Résumé
Dit proefschrift, getiteld "Biogeïnspireerde Synthetische Moleculaire Machines: Van Actuatie tot Herkenning", volgt één leidend principe: het ontwerpen van moleculaire machines geïnspireerd door de natuur en aantonen hoe licht een foton omzet in kwantificeerbare beweging, en vervolgens in adaptieve biochemische herkenning. De actuatiesectie ontwikkelt onderzoek naar een supramoleculaire kunstmatige spier in waterige media, waarvan de foto-isomerisatie de uitlijning, vouwing en vormregeneratie regelt. De herkenningssectie toont aan dat dezelfde ontwerplogica (steady-state geometrie, zelfassemblage en multivalentie) het mogelijk maakt om de interacties tussen glycanen (hier koolhydraatgebaseerde moleculaire motoren) en lectinen (koolhydraatspecifiek eiwit) te verfijnen. Op het snijvlak van fysische chemie en chemische biologie identificeert dit onderzoek foto-geïnduceerde architecturen en functies die compatibel zijn met water en ontvankelijk zijn voor biogebaseerde motieven. Van actuatie tot herkenning opent het proefschrift zo een logisch pad, van de nanoschaal naar de macroschaal. Hoofdstuk 1 geeft een overzicht van fotoactieve biomoleculen (rhodopsinen, fotolyasen, cryptochromen, fytochromen, chlorofylen, -barrel-eiwitten) en synthetische foto-geïnduceerde actuatoren (fotoschakelaars en moleculaire motoren), evenals hun integratie in systemen gebaseerd op hydrogels, films, deeltjes of metaal-organische raamwerken (MOFs) voor biocompatibele functies. Dit hoofdstuk bespreekt structuur-eigenschapsrelaties (absorptiebereiken, thermische stabiliteit, polariteit, degradatie) en transductiestrategieën (macromoleculaire of supramoleculaire polymerisatie, oppervlaktefunctionalisatie) om een nanoschaalreactie te versterken tot een macroschaalreactie. Het identificeert terugkerende uitdagingen: activering door niet-toxisch licht (zichtbaar, nabij-infrarood), robuustheid in waterige media, lage cytotoxiciteit en ecologisch verantwoord ontwerp. Deze set vormt een toolbox voor het beheersen van mechanica, transport, herkenning of blootstelling aan licht op een specifieke golflengte, terwijl tegelijkertijd belangrijke prioriteiten worden gesteld voor de ontwikkeling van toekomstige fotoadaptieve biomaterialen. Hoofdstuk 2 beschrijft het ontwerp van een amfifiele moleculaire fotoschakelaar (met een fotoactief centrum afgeleid van een gehinderd alkeen) die zichzelf hiërarchisch assembleert in waterige media om een vezelachtige hydrogel te vormen. Dit materiaal presenteert zich als een kunstmatige spier die buigt onder blootstelling aan UV-licht via helicoïdale inversie en vervolgens in het donker herstelt dankzij zijn hoge thermische stabiliteit. Divalente tegenkationen (Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺) modificeren de pakking, uitlijning en bewegingssnelheid van het materiaal. De correlatie tussen dynamische assemblagetransformaties (cryo-TEM, fluorescentie, SAXS) en de macroscopische respons wordt uitgelegd, waarmee technische regels worden vastgesteld om de vouwing en reversibiliteit van de kunstmatige spier te optimaliseren. Deze studie verduidelijkt hoe het optimaliseren van het ontwerp van het fotoactieve centrum de vormregeneratie van het materiaal verbetert en hoe de aard van het tegenkation de lichtgeïnduceerde bewegingssnelheid van supramoleculaire actuatoren in waterige media beïnvloedt. Hoofdstuk 3 stelt moleculaire motoren van de eerste generatie voor, verbonden aan glycopolymeren, met poly(2-oxazoline)ketens die repeterende eenheden bevatten afgeleid van -D-glucopyranoside of -D-mannopyranoside. Deze geglycosyleerde moleculaire motoren worden gebruikt om door middel van UV-belichting de specifieke herkenning van lectinen van menselijke oorsprong (DC-SIGN en Langerin), gekwantificeerd met SPR, te moduleren. Door de fotostationaire toestand gedurende de moleculaire motorcyclus te variëren, bepaalt de conformatie van het fotoactieve centrum van de motor de affiniteit met het lectine: de fotostationaire toestand, verrijkt met metastabiel Z-isomeer, bindt het meest effectief aan beide lectinen, wat een nauwkeurige geometrische controle van de multivalente interactie onthult zonder de aard van het koolhydraat te hoeven veranderen. Dit werk benadrukt het potentieel van lichtinterfaces die de kinetiek en bindingssterkte naar behoefte kunnen aanpassen, en suggereert een groot potentieel in de fotofarmacologie en bio-engineering, waar cellulaire herkenning wordt gecodeerd door een foto-geïnduceerde moleculaire architectuur.Hoofdstuk 4 presenteert "zoete moleculaire motoren", moleculaire motoren van de eerste generatie (racemische of enantiomeerzuivere fotoactieve kern) versierd met -D-mannopyranoside-afgeleide eenheden die zichzelf in water assembleren tot micellen, nanovezels, deeltjes of vellen. De morfologie en supramoleculaire chiraliteit in waterige media zijn afhankelijk van zowel de fotostationaire toestand als de enantiomeerzuiverheid van de fotoactieve kern van de motor. De nanovezels volgen een isodesmisch zelfassemblagemechanisme, met verhoogde stabiliteit en lagere CAC voor de enantiomeerzuivere motor. Foto- en thermo-geïnduceerde isomerisaties veroorzaken verschillende supramoleculaire chirale assemblages. Van mannoside afgeleide eenheden kunnen hun chiraliteit overdragen aan de supramoleculaire assemblage van de op een racemische kern gebaseerde moleculaire motor. Dit hoofdstuk beschrijft de omstandigheden waaronder deze moleculaire motoren zich in water assembleren tot micro- en nanostructuren die mogelijk door licht kunnen worden aangestuurd en in levende systemen kunnen worden gebruikt. Hoofdstuk 5 onderzoekt hoe de assemblagetoestand en supramoleculaire chiraliteit hun herkenning door het plantenlectine Concanavalin A bepalen. Micellen en nanovezels binden specifiek aan dit lectine en dissociëren onder competitie met methyl -D-mannopyranoside, terwijl microscopische objecten (deeltjes, vellen) het lectine vasthouden door niet-specifieke interacties. Verschillende metingen (confocale en turbidimetrische analyses) tonen initiële associatiesnelheden van 10-3 tot 3 min-1 en halfwaardetijden variërend van ongeveer 0.1 tot 50 minuten. Fotostationaire toestanden rijk aan metastabiele Z-isomeren (ongeacht de enantiomere zuiverheid van de fotoactieve kern) binden het snelst, terwijl nanovezels veel langzamer associëren, afhankelijk van hun supramoleculaire chiraliteit. Affiniteit wordt bepaald door de dichtheid en blootstelling van mannosiden op het oppervlak van de morfologieën, evenals de grootte van de objecten. Dit werk toont duidelijk aan dat de interactie tussen een koolhydraatrijke verbinding en een specifiek lectine mogelijk kan worden beïnvloed door belichting.Hoofdstuk 6 presenteert een biobased overclusterd alkeen, verkregen door stereoselectieve McMurry-homokoppeling van een natuurlijk flavanon, waarbij de stereogene centra behouden blijven en (M,M)-(E)-2 en (P)-(Z)-2 worden geproduceerd (gekarakteriseerd door NMR, SCXRD, UV-Vis, CD). Onder UV-, violet- of blauw licht combineert fotobestraling van de verbinding de (E/Z)-isomerisatie, fotochemische 6-elektrocyclisatie en oxidatie tot een fluorescerend fenantreenderivaat. Computationele berekeningen beschrijven energieoppervlakken, conische snijpunten en helicoïdgerelateerde stereo-elektronische effecten, wat wijst op een richtingsselectief isomerisatiepad. De concurrentie tussen foto-isomerisatie en fotocyclisatie beperkt echter de duurzaamheid van dit biogebaseerde, overbevolkte alkeen, wat de noodzaak suggereert om nieuwe motieven, afgeleid van natuurlijke producten, te overwegen om directionaliteit, fotostabiliteit en door zichtbaar licht geïnduceerde actuatie te verzoenen. Dit werk effent een veelbelovend pad naar meer milieuvriendelijke moleculaire machines.Al met al toont dit onderzoek aan dat een uniek ontwerpkader (conformatie → zelfassemblage → selectieve functie) actuatie en herkenning in waterige media kan verbinden. Aan de actuatiekant zet een robuuste en zelfherstellende supramoleculaire kunstmatige spier de absorptie van een UV-foton om in kwantitatieve mechanische arbeid. Aan de herkenningskant regelen moleculaire motoren, versierd met koolhydraten die hun conformatie moduleren, de multivalentie en sterische toegang, waarbij de kinetiek en affiniteiten met lectinen worden aangepast door een externe stimulus zoals licht, direct of indirect. Naast het gepresenteerde werk stelt het proefschrift algemene regels voor: het beheersen van de geometrie van functionele moleculen, het beheersen van de volgorde en anisotropie van supramoleculaire assemblages in fysiologische omgevingen, en het integreren van eco-designcriteria (bio-sourced motifs) in de beginfase. Deze richtlijnen openen concrete perspectieven voor foto-adaptieve biomaterialen, biocompatibele interfaces en gerichte afgiftesystemen. Door fotonconversie, materiaalbeweging en biologische herkenning coherent te koppelen, legt dit proefschrift een solide basis voor de ontwikkeling van veelbelovende, innovatieve, bio-geïnspireerde synthetische moleculaire machines.