Authors:	Viel, Melanie
Title:	Inorganic nanoparticles as models for prebiotic enzymes
Online publication date:	14-Feb-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Nanopartikeln als Enzymmimetika im Kontext der präbiotischen Evolution. Enzyme sind essentiell für alle Lebensformen und deshalb bei Fehlfunktionen auch häufig involviert in komplexe Krankheitsbilder. Da sie so bedeutend sind für das Leben wird neben der Isolierung und der Aufreinigung schon länger an ihrer Nachahmung geforscht. Neben beispielsweise metallorganischen Komplexen, Polymeren und Cyclodextrinen sind anorganische Nanopartikel immer mehr in den Fokus gerückt. Anorganische Nanopartikel weisen im Vergleich zu natürlichen Enzymen Vorteile wie die Stabilität gegenüber Temperatur- und pH-Wert-Änderungen auf und sind zudem vergleichsweise günstig herstellbar. Im Hinblick auf die präbiotische Entwicklung der ersten Lebensformen könnten anorganischen Oberflächen eine zentrale Rolle gespielt haben. Während sich die ersten Lebensformen gebildet haben, deren strukturellen Eigenschaften noch sehr einfach gewesen sein müssen, könnten anorganische Oberflächen als Katalysatoren fungiert haben. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Nanopartikeln als Enzymmimetika im Hinblick auf die Darstellung einer Reaktionskaskade. Hierzu ist die Dissertation in drei Projekte unterteilt. Das erste Projekt beschäftigt sich explizit mit der Nachahmung des Enzyms Peroxidase und dem Aktivitätsnachweise mittels verschiedener Untersuchungen. Es wurden Nanopartikel mit drei verschiedenen Zusammensetzungen untersucht: Hämatit-Nanopartikel, Magnetit-Nanopartikel und synthetisch neu entwickelte Pseudobrookit-Nanopartikel. Alle drei Nanopartikel wurden drei verschiedenen Untersuchungen – dem ABTS-, dem TMB- und dem AR-Assay – unterzogen und ihre katalytischen Eigenschaften bezüglich der ermittelten kinetischen Parameter, der Michaelis-Menten Konstante und der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit, bewertet. Herausgearbeitet werden konnte, dass die Wahl der Untersuchungsmethode maßgeblich über den Nachweis der enzymanalogen Aktivität, aber auch über die kinetischen Parameter entscheidet. Das zweite Projekt setzt sich intensiv mit der Synthese von heteromultimeren Nanopartikeln zur Nachahmung einer Reaktionskaskade mittels einer Nanostruktur auseinander. Die Reaktionskaskade beinhaltet die photokatalytische Produktion von Wasserstoffperoxid mithilfe eines Nanopartikels, das durch Diffusion zu einem Peroxidase-nachahmenden Nanopartikel gelangt, wo es mittels dessen katalytischen Aktivität zu Wasser umgesetzt wird. Die Darstellung heterotrimerer Nanostrukturen wie TiO2@Au@Fe3O4 und ZnO@Au@Fe3O4 wird diskutiert. Bei der Überprüfung der katalytischen Eigenschaften konnten Au@Fe3O4 Janus Partikeln bessere Eigenschaften nachgewiesen werden als den Fe3O4 Nanopartikeln des ersten Projektes. Ebenso zeigten Au@ZnO Janus Partikel hinsichtlich der photokatalytischen Produktion von Wasserstoffperoxid bessere Ergebnisse als reine ZnO Nanopartikel. Neben der Darstellung heteromultimerer Nanostrukturen mittels heterogener Nukleation und epitaxialem Wachstum wurde auch ein Ansatz über Oberflächenfunktionalisierung erprobt. Der bifunktionelle Ligand 4-(11-Mercaptoundecyl)benz-1,2-diol verfügt über eine Thiolgruppe, die sich zur Funktionalisierung von Gold-Nanopartikeln eignet, als auch über eine Katecholgruppe, die bekannt ist für ihre Fähigkeit Fe3O4 und TiO2 Nanopartikel zu funktionalisieren. Die Struktur des Liganden und aller Zwischenstufen wurden mittels NMR-Experimenten vollständig aufgeklärt bevor er zur Synthese von heterotrimeren Nanostrukturen genutzt wurde. Das dritte Projekt beschäftigt sich mit der Synthese sogenannter Nanorasseln. Hier bilden Hämatit-Nanopartikel den Kern der Nanorasseln, die umhüllt sind von einer mesoporösen Silikahülle, in der die Hämatit-Nanopartikel frei schwimmen können. Die Silikahülle stellt hierbei ein Analogon zur Zellmembran von Archaeen dar, während der Hämatit-Nanopartikel ein Enzymmimetikum darstellt. Auf der Außenseite der Silikahülle sind Titan(IV)-oxid Nanopartikel ankondensiert die zur photokatalytischen Erzeugung von Wasserstoffperoxid genutzt werden können. Produziertes Wasserstoffperoxid gelangt mittels Diffusion durch die mesoporöse Silikahülle in das Innere der Nanorassel, wo es an der Oberfläche des Hämatit Nanopartikels umgesetzt werden kann. Mithilfe einer Farbreaktion kann dieser Umsatz nachgewiesen werden. Durch diese Nanorassel kann eine Reaktionskaskade anhand