<p> It is well known that complex coacervates can be prepared by combining aqueous solutions of oppositely charged biopolymers, such as gelatin and gum arabic. There are few examples of synthetic polyelectrolytes that produce complex coacervates, however. Two series of anionic copolymers capable of forming complex coacervates with branched polyethylenimine (PEI) in water have been prepared. One series consists of binary copolymers containing methacrylic acid (MAA) and poly(ethylene glycol) monomethyl ether monomethacrylate (PEGMA) in molar ratios ranging from 20:80 to 80:20, as well as the two homopolymers, poly(MAA) and poly(PEGMA). Another series contains an equimolar amount of MAA and PEGMA, together with between one and ten percent of a third, hydrophobic monomer, butyl methacrylate (BMA).</p> <p> Both binary and ternary copolymers show lower critical solution temperatures, LCST's, ranging from 60.8°C to 1.5°C depending on composition. Furthermore, complex coacervation occurs upon addition of aqueous PEI to aqueous solutions of these copolymers. The percent volume of the liquid coacervate phase is independent of copolymer composition. However, with increasing MAA to PEGMA ratio in the binary copolymer, the concentration of the coacervate increases, reflecting an increased coacervation efficiency. The coacervate composition was not significantly affected by the BMA in the ternary copolymer series.</p> / Thesis / Master of Science (MSc)

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Electrospun nanofibers have been used for many applications, but a reliance on organic solvents limits their use in biomedical fields. In this study, we successfully electrospun nanofibers from aqueous chitosan-hyaluronic acid complex coacervates. We studied how solvent’ properties affected the average nanofiber diameter by using pure water as a solvent versus ethanol-water solutions. Experimentally, we investigated the effect of electrospinning apparatus parameters, such as how the applied voltage affected fiber formation and morphology. The smallest average nanofiber diameter was determined to be around 115 ± 30 nm when 3 wt% ethanol coacervate samples were electrospun using the applied voltage of 24 kV. Linear viscoelastic measurements were used to study the rheological characterization of complex coacervate with different salt concentrations and cosolvents (e.g., ethanol weight percent). Chitosan-hyaluronic acid nanofibers hold potential in biomedical applications such as wound dressing, tissue engineering, would healing scaffolds.

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Recently, there has been a growing drive towards the bottom-up development of synthetic cells that mimic key cellular features. A cellular feature ubiquitous amongst cells is that of compartmentalisation. Compartmentalisation enables the spatiotemporal control of biochemical reactions and is thus vital for the development of synthetic cells. To date, most synthetic cell models have utilised classical membrane bound containers as model compartments. However, recent advances in cell biology have highlighted the importance of membraneless compartments formed via liquid-liquid phase separation (LLPS) as organisation centres. It has been suggested that these organelles play a critical role in regulating cell biochemistry, yet very little is known about their interactions with enzymatic reactions. Thus, aiming to develop novel synthetic capabilities, the work presented in this thesis designs and characterises synthetic cells which include features of membraneless compartmentalisation. These systems utilise complex coacervates, a specific type of LLPS that is driven by the electrostatic attraction of oppositely charged polymers, as model membraneless compartments. These low complexity systems subsequently provide ideal platforms for systematic investigations of the interaction of membraneless coacervate compartments with enzymatic reactions. In Chapter 3 and 4, I focus on developing a responsive synthetic cell system that recapitulates features of membrane-bound and membraneless compartmentalisation. I generate a pH-responsive system by exploiting the intrinsic pKa of cationic