Synthesis and application of double-click azobenzenes in the development of light-responsive surfaces for biological applications

Abstract

Moleküle, die unter Einfluss von Licht unterschiedliche Konfiguration einnehmen können, sogenannte Photoswitches, sind im letzten Jahrzehnt im Bereich der Biologie, Pharmazie und Medizin ein nützliches Instrument geworden. Ihre Stärke zeigt sich durch ihre Fähigkeit die Aktivität von biologischen Verbindungen durch Licht zu kontrollieren. Denn Licht ist ein externer Stimulus mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung, besitzt keine Interaktionen mit den meisten lebenden Systemen, ist nicht toxisch und seine Wechselwirkung kann über Intensität und Wellenlänge reguliert werden. Bei der Bestrahlung gehen die Photoswitches eine reversible Konformationsänderung ein und durch die kovalente Bindung eines Biomoleküls daran kann davon ausgegangen werden, dass das Biomolekül dadurch seine Affinität verändert.Unter all den zurzeit bekannten Photoswitches nehmen Azobenzene, die zwischen der trans- und cis-Konfiguration schalten können, eine besondere Position ein und das dank ihrer Isomerisierungs-Quantenausbeute, ihrer schnellen Photoisomerisierung, ihrer Resistenz gegenüber optischer Ermüdung, ihrer synthetischen Vielseitigkeit und dem Unterschied in ihrem Dipolmoment nach der Isomerisierung. Als direkte Konsequenz daraus werden Azobenzene dafür genutzt die Aktivität von diversen Biomolekülen zu kontrollieren, wie beispielsweise Ionenkanäle, Medikamente und Enzyme. Eine andere attraktive Nutzung von Azobenzenen ist die Herstellung von sogenannten smart light-responsive surfaces. Diese "schlauen" Oberflächen können auf Lichtstrahlung reagieren indem sie ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften verändern. Wenn Biomoleküle auf einer Azobenzen- belegten Oberfläche immobilisiert sind, könnte die Aktivität dieser Biomoleküle durch Licht kontrolliert werden und Systeme, welche biologische Prozesse nachahmen, könnten entwickelt werden, wie bspw. in der Zelladhäsion. Um die Aktivität von Biomolekülen zu kontrollieren eignen sich daher auch Oberflächen, die mit Azobezenen besetzt sind. Dieses System scheint vielversprechend für die Entwicklung sogenannten selbstreinigenden Materialien oder Mikrofluid-Systeme zu sein, da nach der Einstrahlung die Polarität der Oberfläche verändert wird. In dieser Arbeit wurden mehrere Azobenzene synthetisiert und mit zwei unterschiedlichen Click-Chemie Substituenten in para - Position funktionalisiert. Wodurch eine einfache, schnelle und selektive Bindung an Biomolekülen ermöglicht wird. Des Weiteren haben wir uns auf die Anwendung dieser Azobenzene für die Entwicklung von lichtsensitiven Oberflächen für biologische Applikationen konzentriert. Eine dieser double-click Azobenzene wurde auserwählt, um lichtsensitive Siliziumoberflächen zu erzeugen, welche in Zukunft für die milde und selektive chemische Immobilisierung von und als Plattform zur Kontrolle biologischer Prozesse genutzt werden könnte.Ein anderes der synthetisierten Azobenzene wurde an ein Biotin "geklickt", um eine photoschaltbare DNA-Origami Plattform für die Studie an T-cell Aktivierung zu entwickeln. Im Zuge dieser Arbeiten sind wir auf ein fundamentales Problem von photoschaltbaren Oberflächen, genannt "Surface overcrowding", gestossen, dessen Ursache im unterschiedlichen Platzbedarf der beiden photoisomeren Moleküle liegt. Dieses Problem taucht dann auf, wenn die Konzentration des Azobenzens auf der Oberfläche zu hoch ist, sodass der Übergang von der trans- zur cis-Konfiguration nicht mehr möglich ist. Wir haben dieses Problem lösen können, indem wir das Azobenzen in seiner räumlich anspruchsvolleren cis-Konfiguration adsorbierten, indem die Adsorption unter kontinuierlicher UV-Bestrahlung der Adsorptionslösung durchgeführt wurde.Wir nutzten auch raue Oberflächen, um die Oberflächenkonzentration von Azobenzen und damit die Empfindlichkeit darauf basierender, photoschaltbarer Sensoren zu erhöhen sowie andererseits eine mit Azobenzen besetzte Oberfläche zu erzeugen, die mit Licht zwischen superhydrophilen und superhydrophoben Eigenschaften geschalten werden kann und dieser Wechsel über den Wasser-Kontaktwinkel hochempfindlich detektiert werden kann. Solche Systeme könnten etwa in der Entwicklung von sogenannten selbstreinigenden Oberflächen nützlich sein. Dieses Vorhaben erwies sich jedoch als wesentlich komplexer als erwartet aufgrund des grossen Einflusses der speziellen Oberflächenmorphologie des rauen Substrats. Silizium-Nanodrähte, poröses Silizium und raue Aluminium-Substrate wurden in diesem Zusammenhang untersucht, jedoch konnte in keinem Fall der erhoffte, schaltbare superhydrophil/superhydrophob Wechsel als Folge der trans/cis Photoisomerisation festgestellt werden. Systematische Untersuchungen sowie eine gezielte Steuerung der Oberflächenmorphologie und Porenstruktur des Substrats sind hier erforderlich, welche jedoch den Umfang der vorliegenden Arbeit hier überstiegen.