eines zellähnlichen anorganischen Modells dargestellt werden, das der Struktur einer sehr frühen Lebensform ähnelt. This dissertation deals with nanoparticles as enzyme mimics in the context of prebiotic evolution. Enzymes are essential for all forms of life and are therefore often involved in complex diseases if they malfunction. Because they are so important for life, research has long been conducted into their imitation, in addition to their isolation and purification. In addition to organometallic complexes, polymers and cyclodextrins, inorganic nanoparticles have increasingly become the focus of attention. Compared to natural enzymes, inorganic nanoparticles have advantages such as stability against changes in temperature and pH value and can also be produced comparatively cheaply. With regard to the prebiotic development of the first life forms, inorganic surfaces may have played a central role. While the first life forms were formed, whose structural properties must still have been very simple, inorganic surfaces could have acted as catalysts. The present thesis deals with nanoparticles as enzyme mimics with regard to the representation of a reaction cascade. For this purpose, the dissertation is divided into three projects. The first project explicitly deals with the mimicry of the enzyme peroxidase and the proof of activity by means of various investigations. Nanoparticles with three different compositions were investigated: Haematite nanoparticles, magnetite nanoparticles and synthetically newly developed pseudobrookite nanoparticles. All three nanoparticles were subjected to three different assays - the ABTS, the TMB and the AR assay - and their catalytic properties were evaluated with respect to the determined kinetic parameters, the Michaelis-Menten constant and the maximum reaction rate. It could be worked out that the choice of the examination method decides decisively on the proof of the enzyme-analogue activity, but also on the kinetic parameters. The second project focuses intensively on the synthesis of heteromultimeric nanoparticles to mimic a reaction cascade using a nanostructure. The reaction cascade involves the photocatalytic production of hydrogen peroxide using a nanoparticle, the hydrogen peroxide diffuses to a peroxidase-mimicking nanoparticle where it is converted to water by its catalytic activity. The preparation of heterotrimeric nanostructures such as TiO2@Au@Fe3O4 and ZnO@Au@Fe3O4 is discussed. When the catalytic properties were tested, Au@Fe3O4 Janus particles were shown to have better properties than the Fe3O4 nanoparticles of the first project. Similarly, Au@ZnO Janus particles showed better results than pure ZnO nanoparticles with respect to the photocatalytic production of hydrogen peroxide. Besides the preparation of heteromultimeric nanostructures via heterogeneous nucleation and epitaxial growth, an approach via surface functionalisation was also tested. The bifunctional ligand 4-(11-mercaptoundecyl)benzene-1,2-diol has a thiol group suitable for functionalising Au nanoparticles as well as a catechol group known for its ability to functionalise Fe3O4 and TiO2 nanoparticles. The structure of the ligand and all intermediates were fully elucidated by NMR experiments before it was used to synthesise heterotrimeric nanostructures. The third project deals with the synthesis of so-called nanorattles. Here, hematite nanoparticles form the core of the nanorattles, which are encased in a mesoporous silica shell in which the hematite nanoparticles can float freely. The silica shell is an analogue of the cell membrane of archaea, while the hematite nanoparticle is an enzyme mimic. TiO2 nanoparticles are condensed on the outside of the silica shell and can be used for the photocatalytic production of hydrogen peroxide. Produced hydrogen peroxide diffuses through the mesoporous silica shell into the interior of the nanorattle, where it can be converted on the surface of the hematite nanoparticle. This conversion can be detected with the help of a colour reaction. Through this nanorattle, a reaction cascade can be represented using a cell-like inorganic model that resembles the structure of a very early life form.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 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-6114
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-8adddbc6-5487-4d3d-a5d9-e32fb9b09a787
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XVIII, 202 Seiten, Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen