Talents & Trends
Self-Assembly of Globular-Protein-Containing Block Copolymers
Bradley D. Olsen,
Corresponding Author
Bradley D. Olsen
77 Massachusetts Ave., Cambridge, MA 02139, USA
77 Massachusetts Ave., Cambridge, MA 02139, USA.Search for more papers by this authorBradley D. Olsen,
Corresponding Author
Bradley D. Olsen
77 Massachusetts Ave., Cambridge, MA 02139, USA
77 Massachusetts Ave., Cambridge, MA 02139, USA.Search for more papers by this authorAbstract
Self-assembly has emerged as a powerful approach to control nanostructure in materials containing globular proteins, both through templated self-assembly and direct self-assembly of globular protein-polymer conjugates or fusion proteins. The folded structures of globular proteins that are critical to their function introduce complex shapes and interactions into block copolymers that significantly alter the physics of self-assembly. This article discusses the different methods for controlling the nanostructure of globular proteins using block copolymers, highlighting efforts at understanding the physics of self-assembly in concentrated solution and solid-state bioconjugate copolymers.
References
- 1 F. Hasan, A. A. Shah, A. Hameed, Enzyme Microb. Technol. 2006, 39, 235.
- 2 A. Schmid, J. S. Dordick, B. Hauer, A. Kiener, M. Wubbolts, B. Witholt, Nature 2001, 409, 258.
- 3 A. J. J. Straathof, S. Panke, A. Schmid, Curr. Opin. Biotechnol. 2002, 13, 548.
- 4 H. E. Schoemaker, D. Mink, M. G. Wubbolts, Science 2003, 299, 1694.
- 5 F. van Rantwijk, R. A. Sheldon, Chem. Rev. 2007, 107, 2757.
- 6 M. Hartmann, Chem. Mater. 2005, 17, 4577.
- 7 S. D. Minteer, in Methods in Molecular Biology, (Ed: J. M. Walker), Springer, New York 2010, p. 679.
- 8 A. Heller, J. Phys. Chem. 1992, 96, 3579.
- 9 O. Yehezkeli, Y. M. Yan, I. Baravik, R. Tel-Vered, I. Willner, Chem. Eur. J. 2009, 15, 2674.
- 10 G. F. Drevon, A. J. Russell, Biomacromolecules 2000, 1, 571.
- 11 A. J. Russell, J. A. Berberich, G. E. Drevon, R. R. Koepsel, Annu. Rev. Biomed. Eng. 2003, 5, 1.
- 12 A. L. Simonian, J. K. Grimsley, A. W. Flounders, J. S. Schoeniger, T. C. Cheng, J. J. DeFrank, J. R. Wild, Anal. Chim. Acta 2001, 442, 15.
- 13
I. Willner,
E. Katz,
Angew. Chem. Int. Ed.
2000,
39,
1180.
10.1002/(SICI)1521-3773(20000403)39:7<1180::AID-ANIE1180>3.0.CO;2-E CAS PubMed Web of Science® Google Scholar
- 14 I. Willner, Science 2002, 298, 2407.
- 15 K. L. Christman, V. D. Enriquez-Rios, H. D. Maynard, Soft Matter 2006, 2, 928.
- 16 P. Mirjafari, K. Asghari, N. Mahinpey, Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 921.
- 17 R. Dilmore, C. Griffith, Z. Liu, Y. Soong, S. W. Hedges, R. Koepsel, M. Ataai, Int. J. Greenhouse Gas Control 2009, 3, 401.
- 18 N. Favre, M. L. Christ, A. C. Pierre, J. Mol. Catal. B: Enzym. 2009, 60, 163.
- 19 M. Vinoba, D. H. Kim, K. S. Lim, S. K. Jeong, S. W. Lee, M. Alagar, Energy Fuels 2011, 25, 438.
- 20 M. Iso, B. X. Chen, M. Eguchi, T. Kudo, S. Shrestha, J. Mol. Catal. B: Enzym. 2001, 16, 53.
- 21 Y. Shimada, Y. Watanabe, A. Sugihara, Y. Tominaga, J. Mol. Catal. B: Enzym. 2002, 17, 133.
- 22 J. A. Cracknell, K. A. Vincent, F. A. Armstrong, Chem. Rev. 2008, 108, 2439.
- 23 S. D. Minteer, B. Y. Liaw, M. J. Cooney, Curr. Opin. Biotechnol. 2007, 18, 228.
- 24 T. Reda, C. M. Plugge, N. J. Abram, J. Hirst, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008, 105, 10654.
- 25 B. A. Parkinson, P. F. Weaver, Nature 1984, 309, 148.
- 26 S. Kuwabata, R. Tsuda, H. Yoneyama, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 5437.
- 27 R. Das, P. J. Kiley, M. Segal, J. Norville, A. A. Yu, L. Y. Wang, S. A. Trammell, L. E. Reddick, R. Kumar, F. Stellacci, N. Lebedev, J. Schnur, B. D. Bruce, S. G. Zhang, M. Baldo, Nano Lett. 2004, 4, 1079.
- 28 P. D. Laible, R. F. Kelley, M. R. Wasielewski, M. A. Firestone, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 23679.
- 29 B. D. Reiss, D. K. Hanson, M. A. Firestone, Biotechnol. Prog. 2007, 23, 985.
- 30 F. S. Bates, G. H. Fredrickson, Phys. Today 1999, 52, 32.
- 31
I. W. Hamley,
The Physics of Block Copolymers, Oxford University Press,
New York
1998.
10.1093/oso/9780198502180.001.0001 Google Scholar
- 32 T. H. Epps, E. W. Cochran, T. S. Bailey, R. S. Waletzko, C. M. Hardy, F. S. Bates, Macromolecules 2004, 37, 8325.
- 33 T. S. Bailey, C. M. Hardy, T. H. Epps, F. S. Bates, Macromolecules 2002, 35, 7007.
- 34 A. K. Khandpur, S. Forster, F. S. Bates, I. W. Hamley, A. J. Ryan, W. Bras, K. Almdal, K. Mortensen, Macromolecules 1995, 28, 8796.
- 35 M. W. Matsen, F. S. Bates, Macromolecules 1996, 29, 1091.
- 36 E. W. Cochran, C. J. Garcia-Cervera, G. H. Fredrickson, Macromolecules 2006, 39, 2449.
- 37 C. M. Dobson, Nature 2003, 426, 884.
- 38 Y. Huang, C. Y. Chiang, S. K. Lee, Y. Gao, E. L. Hu, J. De Yoreo, A. M. Belcher, Nano Lett. 2005, 5, 1429.
- 39 Y. X. Hu, D. Samanta, S. S. Parelkar, S. W. Hong, Q. A. Wang, T. P. Russell, T. Emrick, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3603.
- 40 U. B. Sleytr, T. J. Beveridge, Trends Microbiol. 1999, 7, 253.
- 41 M. Sara, U. B. Sleytr, J. Bacteriol. 2000, 182, 859.
- 42 A. W. Perriman, A. P. S. Brogan, H. Colfen, N. Tsoureas, G. R. Owen, S. Mann, Nat. Chem. 2010, 2, 622.
- 43 A. W. Perriman, S. Mann, ACS Nano 2011, 5, 6085.
- 44 K. P. Sharma, A. M. Collins, A. W. Perriman, S. Mann, Adv. Mater. 2013, 25, 2005.
- 45 K. H. A. Lau, J. Bang, D. H. Kim, W. Knoll, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3148.
- 46 N. Kumar, O. Parajuli, J.-i. Hahm, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 4581.
- 47 J. I. Hahm, J. Biomed. Nanotechnol. 2011, 7, 731.
- 48 K. H. A. Lau, J. Bang, C. J. Hawker, D. H. Kim, W. Knoll, Biomacromolecules 2009, 10, 1061.
- 49 Q. Li, K. H. A. Lau, E. K. Sinner, D. H. Kim, W. Knoll, Langmuir 2009, 25, 12144.
- 50 L. Shen, A. Garland, Y. N. Wang, Z. C. Li, C. W. Bielawski, A. Guo, X. Y. Zhu, Small 2012, 8, 3169.
- 51 J. C. Eloi, S. E. W. Jones, V. Poor, M. Okuda, J. Gwyther, W. Schwarzacher, Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 3273.
- 52 O. Parajuli, A. Gupta, N. Kumar, J. I. Hahm, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 14022.
- 53 D. Liu, T. Wang, J. L. Keddie, Langmuir 2009, 25, 4526.
- 54 D. Liu, C. A. C. Abdullah, R. P. Sear, J. L. Keddie, Soft Matter 2010, 6, 5408.
- 55 M. Matsusaki, M. Omichi, K. Kadowaki, B. H. Kim, S. O. Kim, I. Maruyama, M. Akashi, Chem. Commun. 2010, 46, 1911.
- 56 A. D. Presley, J. J. Chang, T. Xu, Soft Matter 2010, 7, 172.
- 57 M. B. Cardoso, D. Smolensky, W. T. Heller, K. L. Hong, H. O'Neill, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 181.
- 58 D. W. Ma, Y. Z. Wang, J. Wu, Y. C. Zhao, M. Ming, J. D. Ding, Soft Matter 2010, 6, 4920.
- 59 B. Kim, C. N. Lam, B. D. Olsen, Macromolecules 2012, 45, 4572.
- 60 Y. Lin, A. Boker, J. B. He, K. Sill, H. Q. Xiang, C. Abetz, X. F. Li, J. Wang, T. Emrick, S. Long, Q. Wang, A. Balazs, T. P. Russell, Nature 2005, 434, 55.
- 61 R. Chandrawati, M. P. van Koeverden, H. Lomas, F. Caruso, J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 2639.
- 62 P. Tanner, P. Baumann, R. Enea, O. Onaca, C. Palivan, W. Meier, Acc. Chem. Res. 2011, 44, 1039.
- 63 K. Langowska, C. G. Palivan, W. Meier, Chem. Commun. 2013, 49, 128.
- 64 A. Ranquin, W. Versees, W. Meier, J. Steyaert, P. Van Gelder, Nano Lett. 2005, 5, 2220.
- 65 A. M. Yu, I. Gentle, G. Q. Lu, F. Caruso, Chem. Commun. 2006, 2150.
- 66 C. LoPresti, H. Lomas, M. Massignani, T. Smart, G. Battaglia, J. Mater. Chem. 2009, 19, 3576.
- 67 S. F. M. van Dongen, M. Nallani, J. Cornelissen, R. J. M. Nolte, J. C. M. van Hest, Chem. Eur. J. 2009, 15, 1107.
- 68 R. Peters, I. Louzao, J. C. M. van Hest, Chem. Sci. 2012, 3, 335.
- 69 F. Jia, Y. J. Zhang, B. Narasimhan, S. K. Mallapragada, Langmuir 2012, 28, 17389.
- 70 A. Kawamura, A. Harada, K. Kono, K. Kataoka, Bioconjugate Chem. 2007, 18, 1555.
- 71 Y. Lee, S. Fukushima, Y. Bae, S. Hiki, T. Ishii, K. Kataoka, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5362.
- 72 O. S. Rabotyagova, P. Cebe, D. L. Kaplan, Biomacromolecules 2011, 12, 269.
- 73 O. D. Krishna, K. L. Kiick, Biopolymers 2010, 94, 32.
- 74 L. A. Canalle, D. Lowik, J. C. M. van Hest, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 329.
- 75 J. P. Billot, A. Douy, B. Gallot, Makromol. Chem. 1976, 177, 1889.
- 76 B. Gallot, Prog. Polym. Sci. 1996, 21, 1035.
- 77 B. Perly, A. Douy, B. Gallot, Makromol. Chem. 1976, 177, 2569.
- 78 J. S. Crespo, S. Lecommandoux, R. Borsali, H. A. Klok, V. Soldi, Macromolecules 2003, 36, 1253.
- 79 S. Lecommandoux, M. F. Achard, J. F. Langenwalter, H. A. Klok, Macromolecules 2001, 34, 9100.
- 80 H. Schlaad, B. Smarsly, M. Losik, Macromolecules 2004, 37, 2210.
- 81
F. Checot,
S. Lecommandoux,
Y. Gnanou,
H. A. Klok,
Angew. Chem. Int. Ed.
2002,
41,
1339.
10.1002/1521-3773(20020415)41:8<1339::AID-ANIE1339>3.0.CO;2-N CAS PubMed Web of Science® Google Scholar
- 82 J. Rodriguez-Hernandez, S. Lecommandoux, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2026.
- 83 F. Checot, J. Rodriguez-Hernandez, Y. Gnanou, S. Lecommandoux, Biomol. Eng. 2007, 24, 81.
- 84 H. Kukula, H. Schlaad, M. Antonietti, S. Forster, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 1658.
- 85 E. G. Bellomo, M. D. Wyrsta, L. Pakstis, D. J. Pochan, T. J. Deming, Nat. Mater. 2004, 3, 244.
- 86 S. S. Naik, J. W. Chan, C. Comer, C. E. Hoyle, D. A. Savin, Polym. Chem. 2011, 2, 303.
- 87 V. Breedveld, A. P. Nowak, J. Sato, T. J. Deming, D. J. Pine, Macromolecules 2004, 37, 3943.
- 88 A. P. Nowak, V. Breedveld, L. Pakstis, B. Ozbas, D. J. Pine, D. Pochan, T. J. Deming, Nature 2002, 417, 424.
- 89 J. Y. Shu, C. Tan, W. F. DeGrado, T. Xu, Biomacromolecules 2008, 9, 2111.
- 90 G. W. M. Vandermeulen, D. Hinderberger, H. Xu, S. S. Sheiko, G. Jeschke, H. A. Klok, ChemPhysChem 2004, 5, 488.
- 91 G. W. M. Vandermeulen, C. Tziatzios, R. Duncan, H. A. Klok, Macromolecules 2005, 38, 761.
- 92 T. Xu, J. Shu, Soft Matter 2009, 6, 212.
