Selbstorganisierende Cellulosemonoschichten auf Goldoberflächen zur Immobilisierung von Enzymen und zum Aufbau von polymerunterstützten Lipidmembranen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung von Monoschichten funktionalisierter Cellulose-Derivate auf Goldoberflächen zum Aufbau von Enzymsensoren bzw. oberflächenverankerten Lipid-Modellmembranen. Die wasserlöslichen Carboxymethylcellulose-Derivate besitzen neben Thiosulfat-Gruppen für die Anbindung an Goldoberflächen zusätzlich reaktive Gruppen (MCT-, EDC- sowie OSu-Gruppen) für die Anbindung von Biomolekülen. Der Aufbau der Monoschichten aus den verschiedenen Thio-CMC-Derivaten auf Gold wurde in situ mittels Oberflächenplasmonenspektroskopie (SPR) verfolgt. Die Monoschichten der reaktiven HTSHP-CMC-EDC konnten zur kovalenten Immobilisierung von Meerrettichperoxidase (horse radish peroxidase, HRP) an Goldoberflächen eingesetzt werden. Die immobilisierte HRP wurde bezüglich ihrer Aktivität untersucht und die Ergebnisse mittels Michaelis-Menten-Kinetik ausgewertet. Ein Vergleich der erhaltenen Werte mit der KM-Konstante des freien Enzyms in Lösung zeigte einen geringen bzw. keinen Verlust der Enzymaktivität durch Immobilisierung. Die Wechselzahl der immobilisierten HRP war in allen Messungen stark herabgesetzt. Erstmals wurde der Aufbau einer Modellmembran auf einer mit HTSHP-CMC-EDC beschichteten Goldoberfläche beschrieben. Der Aufbau erfolgte nach hydrophober Modifizierung der reaktiven Thio-CMC-Oberfläche durch 2,3-Didodecyloxy-propylamin. Zur Ausbildung der Lipiddoppelschicht wurden verschiedene lipidhaltige Vesikel auf der modifizierten Thio-CMC-Monoschicht gespreitet. Der Architekturaufbau konnte mittels SPR-Spektroskopie in situ verfolgt werden.

The presented thesis discusses the application of self-assembled monolayers (SAM) of functionalized water soluble cellulose derivatives on gold surfaces for the assembly of enzyme sensors and tethered bilayer lipid membranes. The water soluble carboxymethylcellulose derivatives possess thiosulfate-anchor groups for binding on gold surfaces and additionally reactive groups (MCT, EDC and Osu groups) for binding biomolecules. The self-assembling of all Thio-CMC monolayers on gold surfaces were monitored in situ by surface plasmon resonance spectroscopy (SPR). The SAMs of the water soluble reactive HTSHP-CMC-EDC could be used for the covalent reagent free immobilization of horse radish peroxidase (HRP) on gold surfaces. The activity of immobilized HRP was assayed and the results were interpreted using Michaelis Menten kinetics. The determined values compared with the KM of the free solubilized enzyme (KM = 0.75 mM) showed a small and/or no loss of activity of the HRP due to immobilization. The turnover number kkat of the immobilized enzyme was reduced distinctly in all measurements. For the first time the formation of a bilayer lipid membran on a gold surface coated with a HTSHP-CMC-EDC monolayer was discussed.. The assembly of the membrane took place after hydrophobic modification of the reactive Thio CMC surface by 2,3-Didodecyloxypropylamin. For the formation of the tBLM, different vesicles were fused on the Thio CMC monolayer. The formation was monitored in situ using SPR.