Synthese und Charakterisierung hochgeordneter peptidmodifizierter Silicananoporen als Modellsysteme für biologische Hybridmaterialien

Diese Arbeit behandelt die Synthese von anorganisch/organischen Hybridmaterialien. Durch detaillierte Charakterisierung der Struktur und Oberflächenanbindung von Peptiden an porösen Trägersystemen sollen Informationen über natürlich vorkommenden Hybridmaterialien gewonnen werden. Der Fokus liegt hierbei auf deren Charakterisierung mit diversen Techniken der Festkörper NMR, welche besondere Anforderungen an die herzustellenden Materialien stellt. Die Synthesen beginnen bei der Herstellung des porösen Trägersystems, über die Anbringung von chemischen Linkergruppen bis hin zur Anbindung von Biomolekülen. Als Basis des Trägersystems dienen die porösen Silicamaterialien MCM 41 und SBA-15, welche über eine templatbasierte Synthese hergestellt werden. Der besondere Anspruch an die herzustellenden Träger ist dabei ein hierarchisches und hoch definiertes Porensystem. Nur dies lässt die angestrebte homogene Funktionalisierung des Materials zu. Außerdem erreichen nur definierte Materialien hohe spezifische Oberflächen, die für die Analyse mittels Festkörper NMR Techniken unerlässlich sind. Anschließend wird eine Linkergruppe für die Anbindung von Peptiden an den Poreninnenwänden angebracht. Hierzu werden die Ansätze des Graftings und der Co Kondensation gegeneinander abgewogen und eine geeignete Methode etabliert. Im finalen Schritt werden die linkermodifizierten Strukturen gezielt mit kurzen Peptidsequenzen modifiziert und im Detail mit Festkörper NMR Techniken auf deren chemische Struktur untersucht. Ziel ist es eine kovalente Oberflächenfunktionalisierung mit hoher Funktionalisierungsdichte und einheitlicher Oberflächenbehandlung zu realisieren. Hierzu wird die kovalente Bindung zwischen Peptid und Linker mittels Festkörper NMR Messungen nachgewiesen und deren Orientierung in der Pore untersucht. Weiterhin werden die Funktionalisierungsdichten und die Veränderung des Porensystems durch die Funktionalisierung mit diversen Techniken untersucht. Nach Entwicklung einer zuverlässigen Funktionalisierungsstrategie für Peptide werden auch andere organische Moleküle angebunden und untersucht. Dazu zählen stimuli-responsive Moleküle und Spin Labels, die für spezielle DNP NMR Anwendungen benötigt werden.

This work deals with the synthesis of inorganic/organic hybrid materials. Detailed characterization of the structure and surface binding of peptides to porous carrier systems will provide information on naturally occurring hybrid materials. The focus is on their characterization with various techniques of solid state NMR, which makes special demands on the materials to be produced. The syntheses start with the production of the porous carrier system, the attachment of chemical linker groups up to the binding of biomolecules. The carrier system is based on the porous silica materials MCM 41 and SBA-15, which are produced by template-based synthesis. The special requirement for the carriers is a hierarchical and highly defined pore system. This is the only way to achieve the desired homogeneous functionalization of the material. In addition, only defined materials achieve high specific surfaces, which are essential for analysis using solid state NMR techniques. A linker group for the binding of peptides to the inner pore walls is then attached. For this purpose, the approaches of grafting and co-condensation are weighed against each other and a suitable method is established. In the final step, the linker-modified structures are specifically modified with short peptide sequences and their chemical structure is examined in detail using solid state NMR techniques. The aim is to realize a covalent surface functionalization with high functionalization density and uniform surface coverage. For this purpose, the covalent binding between peptide and linker is proven by solid state NMR measurements and their orientation in the pore is investigated. Furthermore, the functionalization densities and the change of the pore system by functionalization are investigated using various techniques. After the development of a reliable functionalization strategy for peptides, other organic molecules will also be bound and investigated. These include stimuli-responsive molecules and spin labels required for specific DNP NMR applications.