Chemische und enzymatische Synthese von N-Glycanbibliotheken und Glycoarrays

• Antragsteller: Professor Dr. Carlo Unverzagt
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 191313488

Die hohe Bedeutung von Kohlenhydraten in biologischen Systemen hat zu einer Vielzahl von Neuentwicklungen in jüngerer Zeit geführt. Vorreiter hierbei sind besonders die Versuche ganze Glycome, also die Gesamtzahl von Kohlenhydraten individueller Zelltypen, von Organen oder Organismen zu erfassen und zu charakterisieren. Die üblicherweise durch Massenspektrometrie ermittelte Strukturvielfalt von natürlichen Oligosacchariden stellt Biowissenschaftler vor zahlreiche ungelöste Fragen. Zur Bestimmung von vorhandenen Glycanstrukturen genügen zwar meist sehr geringe Mengen an Material, zur Bestimmung der biologischen Funktion eines Glycans sind aber viel größere Substanzmengen notwendig. Um eine spezifische biologische Erkennung von Glycanen durch Lectine oder Antikörper zu bestimmen, wurden daher Mikroverfahren entwickelt. Die robuste chemische Immobilisierung von Glycanen an Oberflächen durch Mikrokontaktdrucken erlaubt es an Glycanmikroarrays in Routineverfahren die Spezifität von Kohlenhydratbindeproteinen in kurzer Zeit zu bestimmen. Die Grundlage für solche Arrays ist die Verfügbarkeit von möglichst vielen definierten Kohlenhydratstrukturen, die nach chemischer Derivatisierung durch Mikrokontaktdrucken immobilisiert werden. Trotz vieler Anstrengungen ist die auf Arrays zusammenfasste Zahl von Glycanen noch gering und bildet natürliche Glycome sehr unvollständig ab. Der Grund hierfür liegt in der schwierigen Isolierung natürlicher Kohlenhydrate in reiner Form, was zwangsläufig die Synthese der benötigten Strukturen notwendig machte. Die Synthese von Oligosacchariden ist jedoch anspruchsvoll und erfordert spezialisierte Labors für die jeweiligen Strukturklassen. Daher ist in den aktuellen Arrays eine Fokussierung auf wenige Strukturtypen zu finden, wohingegen die systematische Variation der wichtigsten Strukturtypen sehr lückenhaft ist. Dennoch kann die Spezifität eines unbekannten Proteins für bestimmte Kohlenhydrate in den meisten Fällen über die Bindung an Glycanarrays herausgefunden werden. Im Rahmen dieses Projekts sollen: 1) die Methoden zur modularen Synthese von komplexen N-Glycanen und deren selektive Entschützung zu universell verwendbaren N-Glycanaziden weiterentwickelt werden. 2) Die enzymatische Verlängerung sämtlicher Vertreter der N-Glycanbasisstrukturen von Säugern durch Glycosyltransferasen in Lösung realisiert werden.3) Stabile N-Glycan-Konjugate für Arrays und NMR-Untersuchungen erzeugt werden.4) N-Glycanarrays für die systematische Spezifitätsbestimmung von Lectinen verwendet werden und als Basis für detaillierte Struktur- sowie Affinitätsuntersuchung durch NMR-Methoden und Kristallographie dienen.5) Semisynthesen aller N-Glycan-Basisstrukturen des komplexen Typs von Säugern aus einem aus Eigelb isolierbaren Glycopeptid durch Anwendung von rekombinanten Glycosyltransferasen realisiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen