Designed monomeric and dimeric molecular tweezers for functional protein targeting

One motivation behind supramolecular chemistry is the design of artificial receptors that can mimic or even overrule certain natural processes for therapeutic and diagnostic purposes. The specific recognition of a hot region on a protein surface is critical for the functioning of many biological systems. With this in mind, the presented cumulative dissertation brings up the rational design and synthesis of the new generation of water-soluble macrocyclic receptors - molecular tweezers as well as probing their abilities to influence target functions of different proteins of interest, such as amyloid, Survivin, and 14-3-3 proteins. Each of those proteins has a relevant role in widely spread diseases of the modern age, such as Alzheimer’s and Parkinson’s disease, different types of cancer, diabetes, obesity, and cardiovascular diseases, respectively.

Firstly, the detailed introduction (Chapter 1) provides the state of the knowledge before the beginning of this dissertation, at the same time pointing to scientific gaps, which need to be fulfilled by this work. The introduction starts with a concise overview of the context and development of supramolecular chemistry, followed by a description of the most prominent host scaffolds. Here, the accent was put on diverse molecular tweezers as synthetic receptors. Afterward, the concept and application of Klärner’s and Schrader’s water-soluble molecular tweezers have been introduced together with the first experimental pieces of evidence on their selectivity towards specific natural amino acids in aqueous media, describing the first major scientific breakthrough in the field. The second discussed breakthrough was discovery that molecular tweezers beside recognition of isolated single molecules also exhibit affinities towards peptides and proteins featured with well-exposed basic amino acids. This served as a good starting point for the elucidation of supramolecular chemistry on proteins. Subsequently, the first examples of protein recognition by molecular tweezer and other supramolecular host scaffolds are shown. Furthermore, the possible pathways in which various synthetic molecules can influence protein-protein interactions are explained. The structural, as well as functional characteristics of the three proteins of interest, are summarized in a separate chapter, followed by an overview of known modulator molecules, respectively.

After outlining the dissertation’s aim coherently (Chapter 2), its detailed implementation has been shown separately in the four most prominent publications from this work- related to the three above-mentioned proteins (Chapter 3). Besides the published part, the further realization of the dissertation’s aim can be found in the next chapter, elucidating by work that has not been published yet (Chapter 4). The first section in the unpublished part reveals the work dedicated to an important implementation of molecular tweezers, namely as aggregation inhibitors of amyloid proteins. This section describes the synthesis of the novel fluorinated molecular tweezer, made to enhance tweezer’s ability to penetrate the blood-brain barrier. The second section in the unpublished part presents the synthesis of divalent molecular tweezers and the first experimental insights gained in their application for biological purposes.

Achieved results are summarized in the conclusion section (Chapter 5), reflecting on the existing literature sources presented at the beginning of the work. However, the remaining challenges and further possibilities for improving molecular tweezers’ features are given in outlook (Chapter 5.2). At the end of the dissertation, there is an explanation of the author’s contributions to the presented publications (Chapter 6)., unpublished experimental part relevant for unpublished part (Chapter 7), an appendix containing the list of abbreviations used, the author’s acknowledgment and curriculum vitae.

Eine Motivation der supramolekularen Chemie ist das Design künstlicher Rezeptoren, welche in der Natur vorkommenden Prozesse imitieren oder außer Kraft setzen können; diese Tatsache lässt sich für die Diagnose und Therapie von Krankheiten nutzen. Die spezifische Erkennung aktiver Zentren auf Proteinoberflächen ist essenziell für viele biologische Systeme. Vor diesem Hintergrund vereinigt die vorliegende kumulative Dissertation sowohl rationales Design, als auch die Synthese einer neuen Generation wasserlöslicher, makrozyklischer Rezeptoren - hier molekulare Pinzetten, und legt deren Leistung dar, gezielte Funktionen verschiedener Proteine, wie beispielsweise Amyloid, Survivin und 14-3-3 Proteine, zu beeinflussen. Jedes dieser Proteine spielt eine relevante Rolle in heutzutage weitverbreiteten Krankheiten wie Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson, verschiedensten Arten von Krebs, Diabetes, Übergewicht und kardiovaskulären Erkrankungen.
In der ausführlichen Einleitung (Kapitel 1) wurde der Wissensstand zu Beginn der
Dissertation aufgezeigt, sowie die offenen wissenschaftlichen Lücken in diesem
Themenbereich, welche durch diese Dissertation geschlossen werden sollten. Zudem bietet die Einleitung dieser Arbeit eine gezielte Übersicht über Zusammenhang und Entwicklung der supramolekularen Chemie, gefolgt von der Beschreibung der prominentesten Wirtsgerüste. Der Fokus wurde hierbei auf verschiedenste molekulare Pinzetten in der Funktion als synthetische Rezeptoren gelegt. Im nächsten Schritt wurden Konzeptionierung und Anwendung von Klärner´s und Schrader´s wasserlöslichen molekularen Pinzetten erläutert, sowie die ersten experimentellen Hinweise auf ihre Selektivität gegenüber natürlich vorkommender Aminosäuren in wässriger Umgebung, welches den ersten großen wissenschaftlichen Durchbruch beschreibt. Es konnte gezeigt werden, dass nicht nur zwischen einzelnen, isolierten Molekülen ein Einschlusskomplex gebildet wird, sondern dieser auch zwischen Peptiden und Proteinen entstehen kann, deren Aminosäuren ungehindert erreicht werden können. Diese Tatsache diente als
Anhaltspunkt zur Aufklärung der supramolekularen Chemie an Proteinen, hier explizit die Proteinerkennung vom moleklaren Pinzette und anderen supermolkularen Wirtsgerüsten.
Weiterhin wird erläutert, welche unterschiedlichen Arten der Beeinflussung synthetischer Moleküle auf Protein-Protein-Wechselwirkungen möglich sind. Die strukturellen und funktionellen Charakteristika, der drei näher betrachteten Proteine werden, separat zusammengefasst, gefolgt von einer Übersicht bekannter regulierender Moleküle.
Nach Darstellung der Zielsetzung dieser Dissertation (Kapitel 2) wird anhand der
vier hervorstehender Publikationen, welche sich mit den drei am Anfang genannten
Proteinen (Kapitel 3) befassen, die detaillierte Anwendung der vorliegenden Arbeit
gezeigt. Neben dem bereits publizierten Teil wird das Ziel der Dissertation im
darauffolgenden Kapitel behandelt und mit Ergebnissen gestützt, die bisher nicht
veröffentlicht wurden (Kapitel 4). Das erste Kapitel des unveröffentlichten Teiles
behandelt eine weitere, wichtige Weise der Implementierung molekularer Pinzetten, hier als Aggregationsinhibitoren von Amyloidproteinen. Dieses Kapitel beschreibt detailliert die Synthese neuartiger, fluorierter molekularer Pinzetten vor dem Hintergrund der Fähigkeit dieser Moleküle, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren. Das zweite Kapitel dieses Teiles des unveröffentlichten Teiles präsentiert die Synthese bivalenter molekularer Pinzetten und erste, experimentell gestützte Einsicht in die Anwendung für biologische Zwecke.
Die erzielten Ergebnisse dieser Dissertation werden in der Zusammenfassung
(Kapitel 5) dargestellt, unter Berücksichtigung der am Anfang der Arbeit vorgestellten Literatur. Weitere Herausforderungen und Möglichkeiten für die Verbesserung der Eigenschaften von molekularen Pinzetten werden im Ausblick zusammengefasst (Kapitel 5.2). Am Ende der Dissertation wird schließlich der Beitrag des Autors bei den vorgestellten Publikationen diskutiert (Kapitel 6). Zusätzlich ist am Ende noch der unveröffentlichte experimentelle Teil (Kapitel 7), der relevant ist für den unveröffentlichten Ergebnisabschnitts, sowie Abkürzungsverzeichnis, Danksagung und der Lebenslauf angehängt.

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