polylysine to trigger coacervation within a liposome. This synthetic cell is then functionalised with the enzyme formate dehydrogenase (FDH). I show that coacervate properties can be utilized to locally concentrate and activate the FDH reaction at low enzyme concentrations, thus demonstrating that membraneless compartments can activate reactions via sequestration into coacervate reaction centres. In Chapter 5, I then proceed to characterise whether the diffusive exchange of molecules across a droplet phase boundary effects enzyme dynamics. Synthetic cells constructed from emulsion droplets with coacervate sub-compartments were used as model systems with diffusive exchange, while bulk coacervate and supernatant phases were used as uncoupled model systems without exchange. I studied the FDH reaction in both models and I conclude that coupling of the phases increases reaction rates compared to an uncoupled system. When coupled, the supernatant acts as a ’sink’ removing the product NADH from the coacervate droplets. This increases the apparent reaction rate in the supernatant, while the reduction of NADH concentration in the coacervate reduces product inhibition. This demonstrated that the open phase boundary tightly couples membraneless droplets to their surroundings, which can ultimately lead to increased reaction rates both inside and outside the compartments. Finally in Chapter 6, I scrutinize enzyme kinetics of the enzymes FDH and β -galactosidase in the unique coacervate physicochemical environment using Michaelis-Menten assays in CM-Dex/PDDA bulk phase. Results show that the KM and Vmax of FDH significantly increased compared to buffer, while those of β-galactosidase do not. I hypothesise that the negatively charged formate substrate of the FDH reaction interacts strongly with the positively charged PDDA, decreasing its affinity for the enzyme. Furthermore, I suggest that the coacervate environment facilitates the rate limiting hydride transfer of the reaction, thereby increasing the maximum rate. This data demonstrates that the coacervate environment itself can tune and control enzyme dynamics. In conclusion, my work establishes responsive, tunable and enzymatically active syn- thetic cellular systems with features of membraneless compartmentalisation. My results indicate that membraneless compartments can have significant impact on the dynamics of enzymatic reactions, opening up possible ways to control reaction rates in synthetic systems and suggesting plausible functions for membraneless organelles in vivo. Overall, I demonstrate that rationally designed synthetic cells provide biomimetic experimental platforms that offer insights into the influence of membraneless compartmentalisation on enzymatic reactions. Parts of the presented work have been published as two first author publications in peer-reviewed journals. / ‘Bottom-up'’ Modelle synthetischer Zellen, die Schlüsselmerkmale zellbasierten Lebens imitieren, rücken immer mehr in den Fokus. Von zentraler Bedeutung ist hier die Kompartmentbildung. Sie erst ermöglicht die räumliche und zeitliche Kontrolle biochemischer Abläufe und ist daher entscheidend bei der Entwicklung synthetischer Zellen. Bisher wurden in der Mehrzahl der synthetischen Zellmodelle klassische, membrangebundene Reaktionsräume als Modellkompartimente verwendet. Jüngste Fortschritte in der Zellbiologie belegen jedoch die Bedeutung von membranlosen Kompartimenten, die durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS) gebildet werden. Es wird angenommen, dass diese membranlosen Kompartimente eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Zellchemie spielen. Jedoch ist bisher nur sehr wenig über ihren Einfluss auf enzymatische Reaktionen bekannt und experimentell belegt. Mit dem Ziel, die Bandbreite und das Verständnis synthetischer Modelle zu erweitern, wurden in dieser Arbeit neue Methoden entwickelt und dargestellt, die membranlose Kompartmentbildung benutzen. Es wurden hierfür komplexe Koazervate eingesetzt, eine spezielle Art der LLPS, welche durch die elektrostatische Anziehung von entgegengesetzt geladenen Polymeren angetrieben wird. Diese verhältnismäßig einfachen Systeme bieten eine ideale Plattform