Das Gebiet der supramolekularen Chemie hat in den letzten Jahren das Interesse zahlreicher Forschungsgruppen geweckt. Dieses Gebiet beschäftigt sich mit komplexen multimolekularen Systemen, bei denen alle Komponenten durch nichtkovalente Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Da in biologischen Systemen solche supramolekularen Wechselwirkungen weit verbreitet sind, wurden zahlreiche synthetische Architekturen, die natürliche Systeme nachahmen oder von diesen inspiriert sind, entwickelt und untersucht. Im Fokus dieser Arbeit steht die Kombination aus bekannten Bindungsmotiven für Proteine, genauer gesagt, die von Schrader et al. entwickelte molekulare Pinzette, mit dem innovativen Konzept der Dynamik, um supramolekulare Binder herzustellen. Diese sollen in der Lage sein, ihre Fähigkeit an Proteinen zu binden, durch äußere Wirkung ändern zu können. Es wurden photoschaltbare Motive entworfen, die als Brücke zwischen zwei molekularen Pinzetten dienen sollten. Diese sollten über Kupfer-Click-Reaktionen mit den Pinzetten verknüpft werden und nach Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge ihre Konfiguration so ändern, dass die Abstände zwischen den Pinzetten-Einheiten je nach Konfiguration sich deutlich voneinander unterscheiden. Somit sollte ein Isomer in der Lage sein, zwei benachbarte Lysin- oder Arginin-Reste auf einer Proteinoberfläche gut binden zu können, während das andere Isomer dazu nicht verfügt. Hierzu wurden das Motiv der Azobenzole und das Motiv der in den letzten Jahren gut erforschten Arylazopyrazole ausgewählt. Diese lichtempfindlichen Strukturen gehen eine E/Z-Isomerisierung bei Bestrahlung mit bestimmten Wellenlängen ein. Diese Isomerisierung stellt die gewünschte Konfigurationsänderung für das zu untersuchende Konzept der Photodynamik ein. Die Arylazopyrazole wurden von der Kooperationspartnerin Alisa-Maite Kauth von der Gruppe von Prof. Dr. Bart Jan Ravoo hergestellt und zur Verfügung gestellt. Für die Verknüpfung der photoschaltbaren Einheiten mit den molekularen Pinzetten wurden Reaktionsparameter der Kupfer-Click-Reaktion optimiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Fokus auf die biologischen Untersuchungen gelegt. Dafür wurde die Threonin Aspartase 1 (Taspase1) als Ziel ausgewählt. Die Inhibierung der Funktionen von Taspase1 stellt aufgrund ihrer wichtigen Rolle in der Zellproliferation der Tumorzellen einen vielversprechenden Ansatz in der Krebsforschung dar. Die Untersuchungen an der Taspase1 wurden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Shirley Knauer von Katrin Hommel durchgeführt. Zunächst wurde die Fähigkeit der photoschaltbaren Pinzetten untersucht, die Wechselwirkung zwischen Taspase1 und ihrem Partnerprotein Importin α zu inhibieren. Die Ergebnisse der Pull-Down-Experimente haben keine signifikante Auskunft über diese Inhibition ergeben, da die Pinzetten an das Säulenmaterial gebunden haben, statt an der Taspase1. Die Bindungsaffinität der Liganden auf die Taspase1 wurde ebenfalls in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Bart Jan Ravoo von Alisa-Maite Kauth untersucht. Um diese zu bestimmen, wurde die Methode der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) ausgewählt. Zuletzt wurden die photoschaltbaren Pinzetten auf ihre Fähigkeit, die proteolytische Aktivität der Taspase1 zu inhibieren und den Einfluss des jeweiligen E- und Z-Isomers untersucht. Die Experimente wurden ebenfalls in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Shirley Knauer von Katrin Hommel durchgeführt. Dabei zeigten alle Liganden IC50-Werte, die im literaturbekannten Bereich für divalente Pinzetten liegen. TWAAP0, TWAAP1 und TWAAP4 zeigten bei diesen Untersuchungen einen deutlichen Unterschied zwischen den beiden isomeren Formen, wobei die IC50-Werte der Z-Isomere in etwa doppelt so groß sind wie die der E-Isomere. Das Ergebnis dieser Untersuchung bestätig die Hypothese, dass eine Konfigurationsänderung der supramolekularen Liganden eine bedeutsame Wirkung auf die biologische Aktivität hat.
The field of supramolecular chemistry has attracted the interest of numerous research groups in recent years. This field deals with complex multimolecular systems in which all components are held together by non-covalent interactions. Since such supramolecular interactions are widespread in biological systems, numerous synthetic architectures that mimic or are inspired by natural systems have been developed and studied. The focus of this work is the combination of known binding motifs for proteins, more specifically the molecular tweezers developed by Schrader et al. with the innovative concept of dynamics to produce supramolecular binders. These should be able to change their ability to bind to proteins through external action. Photoswitchable motifs were designed to serve as a bridge between two molecular tweezers. These should be linked to the tweezers via copper-click reactions and change their configuration after irradiation with a specific wavelength so that the distances between the tweezer units differ significantly depending on the configuration. Thus, one isomer should be able to bind two neighboring lysine or arginine residues on a protein surface well, while the other isomer does not. The motif of the azobenzenes and the motif of the arylazopyrazoles, which have been well researched in recent years, were selected for this purpose. These light-sensitive structures undergo E/Z isomerization when irradiated with certain wavelengths. This isomerization provides the desired configuration change for the photodynamics concept under investigation. The arylazopyrazoles were prepared and provided by the cooperation partner Alisa-Maite Kauth from the group of Prof. Dr. Bart Jan Ravoo. Reaction parameters of the copper click reaction were optimized to link the photoswitchable units with the molecular tweezers. In the second part of this work, the focus was placed on the biological investigations. Threonine aspartase 1 (taspase1) was selected as the target. Inhibiting the functions of taspase1 represents a promising approach in cancer research due to its important role in the proliferation of tumor cells. The studies on taspase1 were carried out in collaboration with the working group of Prof. Dr. Shirley Knauer by Katrin Hommel. First, the ability of the photoswitchable tweezers to inhibit the interaction between taspase1 and its partner protein importin α was investigated. The results of the pull-down experiments did not provide any significant information about this inhibition, as the tweezers bound to the column material instead of to the Taspase1. The binding affinity of the ligands to taspase1 was also investigated in collaboration with the research group of Prof. Dr. Bart Jan Ravoo of Alisa-Maite Kauth. To determine this, the surface plasmon resonance (SPR) method was selected. Finally, the photoswitchable tweezers were examined for their ability to inhibit the proteolytic activity of taspase1 and the influence of the respective E and Z isomers. The experiments were also carried out in collaboration with the working group of Prof. Dr. Shirley Knauer of Katrin Hommel. All ligands showed IC50 values within the range known from the literature for divalent tweezers. TWAAP0, TWAAP1 and TWAAP4 showed a clear difference between the two isomeric forms in these studies, with the IC50 values of the Z-isomers being approximately twice as high as those of the E-isomers. The result of this study confirms the hypothesis that a change in the configuration of the supramolecular ligands has a significant effect on biological activity.
