Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

Glycosidation avec protection minimale en solution et sur support solide

Les glycosides sont reconnus pour leur potentiel pharmaceutique tels que les antibiotiques, les agents anticancéreux et antiviraux. Ils sont impliqués dans plusieurs processus biologiques entre autres la reconnaissance cellulaire, l’inflammation, la réponse immunitaire, la croissance, le transport cellulaire, l’adhésion cellulaire et les groupes sanguin. Notre groupe excelle dans la glycosidation stéréocontrôlée avec un minimum de protection suivant le concept d’activation à distance d’aglycones hétérocycliques anomériques. La présence d’une quantité sous stoechiométrique d’acide de Lewis, les (2-pyridyl)-β-D-glycosides déprotégés sont d’excellents donneurs permettant de haute sélectivité pour l’anomère- α-D de glycosides simples et complexes. Inversement, (2-pyridyl)-α-D-glycosides donnent les β-D-glycosides avec de bonne sélectivité. Des exemples de formation stéréocontrôlée de glycosides sont présentés dans cette thèse avec des accepteurs tels que les phénols, les stéroïdes, les terpènes et les acides hydroxyaminés. Cette méthodologie de glycosidation a été appliquée sur support solide.

Síntesi i estructura de lligands hexaazamacrocíclics i dels seus complexos de Zn. Estudis de catàlisi i de fenòmens de reconeixement molecular amb substrats aniònics

Es realitza una breu introducció a la Química Supramolecular, la qual estudia les estructures i funcions de les associacions que resulten de la unió d'espècies moleculars a través d'enllaços intermoleculars, no covalents. El reconeixement molecular, reactivitat i transport són les funcions bàsiques de les espècies supramoleculars. El present treball tracta de la química supramolecular d'anions i del potential efecte catalític de complexos de Zinc amb lligands hexaazamacrocilics en reaccions de hidròlisis d'esters de fosfat. Els lligands descrits en aquest treball són lligands macrocíclics hexadentats formats per amines secundàries o terciàries enllaçades a cadenes alquíliques de dos o tres àtoms de carbonis formant dos braços, que estan unides per un espaiador, El conjunt de lligands que s'estudien permeten estudiar els diferents factors, geomètrics, electrònics i estèrics que controlen els fenòmens de reconeixement molecular. El treball descriu en detall els procediments de síntesi i la caracterització d'aquest conjunt de lligands. S'ha realitzat un estudi sistemàtic dels diferents factors que afecten als fenòmens de reconeixement molecular entre lligands macrocíclics (L), descrits anteriorment i substrats aniònics (S): fosfats, polifosfats i dicarboxilats. Els estudis s'han realitzat tant en dissolució aquosa, a partir de mesures potenciomètriques, com en estat sòlid per difracció de Raig-X a partir de la obtenció de les estructures cristal·lines dels complexos. La força de l'enllaç en els complexos ternaris H:L:S es racionalitza en termes d'enllaç per pont d'hidrogen, interaccions electrostàtiques i interaccions per -Stacking. Així mateix es racionalitza la importància de les dimensions i forma de la cavitat en el grau d'interacció. Actualment hi ha un gran interès en l'estudi del paper que juguen els ions metàl·lics en el centre actiu dels metal·loenzims hidrolítics tal com la carboxipeptidasa, que catalitza la hidròlisi d'aminoàcids C-terminals de substrats polipeptídics, l'anhidrasa carbònica, que catalitza la reacció d'hidratació del CO2 per donar hidrogencarbonat, la fosfatasa alcalina, que actua catalitzant la hidròlisi no específica de monoesters de fosfats a pH alcalí. El Zn(II) és un metall que es troba sovint formant part dels centres actius dels metal·loenzims i és el segon element de transició més abundant en els organismes vius. Per aquest motiu són útils els models sintètics que puguin actuar com a mimetitzadors de reaccions bioinorgàniques en les que els metal·loenzims juguen un paper com a catalitzadors. Els models sintètics són complexos de metalls de transició formats per un lligand o lligands en el seu entorn de coordinació més immediat que tinguin efectes electrònics i estèrics els més similar possible als que es produeixen en el centre actiu dels enzims. Donat la importància dels complexos de Zn(II) com a models biomimètics de metal·loenzims hidrolítics, s'han sintetitzat i caracteritzat complexos dinuclears de Zn(II) amb lligands hexaazamacrocíclics descrits anteriorment. S'ha realitzat un estudi de la seva activitat catalítica en la hidròlisi d'un ester activat, l'acetat de p-nitrofenil, un substrat característic que s'utilitza per analitzar l'activitat catalítica dels models biomimètics.