- 93 J. C. M. Van Hest, Polym. Rev. 2007, 47, 63.
- 94 H. A. Klok, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2005, 43, 1.
- 95 K. L. Kiick, Polym. Rev. 2007, 47, 1.
- 96 T. Xu, N. N. Zhao, F. Ren, R. Hourani, M. T. Lee, J. Y. Shu, S. Mao, B. A. Helms, ACS Nano 2011, 5, 1376.
- 97 J. P. Chen, H. J. Yang, A. S. Hoffman, Biomaterials 1990, 11, 625.
- 98 G. H. Chen, A. S. Hoffman, Bioconjugate Chem. 1993, 4, 509.
- 99 A. Chilkoti, G. H. Chen, P. S. Stayton, A. S. Hoffman, Bioconjugate Chem. 1994, 5, 504.
- 100 P. S. Stayton, T. Shimoboji, C. Long, A. Chilkoti, G. H. Chen, J. M. Harris, A. S. Hoffman, Nature 1995, 378, 472.
- 101 A. S. Hoffman, P. S. Stayton, Prog. Polym. Sci. 2007, 32, 922.
- 102 R. Duncan, Nat. Rev. Cancer 2006, 6, 688.
- 103 E. S. Gil, S. A. Hudson, Progr. Polym. Sci. 2004, 29, 1173.
- 104 S. A. Townsend, G. D. Evrony, F. X. Gu, M. P. Schulz, R. H. Brown, R. Langer, Biomaterials 2007, 28, 5176.
- 105 S. Schoffelen, J. C. M. van Hest, Soft Matter 2012, 8, 1736.
- 106 V. Ja, S. Mehta, J. T. Edsall, J. Biol. Chem. 1967, 242, 4221.
- 107 J. Ge, D. N. Lu, Z. X. Liu, Z. Liu, Biochem. Eng. J. 2009, 44, 53.
- 108 C. Boyer, X. Huang, M. R. Whittaker, V. Bulmus, T. P. Davis, Soft Matter 2011, 7, 1599.
- 109 I. C. Reynhout, J. Cornelissen, R. J. M. Nolte, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2327.
- 110 K. Velonia, A. E. Rowan, R. J. M. Nolte, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4224.
- 111 A. J. T. Dirks, S. S. van Berkel, N. S. Hatzakis, J. A. Opsteen, F. L. van Delft, J. Cornelissen, A. E. Rowan, J. C. M. van Hest, F. Rutjes, R. J. M. Nolte, Chem. Commun. 2005, 4172.
- 112 A. J. Dirks, R. J. M. Nolte, J. Cornelissen, Adv. Mater. 2008, 20, 3953.
- 113
M. J. Boerakker,
J. M. Hannink,
P. H. H. Bomans,
P. M. Frederik,
R. J. M. Nolte,
E. M. Meijer,
N. Sommerdijk,
Angew. Chem. Int. Ed.
2002,
41,
4239.
10.1002/1521-3773(20021115)41:22<4239::AID-ANIE4239>3.0.CO;2-E CAS PubMed Web of Science® Google Scholar
- 114 M. J. Boerakker, N. E. Botterhuis, P. H. H. Bomans, P. M. Frederik, E. M. Meijer, R. J. M. Nolte, N. Sommerdijk, Chem. Eur. J. 2006, 12, 6071.
- 115 C. Lavigueur, J. G. Garcia, L. Hendriks, R. Hoogenboom, J. Cornelissen, R. J. M. Nolte, Polym. Chem. 2011, 2, 333.
- 116 M. Li, P. De, S. R. Gondi, B. S. Sumerlin, Macromol. Rapid Commun. 2008, 29, 1172.
- 117 Y. Xia, S. Tang, B. D. Olsen, Chem. Commun. 2013, 49, 2566.
- 118 W. Hassouneh, K. Fischer, S. R. MacEwan, R. Branscheid, C. L. Fu, R. H. Liu, M. Schmidt, A. Chilkoti, Biomacromolecules 2012, 13, 1598.
- 119 C. S. Thomas, M. J. Glassman, B. D. Olsen, ACS Nano 2011, 5, 5697.
- 120 C. S. Thomas, L. Z. Xu, B. D. Olsen, Biomacromolecules 2012, 13, 2781.
- 121 C. N. Lam, B. D. Olsen, Soft Matter 2013, 9, 2393.
- 122 T. J. Kamerzell, R. Esfandiary, S. B. Joshi, C. R. Middaugh, D. B. Volkin, Adv. Drug Delivery Rev. 2011, 63, 1118.
- 123 M. C. Manning, K. Patel, R. T. Borchardt, Pharm. Res. 1989, 6, 903.
- 124 C. O'Fagain, Enzyme Microb. Technol. 2003, 33, 137.
