Bioconjugation of Peptides on Cube-octameric Silsesquioxanes

Fabritz, Sebastian (2013)
Bioconjugation of Peptides on Cube-octameric Silsesquioxanes.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Bioconjugation of Peptides on Cube-octameric Silsesquioxanes

Language:

English

Referees:

Kolmar, Prof. Dr. Harald ; Biesalski, Prof. Dr. Markus ; Dondoni, Prof. Dr. Alessandro

Date:

2013

Place of Publication:

Darmstadt

Date of oral examination:

4 December 2012

Abstract:

In the present thesis the development of new, efficient and bioorthogonal conjugation methods for the derivatization of cube-octameric silsesquioxanes (COSS) is described. The successful synthesis of an octaazide COSS scaffold allowed for the eightfold conjugation of an octa-RGD peptide via copper(I)-catalyzed alkyne-azide [3+2] cycloaddition (CuAAC) in a water-free system.

As COSS cages are stable in acidic media and aldehydes are easily addressable in this environment, aminooxy-functionalized silsesquioxane derivatives promise high reaction rates upon oxime ligation. Thus, pendant aminooxy groups were introduced into an octaamino COSS precursor by amide coupling with protected aminooxy acetic acid. The subsequent oximation allowed the efficient conjugation with a number of peptidic molecules having up to 35 amino acids in their backbones, among them functional peptides as [KVSALKE]5 or disulfide-rich miniproteins. The number of attached ligands was not only dependent on the reaction rate, but was also dictated by the steric and electrostatic repulsion of the ligands.

Thus, this work showed different experimental approaches to the synthesis of biofunctionalized COSS. Furthermore, a peptide-COSS conjugate was used to demonstrate the possibility to address a central cellular process (DNA replication in higher cells), showing the great application potential of these nanoparticles. Additionally, a preparatory approach is described that might allow for the synthesis of alcohol- and aldehyde-derivatized COSS particles via biotransformation of halogenated silsesquioxanes using haloalkane dehalogenases.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

In der hier vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung neuer, effizienter und bioorthogonaler Konjugationsmethoden zur Derivatisierung von kubisch-oktamerischen Silsesquioxanen (COSS) beschrieben. Die erfolgreiche Darstellung eines würfelförmigen oktaazido-Grundgerüsts hat erstmals die achtfache Anbindung eines okta-RGD-Peptids via Kupfer(I)-katalysierter Alkin-Azid [3+2] Zykloaddition (CuAAC) im wasserfreien System ermöglicht.

Da COSS-Käfige in saurer Umgebung stabil sind und Aldehyde eine unter diesen Bedingungen adressierbare Funktonalität darstellen, versprechen insbesondere aminooxyfunktionalisierte Silsesquioxane (R-O-NH2) hohe Reaktionsgeschwindigkeiten bei der Oxim-Ligation. Folglich wurden oktaamino-COSS via Amidbindung mit geschützten Aminooxyessigsäurebausteinen dekoriert. Die darauffolgende Oximierung von COSS erlaubte deren effiziente Verknüpfung mit verschiedenen Peptidmolekülen, unter anderem dem 35 Aminosäuren langen Peptid [KVSALKE]5 oder disulfidreichen Miniproteinen. Die Anzahl an verknüpfbaren Liganden war in diesen Fällen nicht mehr allein durch die Reaktionsgeschwindigkeit beschränkt, sondern vielmehr durch die sterische bzw. elektrostatische Abstoßung der Liganden untereinander.

Mit dieser Arbeit wurden verschiedene experimentelle Zugänge für die Synthese biofunktionalisierter COSS erschlossen. Um das Anwendungspotential dieser Nanopartikel zu demonstrieren wurde ein Peptid-COSS-Konjugat zur Beeinflussung eines zentralen zellulären Prozesses (DNA-Replikation in höheren Zellen) genutzt. Zuletzt wird eine konzeptionelle Vorarbeit zur Synthese von alkoholischen und aldehydischen Partikeln durch Biotransformation halogenierter COSS durch Haloalkandehalogenasen beschrieben.

German

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