Synthesis and evaluation of cyclic cationic peptides as antimicrobial agents for use in plant protection

Aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de l'aplicació de pèptids antimicrobians en la lluita contra agents patògens de cultius de plantes d'interès econòmic.L'estratègia sintètica s'ha portat a terme utilitzant metodologies convencionals de síntesi de pèptids en fase sòlida com l'estratègia tridimensional ortogonal Fmoc/tBut/Allyl. Ha calgut fer la recerca de les condicions òptimes per a l'eliminació del grup Allyl i la ciclació. D'entre els pèptids cíclics de 4-10 aminoacids sintetitzats, el decapèptid c(Lys-Leu-Lys-Leu-Lys-Phe-Lys-Lys-Leu-Gln) ha resultat ésser el més efectiu i s'ha pres com a base per al disseny d'una quimioteca de 56 pèptids. Dels resultats obtinguts s'ha sintetitzat una segona quimioteca basada en l'estructura general c(X1-X2-X3-X4-Lys-Phe-Lys-Lys-Leu-Gln) determinada com la que posseix el millor perfil d'activitat. Els pèptids més efectius obtinguts constituixen els primers exemples de pèptids cíclics actius contra E. amylovora i poden ser considerats com a bons candidats pel desenvolupament d'agents antimicrobians efectius en protecció vegetal.

Design of supramolecular beta-sheet forming beta-turns containing aromatic rings and non-coded alpha-aminoisobutyric acid and the formation of flat fibrillar structures through self-assembly

Single crystal X-ray diffraction studies show that the three designed tripeptides Boc-Leu-Aib-m-NA-NO2 (I), Boc-Phe-Aib-m-NA-NO2 (II) and Boc-Pro-Aib-m-ABA-OMe (III) (Aib, -aminoisobutyric acid; m-NA, m-nitroaniline; m-ABA, m-aminobenzoic acid; Boc, t-butyloxycarbonyl) containing aromatic rings in the backbones adopt -turn structures that are self-assembled through intermolecular hydrogen bonds and van der Waals interactions to create layers of -sheets. Solvent-dependent NMR titration and CD studies show that the -turn structures of the peptides also exist in the solution phase. The field emission scanning electron microscopic and transmission electron microscopic images of the peptides in the solid state reveal fibrillar structures of flat morphology that are formed through -sheet mediated self-assembly of the preorganised -turn building blocks.

Synthesis, characterization, crystal structure, and biological studies of vanadium complexes with glycolic acid

Synthesis, characterization, crystal structure, and biological studies of two complexes with glycolic acid are described. The solid complexes were formulated as K2[VO(C2H2O3)(C2H3O3)2] H2O (1) and K2[{VO2(C2H2O3)}2] (2) and characterized by X-ray studies, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Electron paramagnetic resonance (EPR), and magnetic susceptibility. Conversion of 1 to 2 was studied in aqueous solution by UV-Vis spectroscopy and in the solid state by diffuse reflectance spectroscopy. Complex 2 contains dinuclear [{VO2(C2H2O3)}2]2- anions in which glycolate(2-) is a five-membered chelating ring formed by carboxylate and -hydroxy groups. The geometry around the vanadium in 2 was interpreted as intermediate between a trigonal bipyramid and a square pyramid. Vanadium(IV) is pentacoordinate in 1 as a distorted square pyramid. Complex 1 contains a vanadyl group (V=O) surrounded by two oxygens from deprotonated carboxylate and hydroxy groups forming a five-membered ring. Two oxygens from different glycolates(1-) are bonded to the (V=O) also. Biological analysis for potential cytotoxic effects of 1 was performed using Human Cervix Adenocarcinoma (HeLa) cells, a human cervix adenocarcinoma-derived cell line. After incubation for 48 h, 1 causes 90 and 95% of HeLa cells death at 20 and 200 mol L-1, respectively.

