Designing and synthesizing a protein delivery syst

-----------------NEDERLANDSE VERSIE NA DE ENGELSE-------------------

So what is my internship is all about. Besides doing fun stuff with fun people, I also have to work. Wishing I would have paid more attention in the Organic Chemistry lectures of Jan Scharp I came to IBM with some hands-on experience from lab courses and some theoretical background from classes. Although it had been a while, I am now completely back in the world of second order nucleophilic substitutions, resonance structures, protecting groups, pentavalent carbon atoms and Huang Minlon modification of the Wollff-Kishner reduction.

My project can shortly be described with the title of this story: Designing and synthesizing a protein delivery system.
However, that’s the easy way. In real life it's a little more complicated. What obstacles does this ‘system’ encounter when it delivers its protein? How do people deliver proteins now, without my to-be-designed-‘system’? What properties am I looking for in my polymer.
Let me first start with the goal: making a polymer that can bring a protein into your body, without being attacked by your immune system, or at least improving the so called pharmacokinetics (how long does it take before the substance (protein, drug) is removed from your body). The proteins I’m targeting are for medical applications, and since your immune system is (most of the time) pretty efficient in removing foreign material from your body, we have to fool it. Make the protein ‘stealth’ to your immune system.
The golden standard in the world of stealth polymers is PolyEthyleneGlycol (PEG). It is not toxic, water soluble cheap etc etc etc. So why search for an alternative? The problem of PEG is that above a molecular weight of 20,000-40,000 it cannot be excreted by your kidneys anymore, and in order to cover a larger molecule like a protein (10-100kDa) you do need high molecular weights. An option to overcome this problem of bioaccumulation is to make the polymer biodegradable. You can make a high molecular weight polymer that disintegrates and is excreted after it has done its job. And that’s where my project is in this story.
We are trying to make a polymer that has all the good properties of PEG, but is biodegradable. This can be summarized in the following criteria: non-toxic (obviously), water soluble/stealth (is basically the same property), biodegradable, able to bioconjugate (bind to a protein).
The first property, toxicity is hard to predict, but the group at IBM already has successfully done several tests with these kind of polymers, so we have an idea about toxic and non-toxic functional groups. Also biodegradability is not very hard. We use a ring-opening polymerization of a cyclic carbonate monomer that gives us a polycarbonate backbone. IBM has found a method to make a universal carbonate monomer, that can be functionalized with a lot of different functional groups, either before or after polymerization. So that is basically what I do, putting all different kinds of functional groups on a polymer I have synthesized in order to try to make it water soluble/stealth and to introduce a bioconjugation site. This often involves multiple reactions in series, so determining the order is also very important. Do I first try to tag on the bioconjugation group or the water solubilizer? Let’s first try the solubilizer. No, the bioconjugate reaction cannot be done in water. The other way around then? But wait, the solubilizer will also react with my bioconjugation site in the reaction conditions. Ok, so let’s protect the bioconjugation group. Etc etc etc. All the reactions compete with each other or are not selective or alter the polymer’s properties (solubility, reactivity) in such a way that further steps are impossible.
I analyze my products with 1H NMR to see whether or not I have made what I think I made, or to monitor reaction progress, see also the picture (which is fairly easy to solve, a polymer or impure product messes up your whole spectrum). The NMR is a powerful tool to see what molecule is in your flask, it can resolve the structure, but, in the case of polymers, also the length of your polymer, which is good to know for follow-up reactions.
Step by step I come closer to my goal and hopefully I will synthesize a suitable polymer, which then will be sent to Singapore for further testing.

So far my technical update for the chemists who read this. Next time will be in Dutch and about fun things, although this is definitely a lot of fun for me :)



Ontwikkeling en synthese van een eiwit-bezorg-systeem

Dat is waar mijn stage kort gezegd over gaat. Naast alle leuke dingen die we hier doen, moet er natuurlijk ook gewerkt worden. Ik kwam naar IBM met wat praktische ervaring in organische chemie van practica en wat theoretische kennis van wat vakken, en met spijt dat ik niet beter op heb gelet bij de colleges van Jan Scharp. Hoewel deze vakken al een tijdje geleden zijn, ben ik nu helemaal weer up to date in de wereld van SN2 reacties, resonantiestructuren, protecting groups, vijfwaardige koolstofatomen en de Huang-Minlon modificatie van de Wolff-Kishner reductie.

