Chemische Synthese des Polyacetylen-Naturstoffes Callysponginsäure und neuartiger, Phosphonat-basierter aktivitätsbasierter Sonden
In der chemischen Proteomik werden niedermolekulare Substanzen als chemische Sonden verwendet, um gezielt und nach Möglichkeit in biologisch-relevanter Weise einzelne Proteine des Proteoms für eine tiefergehende Analyse auszuwählen. Die chemische Proteomik ermöglicht somit, die Komplexität Proteom-weiter Messungen auf funktionell-relevante Proteine zu reduzieren. Die Anwendbarkeit dieser Methode ist jedoch durch die Verfügbarkeit geeigneter Sonden limitiert. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb das verfügbare Repertoire durch chemische Darstellung und Evaluierung neuer chemischer Sonden erweitert. Hierzu wurden zwei unterschiedliche Ansätze realisiert:
Im ersten Ansatz wurde der Naturstoff Callysponginsäure (1) als mögliche chemische Sonde evaluiert. Dieser Naturstoff gehört zur Klasse der Polyacetylene und verfügt über eine terminale Alkingruppe, welche als Reportereinheit in chemischen Proteomik-Anwendungen dienen kann. Hierzu wurde zuerst eine Totalsynthese des Naturstoffes etabliert; diese erstmalige Synthese von Callysponginsäure (1) ermöglichte nicht nur die Bereitstellung der für die weitergehenden Untersuchungen notwendigen Substanzmengen, sondern bestätigte auch die chemische Struktur (inkl. Konfiguration) des Naturstoffes. In ersten Studien konnte anschließend die prinzipielle Verwendbarkeit des Naturstoffes zur Markierung einzelner Proteine des Proteoms nachgewiesen werden.
Im zweiten Ansatz wurden p-Nitrophenolphosphonatderivate als chemische Sonden für das aktivitätsbasierte Protein Profiling (ABPP) hergestellt und auf Anwendbarkeit evaluiert. Die ABPP ist eine besondere Methode der chemischen Proteomik, in welcher aktivitätsbasierte Sonden (ABP) zur Messung der Aktivitätszustände von Enzymen verwendet werden. Dabei sollten zielgerichtet chemische Sonden für eine Anwendung in Pflanzen bzw. Archaea-Bakterien entwickelt werden. So wurde im Rahmen der Arbeit – ausgehend von der bekannten Wechselwirkung des Wirkstoffes Paraoxon – eine hochselektive, aktivitätsbasierte Sonde für die Carboxylesterase CXE12 in Arabidopsis thaliana entwickelt. Des Weiteren wurde eine Bibliothek an p-Nitrophenolphosphonatsonden generiert, welche zum ABPP von Archaea-Bakterien eingesetzt werden können.
In chemical proteomics, small molecule probes are used to label in a biologically-relevant manner distinct proteins from the proteome for further in-depth analysis. Thus, chemical proteomics allows to reduce the complexity of proteome-wide measurements to functionally relevant proteins. Despite these advances, the applicability of chemical proteomics is limited by the number of available small molecule probes. To overcome this bottleneck, alternative chemical probes were developed and evaluated within this thesis. To this end, two different approaches were used:
In the first approach, the natural product Callyspongynic acid (1) was evaluated for its use in chemical proteomics. Callyspongynic acid (1) belongs to the polyacetylene natural product class and is characterized by a terminal alkyne group that may find application as a reporter tag in chemical proteomics applications. To provide the required natural product for evaluation, a first total synthesis to this natural product was established. The synthetic route was used to generate sufficient amounts of the natural product as well as allowed to confirm the proposed molecular structure (incl. configuration) of this natural product. First chemical proteomics experiments then validated Callyspongynic acid (1) as a chemical tool to label distinct proteins from the complex proteome.
In the second approach, p-nitrophenolphosphonate derivatives were synthesized as chemical probes for a chemical proteomics technique known as activity-based protein profiling (ABPP). This method allows to determine the activity state of distinct enzymes under various conditions and within this thesis, compound for application in plant biology as well as for profiling Archaea bacteria were developed. To this end, derivatives of paraoxon, a known herbicide, were generated and turned out as highly selective activity-based probes for profiling the carboxylesterase CXE12 in Arabidopsis thaliana. In addition, a chemical library of p-nitrophenol phosphonates were synthesized and demonstrated as versatile chemical tools to profile serine hydrolase activities in Archaea bacteria.
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