Acanthoscurrin Fragment 101-132: Total Synthesis at 60 degrees C of a Novel Difficult Sequence

Glycine-rich proteins (GRP), serve a variety of biological functions. Acanthoscurrin is an antimicrobial GRP isolated front hemocytes-of the Brazilian spider Acanthoscurria gomesiana. Aiming to contribute to the knowledge of the secondary structure and stepwise solid-phase synthesis of GRPs` glycine-rich domains, we attempted to prepare G(101)GGLGGGRGGGYG(113) GGGGYGGGYG(123)GGy(126)GGGKYK(132)-NH(2), acanthoscurrin C-terminal amidated fragment. Although a theoretical prediction did not indicate high aggregation potential for this peptide, repetitive incomplete aminoacylations were observed after incorporating Tyr(126) to the growing peptide-MBHA resin (Boc chemistry) at 60 degrees C. The problem was not solved by varying the coupling reagents or solvents, adding chaotropic salts to the reaction media or changing the resin/chemistry (Rink amide resin/Fmoc chemistry). Some improvement was mode when CLEAR amide resin (Fmoc chemistry) was 32 used, as it allowed for obtaining fragment (G(113)-K(132) NIR-FT-Raman spectra collected for samples of the growing peptide-MBHA, -Rink amide resin and -CLEAR amide resin revealed the presence of beta-sheet structures. Only the combination of CLEAR-amide resin, 60 degrees C, Fmoc-(Fmoc-Hmb)Gly-OH and LiCl (the last two used alternately) was able to inhibit the phenomenon, as proven by NIR-FT-Raman analysis of the growing peptide-resin, allowing the total synthesis of desired 132 fragment Gly(101)-K(132). In summary, this work describes a new difficult sequence, contributes to understanding stepwise solid-phase synthesis of this type of peptide and shows that, at least while protected and linked to a resin, this GRPs glycine-rich motif presents all early tendency to assume beta-sheet structures. (c) 2008 Wiley Periodicals, Inc. Biopolymers (Pept Sci) 92: 65-75, 2009.

Synthesis, characterisation and thermal behaviour of solid state compounds of 4-methylbenzylidenepyruvate with heavier trivalent lanthanides and yttrium(III)

Solid state Ln-4-Me-BP compounds, where Ln stands for heavier trivalent lanthanides (gadolinium to lutetium) and yttrium(III) and 4-Me-BP is 4-methylbenzylidenepyruvate (CH3-C6H4-CH=CH-COCOO-), have been synthesized. Elemental analysis, complexometry, X-ray powder diffractometry, infrared spectroscopy and simultaneous thermogravimetry-differential thermal analysis (TG-DTA), have been used to characterise and to study the thermal behaviour of these compounds. The results provided information concerning the stoichiometry, crystallinity, ligand's denticity, thermal stability and thermal decomposition. © 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Synthesis and properties of cyclic gomesin and analogues

Gomesin (Gm) was the first antimicrobial peptide (AMP) isolated from the hemocytes of a spider, the Brazilian mygalomorph Acanthoscurria gomesiana. We have been studying the properties of this interesting AMP, which also displays anticancer, antimalarial, anticryptococcal and anti-Leishmania activities. In the present study, the total syntheses of backbone-cyclized analogues of Gm (two disulfide bonds), [Cys(Acm)2,15]-Gm (one disulfide bond) and [Thr2,6,11,15,d-Pro9]-Gm (no disulfide bonds) were accomplished, and the impact of cyclization on their properties was examined. The consequence of simultaneous deletion of pGlu1 and Arg16-Glu-Arg18-NH2 on Gm antimicrobial activity and structure was also analyzed. The results obtained showed that the synthetic route that includes peptide backbone cyclization on resin was advantageous and that a combination of 20% DMSO/NMP, EDC/HOBt, 60?degrees C and conventional heating appears to be particularly suitable for backbone cyclization of bioactive peptides. The biological properties of the Gm analogues clearly revealed that the N-terminal amino acid pGlu1 and the amidated C-terminal tripeptide Arg16-Glu-Arg18-NH2 play a major role in the interaction of Gm with the target membranes. Moreover, backbone cyclization practically did not affect the stability of the peptides in human serum; it also did not affect or enhanced hemolytic activity, but induced selectivity and, in some cases, discrete enhancements of antimicrobial activity and salt tolerance. Because of its high therapeutic index, easy synthesis and lower cost, the [Thr2,6,11,15,d-Pro9]-Gm analogue remains the best active Gm-derived AMP developed so far; nevertheless, its elevated instability in human serum may limit its therapeutic potential. Copyright (c) 2012 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.

