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Engineering of Bioactive Papers: Site-specific, Covalent Immobilization of Peptides and Proteins

Liebich, Valentina Jutta (2023)
Engineering of Bioactive Papers: Site-specific, Covalent Immobilization of Peptides and Proteins.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022853
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Engineering of Bioactive Papers: Site-specific, Covalent Immobilization of Peptides and Proteins
Language: English
Referees: Kolmar, Prof. Dr. Harald ; Biesalski, Prof. Dr. Markus
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 128 Seiten
Date of oral examination: 31 October 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022853
Abstract:

Bioactive papers are of growing interest regarding point-of-care testing devices that do not require extensive analytical equipment and have with Covid-19 made their way to everyone’s household. The generation of such papers that comprise - in their simplest form - a bioactive protein presented on a cellulosic material, typically relies on four very different immobilization principles, which can be divided into covalent/non-covalent and site-specific/non-site-specific strategies. Covalent, site-specific approaches are of special demand if a uniform, site-directed distribution of the biomolecule throughout the paper substrate is required along with a stable binding. Modular, chemoenzymatic approaches enable the formation of such bonds. To the best of our knowledge, we are the first to investigate chemoenzymatic approaches for functional protein immobilization on cotton linters-based materials aimed at a versatile toolbox of strategies for the efficient and reliable generation of bioactive papers. The synthetic peptide immobilization strategies rely on: 1) highly efficient, spatially controllable phototriggered cycloaddition, 2) near to “green” oxime ligation, 3) fast reductive amination with subsequent amidation, or 4) straightforward esterification with subsequent amidation. All approaches are followed by site-specific sortase A- or microbial transglutaminase-catalyzed transamidation. These four different conjugation strategies for peptide immobilization were evaluated with respect to reproducibility and fiber loading efficiency. The two enzymes employed for protein conjugation were able to recognize the same oligoglycine peptide anchor. Both proved suitable for controlled and site-directed conjugation of substrate proteins at physiological conditions. The method was engineered to allow unidirectional and covalent immobilization of several proteins displaying different functional properties, with ramifications for application in paper-based diagnostics.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Bioaktive Papiere sind von stetig wachsendem Interesse für Point-of-Care-Tests, die keine umfangreiche analytische Ausrüstung erfordern und spätestens mit Covid-19 gerade ihren Weg in jedermanns Haushalt gefunden haben. Die Herstellung solcher Papiere, die in ihrer einfachsten Form ein an Papier adsorbiertes, bioaktives Protein enthalten, kann typischerweise auf vier sehr unterschiedlichen Protein-Immobilisierungsprinzipien beruhen, die sich in kovalente/nicht-kovalente und ortsspezifische/nicht ortsspezifische Strategien unterteilen lassen. Kovalente, ortsspezifische Strategien sind erforderlich, wenn eine gleichmäßige, ortsgerichtete Verteilung des Biomoleküls auf dem Papiersubstrat und eine stabile Bindung erreicht werden sollen. Modulare, chemoenzymatische Ansätze ermöglichen die Bildung solcher Bindungen. Chemoenzymatische Ansätze für die Immobilisierung funktioneller Proteine auf Materialien auf Baumwoll-Linters-Basis wurden bisher nicht untersucht. Daher soll in dieser Arbeit ein vielseitiger Werkzeugkasten von Strategien für die effiziente und zuverlässige Herstellung bioaktiver Papiere entwickelt werden. Die synthetischen Strategien zur Peptidimmobilisierung auf Linters beruhen auf: 1) hocheffizienter, räumlich kontrollierbarer licht-induzierter Cycloaddition, 2) nahezu "grüner" Oxim-Ligation, 3) reduktiver Aminierung mit anschließender Amidierung, oder 4) direkter Veresterung einer Aminosäure mit anschließender Amidierung, gefolgt von einer ortsspezifischen Sortase A- oder mikrobiellen Transglutaminase-katalysierten Transamidierung. Diese vier verschiedenen Konjugationsstrategien für die Peptidimmobilisierung wurden im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Faserbeladungseffizienz bewertet. Die beiden für die Proteinkonjugation eingesetzten Enzyme konnten denselben Oligoglycin-Peptidanker verwenden. Der grundlegende Ansatz beinhaltete eine Vorfunktionalisierung von Papierfasern mit thermostabilen Peptiden, als Konjugationsanker, die einen Papierherstellungsprozess unter Hitzeeinwirkung überstehen. Die Strategie sollte die Bildung einer stabilen, kovalenten Bindung, ortsspezifisch und unter milden Reaktionsbedingungen sicherstellen, wobei die Funktion des Biomoleküls erhalten bleiben soll. Da die Strategien reproduzierbar und modular sind, eröffnen sie neue Wege zur Herstellung maßgeschneiderter bioaktiver Papiere.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-228539
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
500 Science and mathematics > 540 Chemistry
500 Science and mathematics > 570 Life sciences, biology
Divisions: 07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Biochemie > Allgemeine Biochemie
Date Deposited: 14 Feb 2023 13:05
Last Modified: 16 Feb 2023 07:02
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22853
PPN: 505049007
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