Mijn project hier kan kort worden omschreven met de titel van dit verhaal: Ontwikkeling en synthese van een eiwit-bezorg-systeem.
Dit is echter wel heel kort door de bocht. In het dagelijks leven is het een stukje lastiger. Welke soort barrières moet dit ‘systeem’ overwinnen om het eiwit af te leveren op de plaats bestemming? Hoe worden eiwitten momenteel bezorgd? Welke eigenschappen moet het polymeer hebben?
Ik zal beginnen met het doel van mijn project: een polymeer maken dat een (therapeutisch) eiwit je lichaam in kan brengen, zonder dat het wordt aangevallen en ‘opgegeten’ door het immuunsysteem. Of om tenminste de verblijftijd in het lichaam te verbeteren (pharmacokinetics). De eiwitten waar het om gaan zijn niet specifiek gedefinieerd, maar het gaat om therapeutische eiwitten voor medische toepassingen. Aangezien het immuunsysteem over het algemeen aardig efficiënt is in het vernietigen van vreemd materiaal, moeten we het dus voor de gek houden, met andere woorden we moeten het eiwit onzichtbaar maken voor het immuunsysteem.
Het meest gebruikte materiaal tegenwoordig is polyethyleenglycol (PEG). Het is niet giftig, oplosbaar in water (wat in principe gelijk staat aan onzichtbaar voor het immuunsysteem), goedkoop etc. Dus waarom willen we überhaupt een alternatief? Het probleem met PEG is dat het boven een moleculair gewicht van 20000-40000 niet meer kan worden uitgescheiden door je nieren, wat zorgt voor ophoping in je lichaam (bioaccumulatie). Aangezien de eiwitten waar het om gaat in de ordegrootte van 100000-100000 zitten, heb je een hoog moleculair gewicht polymeer nodig om het helemaal te bedekken. Een oplossing voor dit bioaccumulatie probleem is het polymeer biologisch afbreekbaar te maken. Een hoog moleculair gewicht polymeer dat uit zichzelf afbreekt in kleine stukjes als het zijn taak heeft volbracht. En dat is dus exact mijn project.
We proberen een polymeer te maken dat alle positieve eigenschappen van PEG heeft, maar biologisch afbreekbaar is. Dit kan kort worden samengevat in de volgende eigenschappen: niet giftig, water oplosbaar/onzichtbaar, afbreekbaar en zeker niet onbelangrijk: de mogelijkheid om te binden aan een eiwit.
De eerste eigenschap, giftigheid, is lastig te voorspellen, maar bij IBM zijn al een aantal succesvolle tests gedaan met dit type polymeren, waardoor we een aardig idee hebben over de giftigheid van bepaalde functionele groepen. Ook het bio-afbreekbaar criterium is niet nieuw. We maken een polymeer met een polycarbonaat ‘backbone’ door middel van een ring opening polymerisatie van een cyclisch carbonaat monomeer. IBM Heeft een gepatenteerd monomeer ontwikkeld dat we zowel voor als na de polymerisatie kunnen functionaliseren met allerlei functionele groepen. Dus dat is zo’n beetje wat ik doe, verschillende functionele groepen aan een polycarbonaat polymeer hangen om het water oplosbaar te maken en om een functionaliteit te maken waar een eiwit aan kan worden gehangen (bioconjugatie). Dit klinkt echter makkelijk dan het lijkt, want aangezien dit een proces is van meerdere stappen treden er altijd wel problemen op en is vooral de volgorde erg belangrijk. Functionaliseren we het polymeer voor of na de polymerisatie? Voor de tijd kan wel, maar de polymerizatiecondities zijn dermate extreem dat we de groepen weer afbreken. Na de tijd dus. Eerst de water oplosbare groepen of de bioconjugation groep? Laten we de water oplosbaar groepen proberen. Shit, de volgende reactie werkt niet in water, dus dan maar andersom. Maar wacht, de water oplosbare groepen reageren met de bioconjugatie groep! Pff, nou, dan moeten we de bioconjugatie groep maar beschermen, etc etc etc. Alle reacties zijn competitief, niet selectief genoeg of veranderen de eigenschappen van het polymeer (reactiviteit, oplosbaarheid) dermate dat we de vervolgreacties niet meer kunnen doen.
Dan de volgende vraag: hoe kom ik erachter of ik daadwerkelijk gemaakt heb wat ik voor ogen had. Ik kan wel hele goede ideeën hebben, maar in de praktijk kunnen er altijd bijproducten of alternatieve reacties ontstaan waardoor het product niet is wat ik wil dat het is. Hier gebruiken we 1H NMR voor (zie ook het plaatje, wat een relatief gemakkelijk op te lossen spectrum is). NMR is erg goed om de chemische structuur op te helderen (welke moleculen zitten er nu in mijn potje?), maar het kan ook de lengte van het polymeer bepalen, wat erg handig is voor vervolgreacties.
Stap voor stap kom ik dichter bij mijn doel en hopelijk gaat het me lukken om een geschikt polymeer te synthetiseren, welke dan naar Singapore zal worden gestuurd voor verdere tests.