  ems with diff viors and pro tors from disu folding  syste omplex  mult row  expone amers,  only nt, DCC has b demand  for  ex  structure DCC and the ieve the synt ago, there ha ability  to  li ferent chara operties.  ulfide based D ems  have  be ti‐step  synth ntially  whic   few  skelet become a po multi‐step  s es  and  dyn ere is still mu thesis of com ave been no  ink  multiple cteristics to  DCLs. Adapted een  develope hesis.  In  add

h  is  particu ton  structur owerful tool  synthesis,  pr amic  proce uch room for mplex folded  reports that e  subsystem build new co d from ref.139  

ed  in  the  pa ition,  most  ularly  impo res  can  form

for construc roviding  a  d esses.  So  fa r new develo  structures.  t go beyond s,  another  omplex syst   ast  years.  synthetic  rtant  for  m  folded  cting and  irect  and  ar,  many  opments.  Although   proof of  potential  ems with 

(23)

Self‐replication  is  one  of  the  most  important  ingredients  in  the  origin  of  life,  and  self‐replicating  molecules are a promising starting point for the de‐novo synthesis of life. Folding is the process by  which proteins and nucleic acid strands acquire a three‐dimensional structure required for function.  This thesis intends to capture the processes of self‐replication and folding individually, or combined  by  using  dynamic  combinatorial  chemistry.  We  first  describe  how  to  use  dynamic  combinatorial  chemistry to construct complex folded structures. By making use of simple building blocks, we have  achieved  the  selective  assembly  of  remarkably  complex  folded  structures.  We  also  combined  the  processes  of  folding  and  self‐replication  in  a  single  system,  giving  rise  to  the  first  such  example  in  synthetic systems. 

In  Chapter  2,  we  describe  how  a  dynamic  combinatorial  selection  approach  allows  access  to  a  foldamer  of  remarkable  complexity  constituted  by  15  identical  peptide‐nucleobase  building  blocks.  The folded structure has a complex secondary and tertiary structure and can emerge autonomously  and  spontaneously  from  a  dynamic  combinatorial  library.  Folding  drives  the  highly  selective  (95%  yield)  synthesis  of  this  remarkable  stable  folded  structure  from  a  mixture  of  interconverting  molecules  of  different  ring  sizes  in  a  one‐step  process.  Structural  characterization  reveals  that  noncovalent  interactions  such  as  π‐π  stacking  and  hydrogen  bonding  play  a  key  role  in  the  stabilization of this complex molecule.  

Following  the  results  in  Chapter  2,  we  synthesized  a  series  of  new  building  blocks  by  replacing  the  peptide‐nucleobase  motif  with  a  simple  dipeptide  subunit.  In  Chapter  3,  we  describe  a  family  of  complex  folded  structures  that  emerged  from  dynamic  combinatorial  libraries  made  from  these  building  blocks.  Like  the  peptide‐nucleobase  foldamer  described  in  Chapter  2,  the  formation  of  dipeptide  foldamers  is  also  spontaneous  and  selective.  The  introduction  of  hydrogen  bonding  sites  on  the  structure  of  the  dipeptide  building  blocks  can  significantly  affect  the  formation  of  folded  structures, leading to the emergence of macrocycles of different sizes (9‐23mers). 

Having  established  the  method  for  the  selective  formation  of  complex  folded  structures  from  dynamic combinatorial libraries, we tried to operate the processes of folding and self‐replication in a  single  system.  In  Chapter  4,  a  new  dynamic  combinatorial  library  is  set  up  by  mixing  the  building  block that is capable of forming folded structures with another building block that can undergo self‐ replication.  The  results  show  no  self‐sorting  between  self‐replicator  and  foldamer  in  this  mixed  system. Instead a series of mixed‐building‐block self‐replicators was obtained. Unlike other nucleic‐ acid  self‐replicating  systems  that  rely  on  base  pairing,  the  emergence  of  the  new  self‐replicators  depends  on  the  ratio  of  the  building  blocks  and  the  assembly  into  ordered  supramolecular 

(24)

nanostructures. In addition, selective auto‐ and  cross‐catalysis in  multicomponent systems  are also  described in this chapter. 

In  Chapter  5,  we  further  explored  the  possibility  of  self‐sorting  of  self‐replicators  and  foldamers  in  mixed  building  block  systems.  By  simply  changing  the  structure  of  the  peptide  building  block,  the  processes  of  self‐replication  and  folding  were  found  to  occur  simultaneously  in  a  single  dynamic  library. The results show that the emergence of self‐replicator or foldamer is determined by the ratio  of  the  building  blocks  that  make  up  the  dynamic  library.  The  emergence  of  the  self‐replicator  can  promote the formation of the complex folded structures. Furthermore, transient formation of a self‐ replicator can also be achieved by adjusting the ratio of the building blocks.  Finally, Chapter 6 gives a summary of this thesis and places the results in a broader perspective.  

1.6 References

(1)  Ashkenasy, G.; Hermans, T. M.; Otto, S.; Taylor, A. F. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 2543.  (2)  Ludlow, R. F.; Otto, S. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 101.  (3)  Sorrenti, A.; Leira‐Iglesias, J.; Markvoort, A. J.; de Greef, T. F. A.; Hermans, T. M. Chem. Soc.  Rev. 2017, 46, 5476.  (4)  van Esch, J. H.; Klajn, R.; Otto, S. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5474.  (5)  van Rossum, S. A. P.; Tena‐Solsona, M.; van Esch, J. H.; Eelkema, R.; Boekhoven, J. Chem. Soc.  Rev. 2017, 46, 5519.  (6)  Ruiz‐Mirazo, K.; Briones, C.; de la Escosura, A. Chem. Rev. 2014, 114, 285.  (7)  Joyce, G. F. Nature 2002, 418, 214.  (8)  Hordijk, W.; Hein, J.; Steel, M. Entropy 2010, 12, 1733.  (9)  Wagner, A. In Evolutionary Systems Biology; Soyer, O. S., Ed.; Springer‐Verlag Berlin: Berlin,  2012; Vol. 751, p 29.  (10)  Fell, D.; Cornish‐Bowden, A. Understanding the control of metabolism; Portland press London,  1997; Vol. 2.  (11)  Martin, A. C.; Orengo, C. A.; Hutchinson, E. G.; Jones, S.; Karmirantzou, M.; Laskowski, R. A.;  Mitchell, J. B.; Taroni, C.; Thornton, J. M. Structure 1998, 6, 875. 

(12)  Appella,  D.  H.;  Christianson,  L.  A.;  Klein,  D.  A.;  Powell,  D.  R.;  Huang,  X.;  Barchi,  J.  J.,  Jr.;  Gellman, S. H. Nature 1997, 387, 381.  (13)  Gellman, S. H. Acc. Chem. Res. 1998, 31, 173.  (14)  Hill, D. J.; Mio, M. J.; Prince, R. B.; Hughes, T. S.; Moore, J. S. Chem. Rev. 2001, 101, 3893.  (15)  Goodman, C. M.; Choi, S.; Shandler, S.; DeGrado, W. F. Nat. Chem. Biol. 2007, 3, 252.  (16)  Yoo, S. H.; Lee, H. S. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 832.  (17)  Martinek, T. A.; Fulop, F. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 687.  (18)  Pilsl, L. K. A.; Reiser, O. Amino Acids 2011, 41, 709. 

(19)  Checco,  J.  W.;  Lee,  E.  F.;  Evangelista,  M.;  Sleebs,  N.  J.;  Rogers,  K.;  Pettikiriarachchi,  A.;  Kershaw, N. J.; Eddinger, G. A.; Belair, D. G.; Wilson, J. L.; Eller, C. H.; Raines, R. T.; Murphy, W.  L.; Smith, B. J.; Gellman, S. H.; Fairlie, W. D. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11365.  (20)  Lee, H.‐S.; Syud, F. A.; Wang, X.; Gellman, S. H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7721.  (21)  Lelais, G.; Seebach, D.; Jaun, B.; Mathad, R. I.; Flögel, O.; Rossi, F.; Campo, M.; Wortmann, A.  Helv. Chim. Acta 2006, 89, 361.  (22)  Hecht, S.; Huc, I. Foldamers: structure, properties and applications; John Wiley & Sons, 2007.  (23)  Fisher, B. F.; Gellman, S. H. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10766. 

