Design of Protein Cage –Based Biohybrid Materials

Abstract

Nature-mimicking bottom-up approaches, such as molecular self-assembly and biotemplating, enable the preparation of highly organized objects with nanometer-scale precision. In addition, the utilization of biomacromolecules as building blocks or structure-directing agents in nanomaterials can lead to the development of highly biocompatible functional systems that can be prepared in mild and environmentally friendly conditions. This thesis demonstrates how functional and self-assembling biohybrid materials can be prepared by combining viruses and protein cages together with synthetic molecules, proteins and DNA origamis. In publication I amphiphilic Janus-dendrimers were synthesized and electrostatically co-assembled together with native Cowpea chlorotic mottle virus (CCMV) particles to study how the structure of different dendrimers affects the assembly process. The resulting complexes resembled naturally occurring inclusion bodies and could therefore benefit their research as a model system. In publication II a water-soluble phthalocyanine was combined with 1,3,6,8-pyrenetetrasulfonic acid and apoferritin protein cages to obtain photoactive crystals. The structure and size of the self-assembling crystals could be adjusted by changing the electrolyte concentration. Most importantly, the crystals were able to generate highly reactive singlet oxygen under irradiation of visible light and could therefore be utilized as an oxidizing agent. In publication III crystalline superlattices were prepared by combining different biomacromolecules. CCMV particles and avidin proteins were self-assembled into binary crystals that could be pre- or post-functionalized through interaction between avidin and different biotin-tagged functional groups such as enzymes, plasmonic gold nanoparticles and fluorescent dyes. In publication IV the tendency of CCMV capsid proteins (CP) to bind onto genetic material was utilized to coat DNA origami structures to obtain enhanced delivery of the origamis inside cells. Due to the fully programmable and therefore easily functionalized nature of DNA origamis, the presented method could be applied, for example, in the delivery of DNA origami conjugated compounds. Taken together, these studies show how multivalency, hydrophobicity, electrolyte concentration as well as particle size and shape affect the structure of self-assembling complexes and crystals. This information can be further applied when designing and creating new functional biohybrid materials.

Luontoa imitoivat alhaalta ylös -lähestymistavat, kuten molekulaarinen itsejärjestäytyminen ja biotemplaatit, mahdollistavat erittäin hyvin järjestäytyneiden materiaalien valmistamisen nanometriluokan tarkkuudella. Lisäksi biomakromolekyylien hyödyntäminen joko rakennusosina tai rakennetta ohjaavina yksikköinä nanomateriaaleissa voi johtaa ympäristöystävällisin menetelmin valmistettavien funktionaalisten ja bioyhteensopivien systeemien kehittämiseen. Tässä väitöskirjassa osoitetaan, kuinka funktionaalisia ja itsejärjestäytyviä biohybridimateriaaleja voidaan valmistaa yhdistämällä viruksia ja proteiinihäkkejä synteettisten molekyylien, proteiinien ja DNA-origamien kanssa. Julkaisussa I syntetisoitiin lehmäpavun kloroosiläikkävirusten (CCMV) kanssa sähköstaattisesti järjestäytyviä amfifiilisiä Janus-dendrimeerejä, jotta voitiin tutkia kuinka dendrimeerien rakenne vaikuttaa järjestäytymisprosessiin. Muodostuneet kompleksit muistuttivat luonnossa esiintyviä inkluusiokappaleita ja niitä voitaisiinkin näin ollen hyödyntää mallisysteemeinä inkluusiokappaleiden tutkimuksessa. Julkaisussa II valmistettiin fotoaktiivisia kiteitä yhdistämällä vesiliukoista ftalosyaniinia, pyreeni-1,3,6,8-tetrasulfonihappoa ja apoferritiini proteiinihäkkejä. Itsejärjestäytyvien kiteiden rakennetta ja kokoa voitiin kontrolloida elektrolyyttikonsentraation avulla. Lisäksi säteilyttäessä kiteitä näkyvällä valolla, ne muodostivat erittäin reaktiivista singlettihappea, minkä vuoksi niitä voitaisiin käyttää hapettimina. Julkaisussa III valmistettiin kiteisiä hilarakenteita yhdistämällä erilaisia biomakromolekyylejä. CCMV partikkelit ja avidiini-proteiinit itsejärjestäytyivät binäärisiksi kiteiksi, jotka voitiin funktionalisoida etu- tai jälkikäteen avidiinin ja erilaisten biotiinilla merkittyjen funktionaalisten ryhmien, kuten entsyymien, plasmonisten kultananopartikkelien ja fluoresoivien väriaineiden, välisten vuorovaikutusten kautta. Julkaisussa IV hyödynnettiin CCMV:n kapsidiproteiinien (CP) kykyä sitoutua geneettiseen materiaaliin päällystämällä DNA-origami rakenteita CP:lla origamien tehostetun soluun kuljetuksen saavuttamiseksi. Koska DNA-origamit ovat täysin ohjelmoitavia ja siksi myös helposti funktionalisoitavia, voidaan esittämäämme kuljetusmenetelmää hyödyntää esimerkiksi DNA-origameihin kiinnitettävien aineiden kuljetuksessa. Yhteenvetona todettakoon, että yllä kuvatut tutkimukset osoittavat kuinka monivalenttisuus, hydrofobisuus, elektrolyyttikonsentraatio sekä partikkelien koko ja muoto vaikuttavat itsejärjestäytyvien kompleksien ja kiteiden rakenteeseen. Tätä tietoa voidaan jatkossa hyödyntää, kun suunnitellaan ja valmistetaan uusia funktionaalisia biohybridimateriaaleja.