4-Organochalcogenoyl-1H-1,2,3-triazoles: synthesis and functionalization by a nickel-catalyzed Negishi cross-coupling reaction

A general method for the synthesis of triazoles containing selenium and tellurium was accomplished via a CuCAAC reaction between organic azides and a terminal triple bond, generated by in situ deprotection of the silyl group. The reaction tolerates alkyl and arylazides, with alkyl and aryl substituents directly bonded to the chalcogen atom. The products were readily functionalized by a nickel-catalyzed Negishi cross-coupling reaction, furnishing the aryl-heteroaryl products at the 4-position in good yields. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Synthesis and Characterization of the Europium(III) Pentakis(picrate) Complexes with Imidazolium Countercations: Structural and Photoluminescence Study

Six new lanthanide complexes of stoichiometric formula (C)(2)[Ln(Pic)(5)]-where (C) is a imidazolium cation coming from the ionic liquids 1-butyl-3-methylimidazolium picrate (BMIm-Pic), 1-butyl-3-ethylimidazolium picrate (BEIm-Pic), and 1,3-dibutylimidazolium picrate (BBIm-Pic), and Ln is Eu(III) or Gd(III) ions-have been prepared and characterized. To the best of our knowledge, these are the first cases of Ln(III) pentakis(picrate) complexes. The crystal structures of (BEIm)(2)[Eu(Pic)(5)] and (BBIm)(2)[Eu(Pic)(5)] compounds were determined by single-crystal X-ray diffraction. The [Eu(Pic)(5)](2-) polyhedra have nine oxygen atoms coordinated to the Eu(III) ion, four oxygen atoms from bidentate picrate, and one oxygen atom from monodentate picrate. The structures of the Eu complexes were also calculated using the sparkle model for lanthanide complexes, allowing an analysis of intramolecular energy transfer processes in the coordination compounds. The photoluminescence properties of the Eu(III) complexes were then studied experimentally and theoretically, leading to a rationalization of their emission quantum yields.

Synthesis and properties of substituted Hg-based superconductors

This thesis is focused on studies of substituted Hg-based superconducting copper oxides ((Hg1-xMx)Ba2Can-1CunO2n+2+δ). These compounds are promising objects of investigation, not only from a fundamental point of view but also because of their high values of superconducting transition temperature (Tc) and irreversibility field (Hirr). The first part of the thesis is devoted to optimization of the synthesis procedure for Hg-based cuprates. The influence of different parameters (T, t, p(Hg), p(O2)) on the synthesis of these compounds in sealed silica tubes was studied. Optimal conditions yielded samples containing up to 95% of HgBa2Ca2Cu3O8+δ (Hg-1223). The formation of solid solutions with the formula (Hg1-xCux)Ba2Ca2Cu3O8+δ (where x <= 0.5) was also established. Another technique was developed, using LiF as a flux, for synthesis of samples containing up to 90% of the HgBa2CaCu2O6+δ (Hg-1212) phase. The second part concerns synthesis and studies of oxyfluorides using Hg-1212 and Hg-1223 as starting materials together with XeF2 as a fluorinating agent. It was found that oxyfluorides of both phases have a parabolic dependence of Tc vs. a parameter as well as enhanced Tc values (ΔT ≈ 3-4 K) in comparison with optimally doped non-fluorinated analogues. The crystal structure of Hg-1223 oxyfluoride was studied by X-ray powder and neutron diffraction methods. It is suggested that chemical modification of the crystal structure leads to a decrease in Cu-O distance without noticeable change in Cu-O-Cu angle (in the (CuO2) layers), which may be the significant factors influencing this Tc increase. Hg-1223 oxyfluoride was also studied under high pressure for first time. It was found that this compound has a record-high Tc value (≈ 166 K) at P ≈ 23 GPa. The last part describes the investigation of substituted Hg-based superconductors in the series (Hg0.9M0.1)Ba2CuO4+δ {(Hg,M)-1201}, where M = Tl, Pb, W, Mo, Nb and V. A comprehensive study of these compounds by various methods (X-ray powder diffraction, EDX, IR-, EXAFS- and XANES -spectroscopy) indicated that the change of charge carrier doping level is a crucial factor determining the irreversibility line. (Hg0.9Mo0.1)Ba2CuO4+δ showed the most improved irreversibility line position among the (Hg,M)-1201 compounds studied in this series.

