Selektive molekulare Pinzetten durch rationales Design und Kombinatorik
Die molekulare Pinzette CLR01 besitzt eine Kavität, in die selektiv positiv geladene Seitenketten auf Proteinoberflächen eingelagert werden können. Durch diese Eigenschaft ist der supramolekulare Ligand in der Lage, Protein-Protein-Interaktionen zu beeinflussen und so beispielsweise Proteinaggregate der Alzheimer-Krankheit aufzulösen. Mit dieser und weiteren biologisch sehr relevanten Anwendungsmöglichkeiten ist die molekulare Pinzette ein starkes Beispiel für die Motivation der supramolekularen Chemie – künstliche Liganden zu entwerfen, die in biologische Prozesse eingreifen können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von CLR01 und CLR01-Derivaten, um die Selektivität der Pinzetten weiter zu erhöhen. Darüber hinaus werden bekannte Arbeitsweisen zur selektiven Oberflächenerkennung auf neue Proteine übertragen.
Im theoretischen Hintergrund werden zunächst supramolekulare Grundlagen eingeführt, diese anschließend an Proteinen erklärt und die Möglichkeiten verschiedener Liganden zur Interaktion mit Proteinen beschrieben (Kapitel 1.1). Daran anknüpfend wird CLR01 als Haupt-Molekül dieser Arbeit detailliert erläutert (Kapitel 1.2). Wichtige Beispiele der selektiven Proteinerkennung werden herangezogen, die Zielproteine vorgestellt sowie etablierte Methoden zur Bindungsuntersuchung der Pinzette und Proteinen dargestellt. Ebenfalls werden Funktionalisierungsstrategien der molekularen Pinzette mit Peptiden beschrieben. Abgeschlossen wird die theoretische Einleitung dieser Arbeit mit der Einführung kombinatorischer Methoden und dynamisch kombinatorischen Bibliotheken (Kapitel 1.3).
Kapitel 2 beschreibt die Ziele dieser Arbeit. Die Ergebnisse werden anschließend in Kapitel 3 diskutiert. Nach einer knappen Beschreibung der Synthese von CLR01 und weiteren Derivaten (Kapitel 3.1), werden supramolekulare Erkennungseinheiten zur möglichen Steigerung der Bindungsselektivität vorgestellt (Kapitel 3.2). Es werden dazu sowohl rationales Design (Kapitel 3.2.1) als auch kombinatorische Ansätze eingesetzt (Kapitel 3.2.2). In beiden Kapiteln werden Pinzetten mit zusätzlichen Bindungsmotiven und neuen funktionellen Gruppen hergestellt und untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse werden im Kapitel 3.2.3 eingesetzt, um funktionelle Pinzetten zur kovalenten Proteinbindung herzustellen. Zur selektiven Erkennung des krebsrelevanten Survivin-Proteins werden in Kapitel 3.2.4 Peptide an die Pinzette geknüpft und mit MD-Simulationen sowie Kristallisationsexperimenten zwei Generationen an hybriden Pinzetten mit peptidischen Erkennungssequenzen hergestellt. Kapitel 3.3 behandelt zuletzt die Synthese antiviraler Pinzetten mit lipophilen Seitenketten und deren Aktivität gegenüber verschiedener behüllter Viren.
In Kapitel 4 sind die wichtigsten Ergebnisse und Erkenntnisse aus den bearbeiteten Kapiteln beschrieben und zukünftige Perspektiven für die Pinzetten und Konzepte dargestellt. Der Experimentelle Teil 5 umfasst die Methoden, Materialien und Synthesebeschreibungen der in der Arbeit vorgestellten neuen Verbindungen. Das Literaturverzeichnis und der Anhang der Spektren und Bindungsexperimente schließen die Arbeit ab.
The molecular tweezer CLR01 bears a molecular cavity into which positively charged side chains can be selectively deposited on protein surfaces. Thanks to this property, the supramolecular ligand is able to influence protein-protein interactions and thus, for example, dissolve protein aggregates in Alzheimer's
disease. With this and other biologically very relevant applications, this molecular tweezer is a strong example of the motivation of supramolecular chemistry - to design artificial ligands that can intervene in biological processes. The presented thesis deals with the further development of CLR01 and derivatives thereof in order to further increase the selectivity of the tweezers. In addition, known methods for selective surface recognition are transferred to new proteins.
In the theoretical background chapter, supramolecular principles are introduced and explained using proteins, followed by a description of the properties of various ligands to interact with proteins (section 1.1). Following on from this, CLR01 is explained in detail as the main molecule of this work (section 1.2). Important examples of selective protein recognition by CLR01 are presented, as well as the
corresponding target proteins. Established analysis methods for tweezer binding and strategies for tweezer functionalization with peptidic sequences are introduced. The theoretical introduction of this work is concluded with the introduction of combinatorial methods and dynamic combinatorial libraries (section 1.3).
Chapter 2 describes the objectives of this thesis. The results are then discussed in Chapter 3. After a brief description of the synthesis of CLR01 and other derivatives (section 3.1), additional supramolecular recognition units are presented for a possible increase in tweezer binding selectivity (section 3.2). Both rational design (section 3.2.1) and combinatorial approaches (section 3.2.2) are used for this purpose. In both chapters, tweezers with additional binding motifs and new functional groups are produced and studied. The knowledge gained will be used in section 3.2.3 to produce reactive molecular tweezers for covalent protein binding. To selectively recognize the cancer-relevant survivin protein, peptides are attached to the tweezers in section 3.2.4 and two generations of hybrid tweezers with peptide recognition sequences are produced using MD simulations and crystallisation experiments. Finally, section 3.3 deals with the synthesis of antiviral tweezers with lipophilic side chains and their activity against various enveloped viruses.
Chapter 4 describes the most important results and findings gained within the thesis and presents future prospects for working with molecular tweezers and concepts therefore. The experimental part in chapter 5 comprises descriptions of the methods, materials and syntheses of the new compounds presented in the thesis. The bibliography and the appendix of spectra and binding experiments conclude the work.