(25)

(24)  Farrera‐Sinfreu, J.; Zaccaro, L.; Vidal, D.; Salvatella, X.; Giralt, E.; Pons, M.; Albericio, F.; Royo,  M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 6048. 

(25)  Sharma,  G.  V.;  Jayaprakash,  P.;  Narsimulu,  K.;  Ravi  Sankar,  A.;  Ravinder  Reddy,  K.;  Radha  Krishna, P.; Kunwar, A. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2944.  (26)  Blake, A. J.; Cooke, P. A.; Doyle, K. J.; Gair, S.; Simpkins, N. S. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 9093.  (27)  Goto, H.; Katagiri, H.; Furusho, Y.; Yashima, E. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7176.  (28)  Fenton R. Heirtzler; Markus Neuburger; Margareta Zehnder; Steven J. Bird; Keith G. Orrell; Sik,  V. J. Chem. Soc. Dalton. 1999, 565.  (29)  Heirtzler, F.; Neuburger, M.; Kulike, K. J. Chem. Soc. Perk. T. 2002, 0, 809.  (30)  Bassani, D. M.; Lehn, J. M.; Baum, G.; Fenske, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 36, 1845.  (31)  Dr., L. A. C.; Lehn, J. M.; Homo, J. C.; Schmutz, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 233.  (32)  Cuccia, L. A.; Ruiz, E.; Lehn, J. M.; Homo, J. C.; Schmutz, M. Chem.‐Eur. J. 2002, 8, 3448.  (33)  Ohkita, M.; Lehn, J. M.; Baum, G.; Fenske, D. Chem.‐Eur. J. 1999, 5, 3471.  (34)  Marsella, M. J.; Yoon, K.; Almutairi, A.; Butt, S. K.; Tham, F. S. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125,  13928.  (35)  Petitjean, A.; Cuccia, L. A.; Lehn, J. M.; Nierengarten, H.; Schmutz, M. Angew. Chem. Int. Ed.  2002, 41, 1195.  (36)  Hua, Y. R.; Liu, Y.; Chen, C. H.; Flood, A. H. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14401.  (37)  Hua, Y. R.; Flood, A. H. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12838.  (38)  Yu, Z. L.; Hecht, S. Chem. Commun. 2016, 52, 6639.  (39)  Nelson, J. C.; Saven, J. G.; Moore, J. S.; Wolynes, P. G. Science 1997, 277, 1793.  (40)  Prince, R. B.; Saven, J. G.; Wolynes, P. G.; Moore, J. S. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3114.  (41)  Zhang, D. W.; Zhao, X.; Hou, J. L.; Li, Z. T. Chem. Rev. 2012, 112, 5271.  (42)  Ferrand, Y.; Huc, I. Acc. Chem. Res. 2018, 51, 970.  (43)  De, S.; Chi, B.; Granier, T.; Qi, T.; Maurizot, V.; Huc, I. Nat. Chem. 2018, 10, 51. 

(44)  Gole,  B.;  Kauffmann,  B.;  Maurizot,  V.;  Huc,  I.;  Ferrand,  Y.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2019,  58,  8063.  (45)  Gan, Q.; Wang, X.; Kauffmann, B.; Rosu, F.; Ferrand, Y.; Huc, I. Nat. Nanotechnol. 2017, 12,  447.  (46)  Lamouroux, A.; Sebaoun, L.; Wicher, B.; Kauffmann, B.; Ferrand, Y.; Maurizot, V.; Huc, I. J. Am.  Chem. Soc. 2017, 139, 14668.  (47)  Zhu, J.; Parra, R. D.; Zeng, H. Q.; Skrzypczak‐Jankun, E.; Zeng, X. C.; Gong, B. J. Am. Chem. Soc.  2000, 122, 4219.  (48)  Yi, H. P.; Li, C.; Hou, J. L.; Jiang, X. K.; Li, Z. T. Tetrahedron 2005, 61, 7974.  (49)  Yan, Y.; Qin, B.; Shu, Y. Y.; Chen, X. Y.; Yip, Y. K.; Zhang, D. W.; Su, H. B.; Zeng, H. Q. Org. Lett.  2009, 11, 1201.  (50)  Hou, J. L.; Shao, X. B.; Chen, G. J.; Zhou, Y. X.; Jiang, X. K.; Li, Z. T. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126,  12386.  (51)  Yi, H. P.; Shao, X. B.; Hou, J. L.; Li, C.; Jiang, X. K.; Li, Z. T. New J. Chem. 2005, 29, 1213. 