Photoswitches have become an incredibly useful tool in the fields of biology, pharmacology and medicine due to their ability to control the activity of biological compounds with light, an external stimulus with a high spacial and temporal resolution, orthogonal towards most components of living systems, non-toxic and with adjustable intensity and wavelength. Upon irradiation, photoswitches undergo a reversible configuration change and when a biomolecule is covalently bound to it, this change is expected to lead to a difference in the affinity to its target. Among all photoswitches, azobenzenes that switch between trans and cis have a privileged position thanks to their high isomerization quantum yields, fast photoisomerization, resistance to optical fatigue, synthetic versatility and difference in the dipole moment after isomerization. As a consequence, azobenzenes have been applied to control the activity of several biomolecules such as ion channels, drugs and enzymes. Another attractive use of azobenzenes is in the preparation of smart light-responsive surfaces, meaning surfaces that can change their physical and chemical properties in response to light. When a biomolecule is immobilized on top of an azobenzene coated surface, the activity of this biological compounds can also be controlled and systems that mimic biological processes (cell adhesion for example) can be developed. In addition to control the activity of biomolecules, azobenzene coated surfaces are promising for the development of smart self-cleaning materials or microfluid devices since upon irradiation the surface's polarity changes. In this thesis, we have synthesized several azobenzenes functionalized with two different click chemistry moieties in the para positions aiming for an easy, fast and selective binding to biomolecules. Afterwards, we have focused on the application of these azobenzenes in the development of light-responsive surfaces for biological applications. One of the double-click azobenzenes was chosen to prepare a light responsive silicon surface that can be used for the immobilization of biomolecules by mild and selective chemistry and to develop a platform for the control of a biological process in the future. Another of these double-click azobenzenes has also been clicked to biotin in order to develop a photoswitchable DNA origami platform for the study of T-cell activation. One fundamental problem of this work related with the preparation of azobenzene photoswitchable surfaces turned out to be surface overcrowding. This issue occurs when the concentration of azobenzene on the surface is too high and therefore there is no space for the switching from trans to cis. We have addressed this problem by immobilizing the azobenzene while on the most spatially demanding configuration, the cis isomer. We have also tried to use rough surfaces to obtain an azobenzene coated surface that could switch between superhydrophobic and superhydrophilic so that the switching of azobenzenes could be undoubtedly followed by the difference in the water contact angle upon irradiation. Such a system would also be useful in the development of a smart self-cleaning surface. This effort, however, turned out to be more complex than expected and strongly dependent on the particular surface morphology of the rough substrate. Silicon nanowires, porous silicon and rough aluminum were tested in this respect, but none of them showed, as hoped, a superhydrophobic/superhydrophilic switching upon trans/cis photoisomerization. More work is needed here focusing on systematic surface structure variation and wetting transition studies, which exceeded the scope of this thesis.