Πειραματική μελέτη σύνθεσης μοριακά αποτυπωμένων πολυμερικών μικρο- και νανοσωματιδίων για την επιλεκτική αναγνώριση πεπτιδίων

Abstract

The aim of the present study is the synthesis of molecularly imprinted polymeric microand nanoparticles for the selective recognition of amino acid derivatives and peptides. The interaction between the template molecules and the functional monomers is based either on the development of coordination bonds via the mediation of metal ions or on the development of multiple non-covalent interactions including ionic interactions, hydrophobic interactions and hydrogen bonds. The molecularly imprinted polymeric particles are prepared either by precipitation polymerization in methanol or by inverse suspension polymerization. The present study, aims to assess the potential of the imidazole group-recognition approach and the epitope approach as alternative approaches for the synthesis of artificial antibodies with selective recognition properties towards specific proteins. Initially, the precipitation co-polymerization of the selected functional monomers with various crosslinking agents in methanol was experimentally studied and the effect of the various process parameters on the structure, morphology and porosity of the produced polymers was defined. The total solubility parameter and the solubility parameter components of the polymers were calculated either by group contribution methods or by topological structure-property methods in order to express the solvent-polymer affinity and to justify the observed results. Consequently, molecularly imprinted polymers were prepared by precipitation polymerization in methanol for the metal ion mediated recognition of histidine derivatives and histidine dipeptide derivatives, using cobalt acetate and copper acetate as metal ion sources. Before the polymerization process, the polymerizable complex formation between the template molecule, the metal ion and the functional monomer in the polymerization mixture was studied spectrophotometrically. The effect of the various process parameters on the imprinting efficiency was determined. The assessment of the molecularly imprinted polymers took place either by batch-wise rebinding experiments or by chromatographic studies. The experimentally measured binding isotherms were simulated both by discrete binding models and continuous distribution models and the values of the various binding constants were calculated. Moreover, highly crosslinked hydrophilic poly(acrylamide) microparticles were prepared by inverse suspension polymerization technique. The effect of the various process parameters on the particle size distribution, polymer structure, morphology and porosity was studied. Furthermore, inverse suspension was applied for the preparation of molecularly imprinted polymeric particles for the selective recognition of the N-histidine dipeptide His-Phe via nickel ion mediation. The mixed complex formation between the dipeptide, the nickel ion and the functional monomer was investigated by potentiometric titrations and the binding capacity of the produced polymer was measured both in water and in buffer environment. Finally, molecularly imprinted microparticles for the selective recognition of the conserved sequence YGNGV in bacteriocin Carnocin KZ213, were also prepared by inverse suspension polymerization. The effect of the monomer type, the initiation/polymerization temperature system and the pH value on the imprinting efficiency was studied.

