Temperature triggered switching of enzymatic activity via polymer bound, thermoresponsive inhibitor motifs
Synthesis and Properties of Functional Materials
Preparatory and Physical Chemistry of Polymers
Final Report Abstract
Das Projekt befasste sich mit der temperaturgesteuerten Beeinflussung der enzymatischen Aktivität von Enzymen mit Hilfe thermoresponsiver PNIPAm-basierter Polymere, die mit Derivaten eines geeigneten Inhibitormoleküls funktionalisiert sind. Durch die LCST-Charakteristik des Basispolymers wurde antizipiert, dass durch Überschreiten der Übergangstemperatur und dem damit verbundenen Kollaps der Polymerketten das Inhibitormotiv dem Lösungsvolumen weitgehend entzogen und damit die zunächst unterdrückte Enzymaktivität schlagartig, d.h. in einer Art Aus/An-Manier, wiederhergestellt wird. Grundlage für die Herstellung der benötigten Polymere war ein Thiolacton-haltiger Precursor, der über eine ringöffnende Addition durch funktionale primäre Amine mit dem entsprechenden Inhibitormotiv ausgerüstet werden kann. Nach dem Screenen mehrerer Enzym/Inhibitor-Kombinationen konnte der Funktionsnachweis mit dem System Acetylcholinesterase/Tacrin erbracht werden. Dem prinzipiellen Funktionieren des Konzepts stehen aber noch ein relativ breiter Temperaturübergang des Polymers sowie nur eine teilweise Re-Aktivierung des Enzyms gegenüber. Diese Herausforderungen erachten wir aber als lösbar. Die weiteren untersuchten Systeme erwiesen sich als nicht praktikabel aufgrund fehlerhafter Informationen in einschlägigen Publikationen, oder der Tatsache, dass die Derivatisierung und Anbindung des Inhibitormotivs dessen Inhibitionswirkung aufhebt. Dadurch steht die Demonstration der breiten Anwendbarkeit des Konzepts noch aus. Die vergleichsweise langwierige Suche nach geeigneten Enzym/Inhibitorkombinationen sowie hoher synthetischer Aufwand bei der Herstellung der Inhibitorderivate erlaubte es nicht, das funktionierende AChE/Tacrin-System in die Anwendung des Temperaturindikators zu überführen. Jedoch konnte gezeigt werden, dass sich die Schalttemperatur durch Variation der Polymerstruktur gezielt einstellen lässt, was als eine weitere Voraussetzung für die Überführung in die anvisierte Anwendung anzusehen ist. Zukünftige Arbeiten sollten sich mit der Frage der Verbesserung des temperaturgesteuerten Übergangs des Polymers in den kollabierten Zustand befassen, da dieser bisher noch vergleichsweise breit ist. Eine nähere, mechanistische Betrachtung des Inhibitionsvorgangs mit den polymergebundenen Inhibitormotiven sollte angegangen werden und zuguterletzt Blockcopolymerstrukturen als inhibierende Spezies untersucht werden. Letztere können nochmals die Schaltkinetik sowie die optische Detektierbarkeit des Vorgangs verbessern.
Publications
- „Swichting Enzyme Activity by a Temperature Responsive Inhibitor Modified Polymer“ Chemical Communications 2020, 56, 2459-2462
Rottke, Falko; Heyne, Marie-Victoria; Reinicke Stefan
(See online at https://doi.org/10.1039/c9cc09385k)