DNA block copolymers - synthesis, morphologies and applications

The last decades have witnessed significant and rapid progress in polymer chemistry and molecular biology. The invention of PCR and advances in automated solid phase synthesis of DNA have made this biological entity broadly available to all researchers across biological and chemical sciences. Thanks to the development of a variety of polymerization techniques, macromolecules can be synthesized with predetermined molecular weights and excellent structural control. In recent years these two exciting areas of research converged to generate a new type of nucleic acid hybrid material, consisting of oligodeoxynucleotides and organic polymers. By conjugating these two classes of materials, DNA block copolymers are generated exhibiting engineered material properties that cannot be realized with polymers or nucleic acids alone. Different synthetic strategies based on grafting onto routes in solution or on solid support were developed which afforded DNA block copolymers with hydrophilic, hydrophobic and thermoresponsive organic polymers in good yields. Beside the preparation of DNA block copolymers with a relative short DNA-segment, it was also demonstrated how these bioorganic polymers can be synthesized exhibiting large DNA blocks (>1000 bases) applying the polymerase chain reaction. Amphiphilic DNA block copolymers, which were synthesized fully automated in a DNA synthesizer, self-assemble into well-defined nanoparticles. Hybridization of spherical micelles with long DNA templates that encode several times the sequence of the micelle corona induced a transformation into rod-like micelles. The Watson-Crick motif aligned the hydrophobic polymer segments along the DNA double helix, which resulted in selective dimer formation. Even the length of the resulting nanostructures could be precisely adjusted by the number of nucleotides of the templates. In addition to changing the structural properties of DNA-b-PPO micelles, these materials were applied as 3D nanoscopic scaffolds for organic reactions. The DNA strands of the corona were organized by hydrophobic interactions of the organic polymer segments in such a fashion that several DNA-templated organic reactions proceeded in a sequence specific manner; either at the surface of the micelles or at the interface between the biological and the organic polymer blocks. The yields of reactions employing the micellar template were equivalent or better than existing template architectures. Aside from its physical properties and the morphologies achieved, an important requirement for a new biomaterial is its biocompatibility and interaction with living systems, i.e. human cells. The toxicity of the nanoparticles was analyzed by a cell proliferation assay. Motivated by the non-toxic nature of the amphiphilic DNA block copolymers, these nanoobjects were employed as drug delivery vehicles to target the anticancer drug to a tumor tissue. The micelles obtained from DNA block copolymers were easily functionalized with targeting units by hybridization. This facile route allowed studying the effect of the amount of targeting units on the targeting efficacy. By varying the site of functionalization, i.e. 5’ or 3’, the outcome of having the targeting unit at the periphery of the micelle or in the core of the micelle was studied. Additionally, these micelles were loaded with an anticancer drug, doxorubicin, and then applied to tumor cells. The viability of the cells was calculated in the presence and absence of targeting unit. It was demonstrated that the tumor cells bearing folate receptors showed a high mortality when the targeting unit was attached to the nanocarrier.

Atomic force microscopy of biomimetic systems

This thesis was driven by the ambition to create suitable model systems that mimic complex processes in nature, like intramolecular transitions, such as unfolding and refolding of proteins, or intermolecular interactions between different cell compo-nents. Novel biophysical approaches were adopted by employing atomic force mi-croscopy (AFM) as the main measurement technique due to its broad diversity. Thus, high-resolution imaging, adhesion measurements, and single-molecule force distance experiments were performed on the verge of the instrumental capabilities. As first objective, the interaction between plasma membrane and cytoskeleton, me-diated by the linker protein ezrin, was pursued. Therefore, the adsorption process and the lateral organization of ezrin on PIP2 containing solid-supported membranes were characterized and quantified as a fundament for the establishment of a biomimetic model system. As second component of the model system, actin filaments were coated on functionalized colloidal probes attached on cantilevers, serving as sensor elements. The zealous endeavor of creating this complex biomimetic system was rewarded by successful investigation of the activation process of ezrin. As a result, it can be stated that ezrin is activated by solely binding to PIP2 without any further stimulating agents. Additional cofactors may stabilize and prolong the active conformation but are not essentially required for triggering ezrin’s transformation into an active conformation. In the second project, single-molecule force distance experiments were performed on bis-loop tetra-urea calix[4]arene-catenanes with different loading rates (increase in force per second). These macromolecules were specifically designed to investigate the rupture and rejoining mechanism of hydrogen bonds under external load. The entangled loops of capsule-like molecules locked the unbound state of intramolecular hydrogen bonds mechanically, rendering a rebinding observable on the experimental time scale. In conjunction with Molecular Dynamics simulations, a three-well potential of the bond rupture process was established and all kinetically relevant parameters of the experiments were determined by means of Monte Carlo simulations and stochastic modeling. In summary, it can be stated that atomic force microscopy is an invaluable tool to scrutinize relevant processes in nature, such as investigating activation mechanisms in proteins, as shown by analysis of the interaction between F-actin and ezrin, as well as exploring fundamental properties of single hydrogen bonds that are of paramount interest for the complete understanding of complex supramolecular structures.