Η παρούσα μελέτη πραγματεύεται την ανάπτυξη μοριακά αποτυπωμένων πολυμερικών σωματιδίων για την επιλεκτική αναγνώριση αμινοξέων και πεπτιδίων είτε μέσω ανάπτυξης δεσμών σύνταξης με τη διαμεσολάβηση μεταλλικών ιόντων, είτε μέσω ανάπτυξης πολλαπλών μη-ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων σε υδατικό περιβάλλον (ιοντικές δυνάμεις, υδρόφοβες δυνάμεις και δεσμούς υδρογόνου). Στόχος της μελέτης είναι να διερευνήσει το δυναμικό της μεθόδου αναγνώρισης χαρακτηριστικών ομάδων (ιμιδαζολικών δακτυλίων ιστιδίνης) και της μεθόδου "επιτόπιου" ως εναλλακτικές προσεγγίσεις για τη μοριακή αποτύπωση και την επιλεκτική αναγνώριση των πρωτεϊνών. Για την ανάπτυξη των μοριακά αποτυπωμένων πολυμερών χρησιμοποιούνται ο πολυμερισμός καθίζησης καθώς και ο πολυμερισμός του ανεστραμμένου αιωρήματος. Αρχικά, μελετάται ο πολυμερισμός καθίζησης παρουσία μονομερούς δικτύωσης στη μεθανόλη και αναλύεται η επίδραση των βασικών παραμέτρων του συστήματος στη μορφολογία και στα δομικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων πολυμερών. Για την ποσοτικοποίηση της διαλυτότητας/αγχιστείας των πολυμερών στη μεθανόλη και την ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων προσδιορίζονται οι τιμές των παραμέτρων διαλυτότητας των παραγομένων πολυμερών μέσω κατάλληλων μεθόδων. Στη συνέχεια, λαμβάνει χώρα, με την τεχνική αυτή, η σύνθεση μοριακά αποτυπωμένων σωματιδίων χρησιμοποιώντας ως μόρια-οδηγούς παράγωγα ιστιδίνης και διπεπτιδίων ιστιδίνης. Ο πολυμερισμός διεξάγεται παρουσία μεταλλικών ιόντων στο μέσο αντίδρασης (οξικού κοβαλτίου και οξικού χαλκού), τα οποία αναπτύσσουν ταυτόχρονα δεσμούς σύνταξης με τα μόρια-οδηγούς και τα λειτουργικά μονομερή. Για τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος, πραγματοποιείται φασματοσκοπική μελέτη και προσδιορίζονται οι σταθερές σχηματισμού των συμπλόκων μεταξύ των μετάλλων και των υποκαταστατών (λειτουργικά μονομερή και μόρια-οδηγοί). Η σύνθεση των πολυμερών λαμβάνει χώρα για διάφορες πειραματικές συνθήκες και μελετάται η επίδραση αυτών στην απόδοση της μοριακής αποτύπωσης. Η αξιολόγηση των μοριακά αποτυπωμένων πολυμερών λαμβάνει χώρα είτε μέσω πολλαπλών ανεξάρτητων μετρήσεων δέσμευσης των αποτυπωμένων μορίων και μαθηματική ανάλυση των ισόθερμων δέσμευσης τους στα παραγόμενα πολυμερή, είτε μέσω χρωματογραφικής μελέτης των παραγόμενων πολυμερών. Στη συνέχεια, μελετάται η σύνθεση υδρόφιλων μκροσωματιδίων πολυ(ακρυλαμιδίου) με τον πολυμερισμό του ανεστραμμένου αιωρήματος. Αρχικά, προσαρμόζεται το πρωτόκολλο σύνθεσης για την ανάπτυξη μκροσωματιδίων πολυ(ακρυλαμιδίου) υψηλού βαθμού δικτύωσης και στη συνέχεια μελετάται πειραματικά η επίδραση των διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος στην κατανομή μεγέθους και στα δομικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων σωματιδίων. Ακολουθεί η σύνθεση μοριακά αποτυπωμένων σωματιδίων πολυ(ακρυλαμιδίου) για την επιλεκτική αναγνώριση διπεπτιδίου με Ν-τελική Ιστιδίνη μέσω ανάπτυξης δεσμών σύνταξης. Μελετάται, αρχικά, μέσω ποτενσιομετρικών τιτλοδοτήσεων ο σχηματισμός του μεικτού συμπλόκου μεταξύ του μεταλλικού ιόντος, του μορίου αποτύπωσης και του λειτουργικού μονομερούς και στη συνέχεια λαμβάνει χώρα η σύνθεση και η αξιολόγηση των μοριακά αποτυπωμένων σωματιδίων. Τέλος, στην παρούσα μελέτη εξετάζεται η σύνθεση υδρόφιλων μικροσωματιδίων πολυ(ακρυλαμιδίου) με τη μέθοδο του "επιτόπιου", για την επιλεκτική αναγνώριση συντηρημένης αλληλουχίας της βακτηριοσίνης Carnocin KZ213. Η μοριακή αποτύπωση στηρίζεται στην ανάπτυξη πολλαπλών μη-ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων (υδρόφοβες αλληλεπδράσεις, ιοντικές δυνάμεις και δεσμοί υδρογόνου) μεταξύ των λειτουργικών μονομερών και των ολιγοπεπτιδίων-οδηγών σε υδατικό περιβάλλον και μελετάται η επίδραση του συστήματος εκκίνησης / θερμοκρασίας πολυμερισμού, του είδους των λειτουργικών μονομερών καθώς και η τιμή του pH στη δέσμευση των πεπτιδίων στα παραγόμενα πολυμερή και στην απόδοση της μοριακής αποτύπωσης.