(52)  Ziach,  K.;  Chollet,  C.;  Parissi,  V.;  Prabhakaran,  P.;  Marchivie,  M.;  Corvaglia,  V.;  Bose,  P.  P.;  Laxmi‐Reddy, K.; Godde, F.; Schmitter, J. M.; Chaignepain, S.; Pourquier, P.; Huc, I. Nat. Chem.  2018, 10, 511.  (53)  Atcher, J.; Nagai, A.; Mayer, P.; Maurizot, V.; Tanatani, A.; Huc, I. Chem. Commun. 2019, 55,  10392.  (54)  Zhang, D. W.; Wang, W. K.; Li, Z. T. Chem. Rec. 2015, 15, 233.  (55)  Jiang, H.; Leger, J. M.; Huc, I. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3448.  (56)  Dolain, C.; Zhan, C. L.; Leger, J. M.; Daniels, L.; Huc, I. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2400.  (57)  Berni, E.; Kauffmann, B.; Bao, C. Y.; Lefeuvre, J.; Bassani, D. M.; Huc, I. Chem.‐Eur. J. 2007, 13,  8463.  (58)  Berni, E.; Dolain, C.; Kauffmann, B.; Leger, J. M.; Zhan, C. L.; Huc, I. J. Org. Chem. 2008, 73,  2687. 

(26)

(59)  Singleton, M. L.; Pirotte, G.; Kauffmann, B.; Ferrand, Y.; Huc, I. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53,  13140.  (60)  Hu, Z. Q.; Hu, H. Y.; Chen, C. F. J. Org. Chem. 2006, 71, 1131.  (61)  Berl, V.; Huc, I.; Khoury, R. G.; Krische, M. J.; Lehn, J. M. Nature 2000, 407, 720.  (62)  Kudo, M.; Lopez, D. C.; Maurizot, V.; Masu, H.; Tanatani, A.; Huc, I. Eur. J. Org. Chem. 2016,  2457. 

(63)  Arrata,  I.;  Grison,  C.  M.;  Coubrough,  H.  M.;  Prabhakaran,  P.;  Little,  M.  A.;  Tomlinson,  D.  C.;  Webb, M. E.; Wilson, A. J. Org. Biomol. Chem. 2019, 17, 3861.  (64)  Rogers, J. M.; Kwon, S.; Dawson, S. J.; Mandal, P. K.; Suga, H.; Huc, I. Nat. Chem. 2018, 10, 405.  (65)  Lokey, R. S.; Iverson, B. L. Nature 1995, 375, 303.  (66)  Delsuc, N.; Godde, F.; Kauffmann, B.; Leger, J. M.; Huc, I. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 11348.  (67)  Kudo, M.; Maurizot, V.; Kauffmann, B.; Tanatani, A.; Huc, I. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9628.  (68)  Boomgaarden, W.; Vogtle, F.; Nieger, M.; Hupfer, H. Chem.‐Eur. J. 1999, 5, 345.  (69)  Lee, S.; Hua, Y. R.; Flood, A. H. J. Org. Chem. 2014, 79, 8383.  (70)  Kosikova, T.; Philp, D. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 7274.  (71)  Bottero, I.; Huck, J.; Kosikova, T.; Philp, D. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6723.  (72)  Morrow, S. M.; Colomer, I.; Fletcher, S. P. Nat. Commun. 2019, 10.  (73)  Colomer, I.; Morrow, S. M.; Fletcher, S. P. Nat. Commun. 2018, 9.  (74)  Otto, S. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 2200.  (75)  Vonkiedrowski, G. Angew. Chem. Int. Ed. 1986, 25, 932. 

