Diamond-like carbon binding peptides evolutionary selection, characterization, and engineering

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-38-8217-4
Title: Diamond-like carbon binding peptides evolutionary selection, characterization, and engineering
Author: Gabryelczyk, Bartosz
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Division of Biochemistry and Biotechnology
VTT Technical Research Centre of Finland
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-03-06
Language: en
Belongs to series: URN:ISSN:2242-1203
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-38-8217-4
http://hdl.handle.net/10138/153473
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The possibility of controlling interactions at interfaces and surfaces of solid materials is highly interesting for a wide range of materials-related nanotechnological applications, for example, colloidal systems, adhesives, biosensors, biomimetic composite and biomedical materials. In Nature, many proteins and peptides possess the ability to recognize, specifically bind, and modify the surfaces of solid materials through sophisticated mechanism of molecular recognition. These properties have been developed during evolution via successive cycles of random mutations and selection. The natural evolution processes can be mimicked in the laboratory scale with the use of a directed evolution approach, for instance, based on the selection of short material-specific peptides from the combinatorial libraries displayed on the surface of bacteriophages or bacterial cells. Selected from billions of different variants, material-specific peptides can be studied by experimental and computational methods to define their sequence, structure, and binding properties. Subsequently, they can be engineered in order to improve their binding affinity and tailor their function for practical applications. The studies presented in this thesis show how phage display was used to identify peptides binding to diamond-like carbon (DLC). DLC is an amorphous form of carbon, with chemical and physical properties resembling natural diamond. It is used as a coating material in many industrial and biomedical applications. Peptides binding to DLC were selected form a combinatorial phage display library. Their binding and molecular basis of the function were investigated in different molecular contexts (when displayed on the phage surface, forming fusion proteins, or present in free soluble form), using multiple independent methods. It was also demonstrated that the peptides can be used in nanotechnological applications, i.e., as a self-assembling coating on the DLC surface, and for controlling properties of a colloidal form of DLC. Besides finding and characterizing peptides binding to DLC, the thesis also highlights different challenges of the directed evolution techniques, for example, selection of target unrelated peptides during biopanning, and the necessity of multiple independent ways of analyzing the functionality of selected peptides.Materiaalien pintoihin ja partikkeleihin spesifisesti sitoutuvat biologiset molekyylit ovat kiinnostavia erilaisten sovellusten ja uusien materiaalien kehittämisessä. Esimerkkejä tällaisista sovelluksista ovat biosensorit, jotka pystyvät tunnistamaan haitallisia kemikaaleja, bio-yhteensopivissa olosuhteissa toimivat biokatalyytit tai kudosimplantteina käytettävät biomateriaalit. Luonnossa monet organismit kuten bakteerit, homeet, nilviäiset ja hyönteiset tuottavat biomakromolekyylejä (useimmiten proteiineja), jotka pystyvät tunnistamaan ja sitoutumaan erilaisiin materiaalipintoihin. Materiaalien ja biomolekyylien väliset vuorovaikutukset ovat kehittyneet evoluution saatossa, jolloin myös olosuhteisiin nähden sopivimmat sitoutumisominaisuudet ovat muodostuneet. Luonnollista evoluutioprosessia voidaan jäljitellä laboratoriossa käyttäen niin sanottua suunnattua evoluutiota. Tämä menetelmä perustuu lyhyiden peptidien käyttöön, jotka on kiinnitetty viruksen tai bakteerin pinnalle. Nämä peptidit on valikoitu suuresta, jopa miljardien, vaihtoehtoisten yksilöiden kokoelmasta, niin sanotusta peptidikirjastosta. Eristetyt peptidit sitoutuvat spesifisesti haluttuun pintaan ja niiden ominaisuuksia voidaan edelleen tutkia esimerkiksi rakenteen, toimivuuden tai tietyn sovelluksen kannalta. Tässä väitöskirjassa on esitetty, miten suunnattua evoluutiota voidaan käyttää kehittämään peptidejä, jotka sitoutuvat timantin kaltaiseen hiileen (diamond-like carbon, DLC). DLC on eräs hiilen muoto, jolla on timanttia muistuttavia kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Sitä käytetään päällysteenä useissa eri teollisissa ja biolääketieteellisissä sovelluksissa. DLC:n pintaan sitoutuvia peptidejä seulottiin peptidikirjastosta, jossa peptidit olivat kiinnittyneenä virusten (bakteriofagien) pinnalle. Valittujen peptidien toiminnallisuus todettiin käyttäen useita erilaisia biokemiallisia ja biofysikaalisia menetelmiä. Näytettiin myös, että valitut peptidit soveltuvat erilaisiin nanoteknologian sovelluksiin, kuten esimerkiksi itsestään järjestäytyvänä pinnoitteena tai hallitsemaan kolloidaalisen DLC-materiaalin ominaisuuksia. Väitöskirja kuvaa myös erilaisia mahdollisia ongelmia, esimerkkinä epäspesifisesti sitoutuvat peptidit. Nämä ovat peptidejä, jotka rikastuvat valintaprosessissa, vaikka niillä ei ole oikeaa affiniteettia tutkittuun materiaaliin. Tämä korostaa erityisesti usean riippumattoman analyysimenetelmän käytön tärkeyttä peptidien sitoutumisominaisuuksia tutkittaessa.
Subject: biotechnology
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
S77.pdf 9.984Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record