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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-64793
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6479/


Darstellung Kohlenhydrat-funktionalisierter Goldoberflächen und -nanopartikel : ein neuartiger modularer Ansatz für die Anwendung von 2D- und 3D-Glyco-SAMs in Wechselwirkungsstudien

Kopitzki, Sebastian

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SWD-Schlagwörter: Kohlenhydrate , Organische Chemie , Nanopartikel , Oberflächenplasmonresonanz , Lectine , Wechselwirkung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Kohlenhydrat-Kohlenhydrat-Wechselwirkung , LewisX , Kohlenhydrat-Protein-Wechselwirkung
Freie Schlagwörter (Englisch): LewisX , carbohydrate-carbohydrate-interaction , carbohydrate-protein-interaction , surface plasmon resonance , gold nanoparticles
Basisklassifikation: 33.68 , 35.63 , 35.52
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Thiem, Joachim (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.01.2013
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 13.01.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Kohlenhydrat-basierte Erkennungsprozesse, sowohl Kohlenhydrat-Protein- als auch Kohlenhydrat-Kohlenhydrat-Interaktionen, spielen eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen. Mit dem hier vorgestelltem Ansatz zur modularen Funktionalisierung von Goldoberflächen konnte eine leistungsstarke Plattform für die SPR-Untersuchung sowohl von CPIs als auch von CCIs bereitgestellt werden.
Dazu wurde eine umfassende Reihe von ingesamt achtzehn Benzaldehyd-funktionalisierten Mono- und Disacchariden sowie Lex-Analoga synthetisiert. Die Benzaldehyd-Funktionalisierung konnte über die Kreuzmetathese von Allylglycosiden und para-Allyloxy-benzaldehyd-dimethylacetal realisiert werden. Für die Synthese der Lex-Analoga wurden unter anderen neuartige TES-gestüzte Thioglycosyldonoren verwendet, mit denen eine Hydrierung von konvertionellen Benzylschutzgruppen verhindert werden konnte. Der Einsatz von einfachen Monosaccharid-Bausteinen verkürzte und vereinfachte dabei die Synthese komplexer Glycoside. Die Benzaldehydfunktion diente als Ankergruppen für die Funktionalisierung auf der SPR-Sensoroberfläche. Ebenso konnten dadurch hochfunktionalisierte Glyconanopartikel erhalten werden, die hervorragende Trägermaterialien für die multivalente Präsentation von Liganden darstellten. Die Bildung von selbstanordnenden Monolagen (SAM) von Thiolen auf Goldoberflächen diente zur korrespondierenden Funktionalisierung der Sensoroberflächen.
In Kooperation mit der Gruppe von K. J. Jensen in Kopenhagen wurden die Goldnanopartikel synthetisiert. Die relativ monodispersen, Citrat-stabilisierten Goldnanopartikel hatten einen Durchmesser von etwa 13 nm und konnten anschließend durch Ligandenaustausch Aminooxy-funktionalisiert werden. Durch Iminbildung mit den Benzaldehyd-funktionalisierten Glycosiden war die Synthese von Glyconanopartikeln (GNP) möglich. Die Kohlenhydratligandenanzahl konnte durch die Anthron-Methode bestimmt werden. Dieser Ansatz lieferte einheitlich große GNPs mit einheitlicher Ligandenpräsentation und erleichterte damit die Interpretation der SPR-Resultate.
Die SAM-Bildung auf den SPR-Sensoroberflächen und die anschließenden Kohlenhydrat-Funktionalisierung konnte online verfolgt werden, was die einfache und schnelle Charakterisierung der Glyco-SAMs ermöglichte. Dieses System konnte zur Untersuchung von CPIs der Lectine ConA, RCA120 und WGA eingesetzt werden. Es zeigte sich eine Abhängigkeit der Bindung vom Linkersystem. Die vergleichenden Untersuchung zur Abhängigkeit der Multivalenz der Lectinbindung zu unterschiedlich dicht funktionalisierten Mannose-, Galactose- und N-Acetylglucosamin-SAMs konnte neue Einblicke in Struktur-Wechselwirkungsbeziehung der Lectine liefern.
Durch die SPR-CCI-Analyse der Bindung von Lex-Analoga-GNPs zur Lex-SAM konnte eine „heat map“ über den Einfluss der Hydroxygruppen auf das Zustandekommen der homotyp-Lex-CCI erstellt werden. Desweiteren wurden neuartige „künstliche“ homotyp-CCIs zwischen Lex-L-Gal- und Lex-Glc-Kopfgruppen und Disaccharid-CCIs beobachtet. Durch Analyse der Talose- und Idose-GNP auf den entsprechenden SAMs konnte erstmals thermodynmische Daten für die Ca2+-Komplexbildung von Monosacchariden ermittelt und damit das Angyal-Postulat zur konfigurationellen Voraussetzung für CCIs bestätigt werden.