(76)  Vonkiedrowski,  G.;  Wlotzka,  B.;  Helbing,  J.;  Matzen,  M.;  Jordan,  S.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  1991, 30, 423.  (77)  Sievers, D.; von Kiedrowski, G. Chem.‐Eur. J. 1998, 4, 629.  (78)  Zielinski, W. S.; Orgel, L. E. Nature 1987, 327, 346.  (79)  Luther, A.; Brandsch, R.; von Kiedrowski, G. Nature 1998, 396, 245.  (80)  Paul, N.; Joyce, G. F. P. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 12733.  (81)  Rogers, J.; Joyce, G. F. RNA 2001, 7, 395.  (82)  Lincoln, T. A.; Joyce, G. F. Science 2009, 323, 1229.  (83)  Kim, D. E.; Joyce, G. F. Chem. Biol. 2004, 11, 1505.  (84)  Ferretti, A. C.; Joyce, G. F. Biochemistry 2013, 52, 1227.  (85)  Robertson, M. P.; Joyce, G. F. Chem. Biol. 2014, 21, 238.  (86)  Olea Jr, C.; Joyce, G. F. In Methods Enzymol.; Elsevier: 2015; Vol. 550, p 23.  (87)  Sczepanski, J. T.; Joyce, G. F. Nature 2014, 515, 440.  (88)  Olea, C.; Horning, D. P.; Joyce, G. F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8050.  (89)  Lam, B. J.; Joyce, G. F. Nat. Biotechnol. 2009, 27, 288.  (90)  Lee, D. H.; Granja, J. R.; Martinez, J. A.; Severin, K.; Ghadiri, M. R. Nature 1996, 382, 525.  (91)  Yao, S.; Ghosh, I.; Zutshi, R.; Chmielewski, J. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 10559.  (92)  Issac, R.; Chmielewski, J. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6808.  (93)  Yao, S.; Ghosh, I.; Zutshi, R.; Chmielewski, J. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 478.  (94)  Rubinov, B.; Wagner, N.; Rapaport, H.; Ashkenasy, G. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6683.  (95)  Tjivikua, T.; Ballester, P.; Rebek, J. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 1249.  (96)  Menger, F. M.; Eliseev, A. V.; Khanjin, N. A. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 3613.  (97)  Reinhoudt, D. N.; Rudkevich, D. M.; deJong, F. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6880.  (98)  Rotello, V.; Hong, J. I.; Rebek, J. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 9422.  (99)  Hong, J. I.; Feng, Q.; Rotello, V.; Rebek, J. Science 1992, 255, 848.  (100)  Park, T. K.; Feng, Q.; Rebek, J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 4529.  (101)  Feng, Q.; Park, T. K.; Rebek, J. Science 1992, 256, 1179.  (102)  Pieters, R. J.; Huc, I.; Rebek, J. Angew. Chem. Int. Ed. 1994, 33, 1579.  (103)  Wintner, E. A.; Conn, M. M.; Rebek Jr, J. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 8877.  (104)  Pieters, R. J.; Huc, I.; Rebek, J. Tetrahedron 1995, 51, 485.  (105)  Kamioka, S.; Ajami, D.; Rebek, J. P. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 541.  (106)  Wang, B.; Sutherland, I. O. Chem. Commun. 1997, 1495. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

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

The approach taken to accessing new synthetic foldamers has until now relied almost exclusively on  design,  followed  by  multi‐step  synthesis.  An 

1   We  know  from  protein  chemistry  that  the  way  in  which  the  twenty  natural  amino  acids  are  inserted  dictates  dynamicity  and  the  arrangement 

In  summary,  we  have  shown  how  self‐replicators  containing  both  amino‐acid 

In  conclusion,  we  were  able  to  witness  two  of  the  most  important  processes  of  living  systems,  self‐replication  and  folding  in  a  single 

The  most  challenging  work  in  this  thesis  is  the  use  of  DCC  to  design  and  synthesize  new  complex  folded  molecules.  The  principle  of 

entire folded skeleton, which  makes  it difficult  to  predict  the emergence of  folded 

African elephants (Loxodonta africana) are facing a continental wide decrease in numbers as populations are becoming increasingly isolated in remaining wilderness