Die Signaltransduktion ist ein allgegenwärtiger natürlicher Prozess von enormer biologischer Bedeutung. Dieser erlaubt es Zellen miteinander zu kommunizieren, was die Grundvoraussetzung bei multizellulären Organismen für die Bildung komplexen Lebens darstellt. Im Prinzip funktioniert dieser Prozess, indem ein extrazelluläres Signal in eine zelluläre Antwort umgewandelt wird, um in spezialisierten Zellen eine physiologische Reaktion auszulösen. Der Signaltransduktion wurde in den letzten Jahren große Beachtung geschenkt, was sich in den Nobelpreisen in Chemie sowie Medizin widerspiegelt.

Trotz der enormen Bedeutung gibt es nur wenige künstliche signalübertragende Modellsysteme, die von Chemikern entworfen wurden. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein biomimetisches Lipidmembransystem vorgestellt, dass sich in gewissem Sinne als supramolekularer Ansatz der Raffinesse chemischer Systeme, wie sie in der Natur vorkommen, annähert. Hierbei handelt es sich um ein chemisches Modell zur Nachahmung des archetypischen Beispiels einer Rezeptor-Dimerisierung (oder Oligomerisierung), die eine zentrale Rolle in der Signaltransduktion von Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) spielt.

Für dieses Vorhaben wurde im ersten Teil der Doktorarbeit ein neues Paar TM-Rezeptoren (20 und 21) für eine kontrollierte Botenstoff-induzierte Signalübertragung hergestellt und in phasenseparierte Vesikel (LUVs) durch Selbstassemblierung eingebaut. Als Membrankomponenten wurden die Lipide DOPC/ DPPC/Cholesterol verwendet, da diese die heterogene Organisation natürlicher Membranen nach-ahmen. Die oberen Rezeptorhälften wurde mit einer Bisphosphonat-Gruppe versehen und die unteren Hälften mit je einer Reaktivgruppe funktionalisiert. In Anwesenheit eines extern hinzugegebenen multivalenten Ammonium-basierten Liganden konnten die Rezeptoren, über die Bisphosphonat-Erkennungseinheit, an der Lipidoberfläche dimerisiert (oder trimerisiert) werden. Hierdurch wurden die Vesikel-internen Reaktivgruppen (3-Mercaptopropionsäure 21 und Fumaroylbenzoxazol 20) in eine günstige räumliche Nähe zueinander gerückt, wodurch schließlich eine chemische Reaktion (Thiol-Michael Addition) eine turn-on-Fluoreszenz im Vesikel freisetzte. Untersucht wurde dieser Prozess unter Verwendung verschiedener kompakter Ammonium-basierter Botenstoffe. Die Fähigkeit des Botenstoffes eine Signaltransduktion zu induzieren, folgt der Reihenfolge mit abnehmender Effizienz: H_³TREN³⁺ > H_²DET²⁺ > H_²EDA²⁺.

Im spektroskopischen Readout konnte sodann mit fortschreitender Michael-Addukt Bildung ein Anstieg der Fluoreszenzemission beobachtet werden. Die Zunahme der Fluoreszenzintensität verlief hierbei sehr langsam (ca. 3 h), wenn die Untersuchungen der Rezeptor-dotierten Liposomen bei 25 °C in reinem Wasser durchgeführt wurden.

Des Weiteren konnte mittels UV-Lichtbestrahlung (λ = 311 nm) eine beschleunigende Wirkung auf die Botenstoff-induzierte Thiol-Michael Addition festgestellt werden. Unglücklicherweise führten die Bestrahlungsexperimente zu einer partiell photochemisch induzierten trans-cis- Isomerisierung der Michael-Akzeptor-Einheit, welche ebenfalls mit einer Fluoreszenzsteigerung einherging und den unidirektionalen Signalübertragungsweg damit stört. Schließlich zeigten auch Experimente bei physiologisch relevanter Temperatur (~37 °C) eine beschleunigte Signaltransduktionskinetik. Innerhalb von etwa 180 min konnte auf diese Weise eine 28-fache turn-on-Signalsteigerung beobachtet werden, was gegenüber einer 16- fachen Steigerung aus vorherigen Experimenten eine Verbesserung darstellte.

Im Zuge weiterer Untersuchungen des turn-on-Modellsystems sollte die laterale Verteilung der TM-Rezeptoren im Liposom charakterisiert werden. Dafür wurde ein BODIPY-funktionalisierter TM-Rezeptor 85 stellvertretend für den Rezeptor 20 in phasenseparierten GUVs mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht. Diese Experimente waren zielführend und zeigten die Akkumulierung des BODIPY-Rezeptors in einer flüssig-ungeordneten Lipidphase.

Im zweiten Teil der Doktorarbeit konnte ein weiteres Rezeptorsystem aufgebaut werden, welches am unteren Terminus anstelle von Reaktivgruppen AIE-Luminophore trägt. Die Botenstoffzugabe führte, über die Bildung von Rezeptor-Assoziaten, nahezu direkt zu einer drastischen und signifikanten Zunahme in der Fluoreszenzsignalemission. Hier ergaben sich weiterführende Experimente, in denen die Signaleffizienz in Abhängigkeit des wässrigen Mediums, der Art des Botenstoffs sowie der Lipidzusammensetzung untersucht werden konnte. Schließlich sind erste reversible ON-OFF-ON-Signalübertagungen mit einem RTK-artigen Modellsystem untersucht worden.