Der hier vorgestellten Ansatz zur Kohlenhydrat-Funktionalisierung mittels 2D- und 3D-Glyco-SAM-Bildung auf Goldoberflächen lieferte eine leistungsstarke Plattform, mit der in Zukunft durch weiterführende Untersuchungen ein erheblicher Beitrag zum besseren Verständnis sowohl von CPIs als auch von CCIs erbracht werden könnte.
Darüber hinaus konnnte ein Syntheseweg zu Mannose-6-(thio)phosphat-Derivaten aufgezeigt werden, die als inhibitorische Liganden in der Affinitätschromatographie einsetzt werden sollten. Dabei wurden Allylglycoside von Mannose-6-thiophosphaten sowie Mannose-6-phosphat synthetisiert und danach durch radikalische Addition von Cystamin-hydrochlorid mit einem Aminolinker versehen. Abschließend sollten die 6-Thiophosphate über den Aminolinker an CNBr-aktivierte Sepharose oder Agarose gekoppelt werden. Dieses inhibitorische Affinitätschromatographie-Material sollte zur Reinigung einer bislang unbekannten Mannose-6-phosphatase eingesetzt werden.
Kurzfassung auf Englisch: Carbohydrate based recognition events – carbohydrate protein (CPI) as well as carbohydrate carbohydrate interactions (CCI) – play a crucial role in important biological processes. The present approach of modular functionalization of gold surface provided a powerful tool for surface plasmon resonance investigation for CPI and CCI.
Therefore, a series of eightenn benzaldehyde functionalized mono- and disaccharides as well as Lex-analoga was synthesized. The benzaldehyde functionalization was realized by cross metathesis of allyl glucosides and para-allyloxy-benzaldehyde dimethyl acetale. To avoid hydrogenation of benzyl protecting groups novel TES protected thioglycosides were used for the synthesis of Lex-analoga. The assembly of simple monosaccharide building blocks enabled a short and facile synthesis of complex components. The benzaldehyde function was utilized as an anchor group for he functionalization of SPR sensor surfaces. Furthermore, using this approach high density glyco nanoparticles were obtained, which are excellent carrier materials for the multivalent presentation of carbohydrate ligands. The formation of self-assembled monolayers (SAM) was used to form the corresponding functionalization of the sensor surface.
In cooperation with the K. J. Jensen group in Copenhagen the gold nanoparticles were synthesized. The monodisperse citrate stabilized gold nanoparticles had a diameter of circa 13 nm and could be aminooxy functionalized by subsequent ligand exchange. The synthesis of glyco nanoparticles (GNP) was conducted by imine formation with benzaldehyde functionalized glycosides. The number of carbohydrate ligands on the GNP was determinated via the anthrone method. This approach provided GNPs with an unique size, ligand amount and ligand presentation, which facilitates the interpretation of the SPR results.
The SAM formation on sensor surfaces and the subsequent carbohydrate functionalization was followed online, which allowed the facile and rapid characterization of glyco-SAM. This system was used in investigation of CPIs with the lectins ConA, RCA120 and WGA. It was shown, that the binding of the lectins is strogly dependent on the linker system. A comparative study on mannose, galactose and N-acetyl glucosamine functionalized surfaces with different ligand densities gave novel insights of the structure activity relationship (SAR) of binding of these lectins.
By the binding analysis of different Lex analoga GNPs to a Lex funtionalized gold surfaces utilizing SPR a so called „heat map“ was created, which showed the influence of the different hydroxy groups to the homotype Lex CCI. Furthermore, novel artifical homotype CCI between Lex-L-Gal and Lex-Glc carbohydrate head groups could be discovered. By analysis of talose- and idose-GNP bindung to the corresponding SAM for the first time thermodynamic data of Ca2+ complex formation of monosacchrides were obtained. Thus, Angyal´s postulation of hydroxyl group configurational requirements for CCI could be confirmed. The presented approach for carbohydrate functionalization of gold surfaces by 2D and 3D glyco SAM formation provides a powerful tool for future investigation of CPI and CCI. This could afford a significant improvement of the understanding of CPI and CCI.
Furthermore, a novel synthetic approach to mannose-6-(thio) phosphates was shown. These thio phosphates should be applied to affinity chromatography after reaction of an amino linker with CNBr activated sepharose or agarose gels. This inhibitory affinity chromatography material should be applied for purification of an yet unknown mannose-6-phosphatase.

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