für systematische Untersuchungen des Einflusses von membranlosen Koazervatkompartimenten auf enzymatische Reaktionen. In den Kapiteln 3 und 4 konzentrierte ich mich auf die Entwicklung eines reaktionsfähigen synthetischen Modellsystems, das die Phänomene sowohl membrangebundener als auch membranfreier Kompartmentbildung vereint. Zur Steuerung der Koazervierung innerhalb von Liposomen wurde ein pH-reaktives System verwendet, welches sich den intrinsischen pKa von kationischen Polylysin zunutze macht. Diese synthetis- che Zelle wurde im folgenden Schritt mit dem Enzym Formiat-Dehydrogenase (FDH) funktionalisiert. Ich konnte damit zeigen, dass es die Eigenschaften von Koazervaten ermöglichen, die FDH-Reaktion bei global sehr niedrigen Enzymkonzentrationen zu aktivieren. Hierbei wirken die membranlosen Koazervate in Folge einer lokal er- höhten Enzymkonzentration als Zentren gesteigerter Reaktivität. Dies geschieht durch die lokale Konzentrationserhöhung in Koazervaten, was bei LLPS auch durch den Verteilungskoeffizient beschrieben wird. Mit anderen Worten agieren diese membran- losen Kompartimente durch Sequestrierung als Reaktionszentren. Im Kapitel 5 charakterisierte ich den Einfluss von diffusivem Molekülaustausch auf die Enzymkinetik über die Koazervat-Phasengrenze hinweg. Hierbei wurden zwei Systeme miteinander verglichen. Einerseits wurde ein synthetisches Zellmodell, beste- hend aus mikrofluidisch hergestellten Wasser-in-Öl Emulsionstropfen, die Koazervate enthalten, als Modellsystem mit diffusivem Austausch zwischen den Phasen verwendet. Andererseits wurden separate, reine Koazervatphasen und reine Überstandsphasen als Modellsysteme ohne Austausch verwendet. Ich habe die FDH-Reaktion in beiden Modellsystemen untersucht und kam zu dem Schluss, dass die Kopplung der Phasen die Reaktionsgeschwindigkeiten im Vergleich zu den ungekoppelten Systemen erhöht. Bei der Kopplung wirkt die Überstandsphase als Senke, die das Produkt NADH aus den Koazervaten aufnimmt. Dies erhöht die scheinbare Reaktionsgeschwindigkeit im Überstand, während die Verringerung der NADH-Konzentration im Koazervat die Produkthemmung verringert. Dies zeigt, dass die offene Phasengrenze membranloser Kompartimente eng mit ihrer Umgebung gekoppelt ist, was als erhöhte Reaktionsraten sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kompartimente gemessen werden kann. Schließlich untersuchte ich in Kapitel 6 die Enzymkinetik der Enzyme FDH und β- Galaktosidase in der physikalisch-chemischen Umgebung des Koazervats. Mit Hilfe von Michaelis-Menten-Experimenten in der CM-Dextran/PDDA-Bulkphase konnte gezeigt werden, dass KM und Vmax von FDH im Vergleich zum Überstand signifikant erhöht sind, wohingegen jene von β-Galaktosidase ein solches Verhalten nicht zeigen. Das führte mich zu der Hypothese, dass das negativ geladene Formiatsubstrat der FDH- Reaktion stark mit dem positiv geladenen PDDA interagiert, wodurch seine Affinität für das Enzym abnimmt. Darüber hinaus wird der ratenbegrenzende Hydridtransfer in der Umgebung des Koazervats erleichtert und es kann eine Erhöhung der Reaktionsrate beobachtet werden. Die Daten zeigen, dass abhängig vom Koazervat-Milieu die Enzymdynamik in verschiedene Richtungen gesteuert werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass meine Arbeit reaktionsfähige, steuerbare und enzymatisch aktive synthetische Zellsysteme mit Eigenschaften membranloser Kompartmentbildung etabliert. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass membranlose Kompartimente einen signifikanten Einfluss auf die Dynamik enzymatischer Reaktio- nen haben. Meine Untersuchungen eröffnen damit neuartige Wege zur Kontrolle der Reaktionsgeschwindigkeit in synthetischen Systemen und erweitern das Verständnis möglicher Funktionen membranloser Organellen in vivo. Insgesamt zeige ich, dass über- legt entworfene synthetische Zellen eine hervorragende biomimetische Plattform bieten, um Einblicke in den Einfluss von membranloser Kompartimentierung auf enzymatische Reaktionen zu gewinnen. Teile der vorgestellten Arbeit wurden als wissenschaftliche Beiträge in zwei begutachteten Journalen als Erstautor veröffentlicht.

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