University of Groningen
Structure-Function Relationships in Dynamic Combinatorial Libraries
Altay, Meniz
DOI:
10.33612/diss.90038152
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):
Altay, M. (2019). Structure-Function Relationships in Dynamic Combinatorial Libraries. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.90038152
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.
212 Summary
Most of the building blocks that were developed in our group consist of an aro-matic core with two thiol units, a beta-sheet forming short peptide of which the first amino acid acts a spacer. In Chapter 3 we show how self-replication can be tuned by the length of the spacer in DCLs made from two structurally different building blocks in which β-alanine and γ-aminobutyric acid were incorporated as spacer. Af-ter modifying the building blocks with these amino acids which contain additional methylene units compared to the original glycine spacer, we investigated the self-replication behavior of mutants in different conditions. We showed the emergence of differently sized self-replicators from the mutants of the first building block and inhi-bition of the self-replication in DCLs made from the mutants of the second building block.
Using a similar approach, in Chapter 4 we discovered parasitic behavior between self-replicators formed from building blocks that differ by a single methylene unit. We observed that a 6-ring replicator can only emerge when assisted by a pre-existing 8-ring self-replicator. While the 8-ring templated the formation of hexameric species from one end of the fiber, it was degraded from the other end to the point that it was no longer detectable by the end of the experiment. We also provided experimental proof for the uni-directional cross-catalysis between the self-replicators: only 8-ring can cross-catalyze the formation of 6-ring species but not vice-versa.
Aiming for diversification of self-replicators through a cross-catalytic pathway under out-from-equilibrium conditions, we used continuous flow-set-ups in Chapter 5. By employing the first set of building blocks that were studied in Chapter 3, we infused mixtures of monomer, trimers and tetramers with varying building block compositions into a solution containing self-replicators and monitored their adapta-tion in time. First, we set up a system with two building blocks and optimized the experimental conditions in terms of flow rate, time and starting replicator composi-tion. We also report attempts to create a cross-catalytic cycle by introducing a third building block. We observed a switch in the size of replicators over time. However, for a more detailed kinetic analysis, further optimization of analytical methods is required.
Finally, in Chapter 6, our studies are placed in a broader perspective and future prospects are discussed.
Samenvatting
In de afgelopen jaren heeft het onderzoek naar de-novo leven en Darwinistische evo-lutie in moleculaire systemen belangrijke vooruitgang geboekt door studies gericht op synthetische replicatoren. Het werk dat in dit proefschrift is uitgevoerd, geeft voor-beelden van hoe variaties in bouwsteenontwerp van invloed zijn op zelfassemblage en zelfreplicatiegedrag in dynamische combinatorische bibliotheken. We rapporteren ook hoe verschillende zelfreplicatoren elkaars gedrag beloeden in systemen met meerdere bouwstenen.
Hoofdstuk 1 geeft een inleiding waarin mogelijke definities van leven worden besproken, samen met de belangrijkste kenmerken van levende systemen (zoals zelf-replicatie en metabolisme) en een overzicht van recente ontwikkelingen op het ge-bied van zelfreplicatoren gebaseerd op peptiden en nucleobases. Voorbeelden hier-van zijn vooral kinetisch gecontroleerde zelfreplicatie en de opkomst hier-van replicatoren onder out-of-equilibrium condities. Een kort overzicht van systeemchemie en dy-namische combinatorische chemie wordt gegeven; beide zijn nuttige instrumenten om het verschijnen van complexe moleculen te bestuderen en het begrip van de cruciale concepten voor de ontwikkeling van nog complexere systemen te vereen-voudigen. Dit omvat recente voorbeelden ontwikkeld door onze groep, zoals een nucleatie-elongatie mechanisme van zelfreplicatie in DCLs, exponenti groei van op peptide gebaseerde zelfreplicatoren en hun diversificatie. Tenslotte bespreken we voorbeelden van supramoleculaire polymeren die een ent-groeimechanisme volgen dat vergelijkbaar is met de systemen die door onze groep zijn ontwikkeld.
In hoofdstuk 2 rapporteren we twee peptide-gebaseerde zelfreplicatoren die ge-bruikt werden om supramoleculaire polymeren te synthetiseren met controleerbare grootte en samenstelling. Onze waarnemingen gaven aan dat de aard van de poly-meren sterk beloed werd door de morfologie van de uit elkaar geschoven entvezels. Terwijl triblock-vezels werden gevormd uit stapels van korte enten, groeiden
diblock-214 Samenvatting
vezels uit enkele entvezels. In het laatste deel van dit hoofdstuk doen we verslag van onze pogingen om de blokvezels direct te visualiseren met behulp van elektronenmi-croscopie door halogenen in de bouwstenen te introduceren.
De meeste bouwstenen die in onze groep zijn ontwikkeld bestaan uit een aroma-tische kern met twee thiolgroepe en een kort peptide dat een b-sheet vormt, waar-van het eerste aminozuur als een spacer werkt. In hoofdstuk 3 laten we zien hoe zelf-replicatie kan worden afgesteld door de lengte van de spacer te veranderen, in DCLs gemaakt van twee structureel verschillende bouwstenen waarin β-alanine en γ-aminoboterzuur als spacer zijn opgenomen. Na aanpassing van de bouwstenen met deze aminozuren, die extra methyleen-groepen bevatten ten opzichte van de oor-spronkelijke glycine spacer, onderzochten we het zelfreplicatiegedrag van mutanten in verschillende omstandigheden. We laten de opkomst van zelfreplicatoren van ver-schillende grootte zien uit de mutanten van de eerste bouwsteen en remming van de zelfreplicatie in DCLs gemaakt van de mutanten van de tweede bouwsteen.
Op een vergelijkbare manier ontdekten we in hoofdstuk 4 parasitair gedrag tussen zelfreplicatoren die gevormd werden uit bouwstenen die verschillen door slechts een enkele methyleengroep. We merkten op dat een 6-ring replicator alleen kan ontstaan wanneer deze wordt ondersteund door een reeds bestaande 8-ring zelfreplica-tor. Terwijl de 8-ringen optraden als sjabloon voor de vorming van hexamere soorten aan het ene uiteinde van de vezel, werden ze zelf van het andere uiteinde afgebroken tot het punt dat ze aan het einde van het experiment niet langer detecteerbaar waren. We hebben ook experimenteel bewijs geleverd voor de eenrichtings-kruiskatalyse tussen de zelfreplicatoren: 8-ringen kunnen de vorming van 6-ringsoorten kataly-seren, maar niet omgekeerd.
Met het oog op diversificatie van zelfreplicatoren door middel van een kruiskat-alytische route onder out-from-equilibrium condities, hebben we in hoofdstuk 5 continue-flow opstellingen gebruikt. Door gebruik te maken van de eerste reeks bouw-stenen die in hoofdstuk 3 werden bestudeerd, hebben we mengsels van monomeren, trimeren en tetrameren met verschillende bouwbloksamenstellingen in een oplossing met zelfreplicatoren geecteerd en hun adaptatie gevolgd als functie van tijd. Eerst hebben we een systeem met twee bouwstenen opgezet en de experimentele condities geoptimaliseerd betreffende doorstroomsnelheid, tijd en initi replicatorsamenstelling. We rapporteren ook pogingen om een cross-catalytische cyclus te cren door de intro-ductie van een derde bouwsteen. We hebben na verloop van tijd een verandering in de grootte van de replicatoren waargenomen. Voor een meer gedetailleerde kinetische analyse is echter een verdere optimalisatie van de analysemethoden vereist.
Tot slot worden ons onderzoek in hoofdstuk 6 in een breder perspectief geplaatst en worden de toekomstperspectieven besproken.
Acknowledgements
Dear Sijbren, I would like to thank you for giving me the opportunity to work in your group. I appreciate your way of giving freedom to people in their research projects. Overall, I learned a lot of scientifically and personally valuable things from you which helped me to become a better researcher and a better person. Thank you for all your contributions.
I would like to thank to the reading committee, Prof. Martin Witte, Prof. Rint Sijbesma and Prof. Michael Pittelkow for their time to read my thesis and insightful comments and corrections.
I am grateful to Monique and Theodora for their scientific support in chromatog-raphy and spectrometry related issues and Annette for her helps in all administrative issues. And Marc, thank you for introducing me to the amazing world of electron microscopy. I have always admired your approach to problems, your efforts to make people aware of what they are doing and most importantly making it in a quite fun way!
Ivana and Guillermo, thank you guys for being my paranymphs during my defense and for all your support in this period. People in Otto group; spending more than four years with you is truly an unforgettable period in my life. Andrea, the first months in Groningen was memorable especially when people insistently thought I was you! :) Asish and Morteza, thank you guys for your initiations in projects which eventually turned to be a big part of my research. Ivica, I am really glad to share my office with you and will really miss our non-scientific discussions in the office. Giulia, Boris, Gael, Saleh, Elio, Shuo, Jim, Andreas, Xiaoming, Jim, Bin, Soma, David, Babis, thank you all guys for all the time that we spent together. And all the new members of Otto group, I wish you good luck and a big success in your studies.
Of course, dear Turkish crew, Burcu, Pınar ve Se¸ckin, Ay¸seg¨ul, Turhan, Arman, Veclal abla thank you for all your company. M¨uge & Patrick, I’m so glad to know you guys. I will always appreciate our talks that helped me to survive PhD life. And Billur, we are the best examples to show long distances can bring people closer ;)
