Authors:	Kurzbach, Dennis
Title:	EPR spectroscopy as a tool for the elucidation of non-covalent structuring principles in complex soft matter
Online publication date:	4-Apr-2013
Year of first publication:	2013
Language:	english
Abstract:	This thesis aims at connecting structural and functional changes of complex soft matter systems due to external stimuli with non-covalent molecular interaction profiles. It addresses the problem of elucidating non-covalent forces as structuring principle of mainly polymer-based systems in solution. The structuring principles of a wide variety of complex soft matter types are analyzed. In many cases this is done by exploring conformational changes upon the exertion of external stimuli. The central question throughout this thesis is how a certain non-covalent interaction profile leads to solution condition-dependent structuring of a polymeric system.rnTo answer this question, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is chosen as the main experimental method for the investigation of the structure principles of polymers. With EPR one detects only the local surroundings or environments of molecules that carry an unpaired electron. Non-covalent forces are normally effective on length scales of a few nanometers and below. Thus, EPR is excellently suited for their investigations. It allows for detection of interactions on length scales ranging from approx. 0.1 nm up to 10 nm. However, restriction to only one experimental technique likely leads to only incomplete pictures of complex systems. Therefore, the presented studies are frequently augmented with further experimental and computational methods in order to yield more comprehensive descriptions of the systems chosen for investigation.rnElectrostatic correlation effects in non-covalent interaction profiles as structuring principles in colloid-like ionic clusters and DNA condensation are investigated first. Building on this it is shown how electrostatic structuring principles can be combined with hydrophobic ones, at the example of host-guest interactions in so-called dendronized polymers (denpols).rnSubsequently, the focus is shifted from electrostatics in dendronized polymers to thermoresponsive alkylene oxide-based materials, whose structuring principles are based on hydrogen bonds and counteracting hydrophobic interactions. The collapse mechanism in dependence of hydrophilic-hydrophobic balance and topology of these polymers is elucidated. Complementarily the temperature-dependent phase behavior of elastin-like polypeptides (ELPs) is investigated. ELPs are the first (and so far only) class of compounds that is shown to feature a first-order inverse phase transition on nanoscopic length scales.rnFinally, this thesis addresses complex biological systems, namely intrinsically disordered proteins (IDPs). It is shown that the conformational space of the IDPs Osteopontin (OPN), a cytokine involved in metastasis of several kinds of cancer, and BASP1 (brain acid soluble protein one), a protein associated with neurite outgrowth, is governed by a subtle interplay between electrostatic forces, hydrophobic interaction, system entropy and hydrogen bonds. Such, IDPs can even sample cooperatively folded structures, which have so far only been associated with globular proteins. Diese Arbeit hat es zum Ziel strukturelle und funktionelle Veränderungen komplexer, weicher Materie als Konsequenz externer Stimuli mit nicht kovalenten, molekularen Interaktionsmustern zu verbinden. Sie adressiert das Problem des Verständnisses nicht kovalenter Kräfte als Strukturierungsprinzipien Polymer basierter Systeme in Lösung. Die Strukturierungsprinzipien einer Auswahl unterschiedlicher Arten komplexer, weicher Materie werden analysiert. In vielen Fällen werden dazu Konformationsänderungen als Folge externer Stimuli untersucht. Die zentrale Frage ist, wie ein bestimmtes nicht kovalentes Interaktionsprofil zu umgebungsabhängiger Strukturierung eines polymeren Systems führt.rnUm diese Frage zu beantworten wurde Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR) als zentrale experimentelle Methode für die Untersuchung der Strukturierungsprinzipien von Polymeren ausgewählt. ESR detektiert die lokale Umgebung von Molekülen, die ein ungepaartes Elektron aufweisen. Diese Methode erlaubt es Interaktionen im Bereich zwischen 0,1 und 10 nm zu detektieren. Jedoch ist es nicht auszuschließen, dass eine Einschränkung auf eine einzelne Methode zu nur unvollständigen Darstellungen komplexer Systeme führt. Die präsentierten Studien werden deshalb häufig mit weiteren Methoden, um übergreifende Beschreibungen der zu untersuchenden Systeme zu erhalten.rnElektrostatische Korrelationseffekte in nicht kovalenten Interaktionsprofilen als Strukturierungsprinzip in kolloidartigen, ionischen Clustern und DNS Kondensaten werden zuerst untersucht. Darauf aufbauend wird am Beispiel von Wirt-Gast Komplexen in dendronisierten Polymeren (Denpols) gezeigt, dass elektrostatische mit hydrophoben Strukturierungsprinzipien kombiniert werden können.rnIm Anschluss wird der Fokus verschoben, von Elektrostatik in Denpols zu thermoresponsiven, Alkylenoxid basierten Polymeren, deren Strukturierungsprinzipien auf Wasserstoffbrückenbindungen und entgegenwirkenden hydrophoben Wechselwirkungen aufbauen. Kollapsmechanismen in Abhängigkeit von der hydrophob-hydrophil Balance und Topologie dieser Polymere werden erforscht. Komplementär dazu wird das temperaturabhängige Phasenverhalten Elastin-artiger Polypeptide (ELPs) untersucht. Es wird gezeigt, dass ELPs eine (und bisher einzige) Stoffklasse darstellen, die einen inversen Phasenübergang erster Ordnung auf nanoskopischen Längenskalen aufweist.rnAbschließend wird sich diese Arbeit komplexen, biologischen Systemen widmen, nämlich intrinsisch unstrukturierten Proteinen (IDPs). Es wird gezeigt, dass der Konformationsraum der IDPs Osteopontin (OPN), einem Zytokin das in der Metstatsierung von Krebs eine Rolle spielt, und BASP1 (brain acid soluble protein 1), eine Protein das mit Neuritenwachstum assoziiert ist, von einem subtilen Wechselspiel elektrostatischer, hydrophober und Entropie basierter Kräfte sowie von Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt wird. Aufgrund dieser Komplexität nehmen IDPs sogar kooperativ gefaltete Strukturen ein, eine Eigenschaft, die bisher nur globulären Proteinen zugesprochen worden ist.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4419
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-33976
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	169 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen