SFB 765:  Multivalenz als chemisches Organisations- und Wirkprinzip: Neue Architekturen, Funktionen und Anwendungen

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Biologie ; Mathematik ; Medizin ; Physik
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 32049920

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Multivalenz ist ein Schlüsselprinzip in der Natur zum Aufbau starker, zugleich aber auch reversibler chemischer Wechselwirkungen zwischen zwei Einheiten, z.B. Rezeptoren und Liganden, Viren und Zellen oder zwischen zwei Zelloberflächen. Multivalente Bindungen basieren auf mehreren simultanen molekularen Erkennungsprozessen, die entweder durch einheitliche nichtkovalente Interaktionen (Homomultivalenz) oder durch mehrere verschiedene nichtkovalente Interaktionen (Heteromultivalenz) vermittelt werden. Multivalenz spielt beispielsweise in der Selbstorganisation von Materie, in der Katalyse, und auch bei biologischen Erkennungsprozessen sowie der Signaltransduktion in biologischen Systemen eine entscheidende Rolle. Die gleichzeitige Bindung mehrerer Liganden, die im richtigen Abstand mit korrekt dimensionierten Gerüstarchitekturen zu einem multivalenten Ligandensystem verknüpft sind, können signifikante Verstärkungen von Bindungskonstanten an einem entsprechenden multivalenten Rezeptor hervorrufen, so dass Gleichgewichte vollständig zugunsten der gebildeten Komplexe verschoben werden. Die gezielte Entwicklung neuer multivalenter Moleküle ist sowohl für wichtige biologische Fragestellungen, z. B. für die Hemmung von Entzündungen und die Prävention von viralen Infektionen, als auch für die gezielte Herstellung funktionaler Molekülarchitekturen und Oberflächenstrukturen oder etwa für die kontrollierte Steuerung von Nanopartikelinteraktionen, von großer Bedeutung. Die chemischen und biologischen Mechanismen und der Einfluss verschieden dimensionierter Gerüstarchitekturen, die diesen multivalenten Wechselwirkungen zugrunde liegen, waren das zentrale Thema des SFB 765. In den ersten beiden Förderperioden konnten richtungsweisende Erfolge erzielt werden. So gelang die experimentelle und theoretische Untersuchung bi- und trivalenter Bindungssysteme in der Gasphase, in Lösung und an Oberflächen. In einigen Fällen gelang es auch, quantitative Daten zwischen Theorie und Experiment exakt zu korrelieren. Die Forschungsarbeiten zeigten auch die Bedeutung von Größe, Form, Flexibilität und Dynamik der Gerüstarchitektur, insbesondere für die flächige Wechselwirkung mit biologischen Systemen. Veranschaulicht wird der Erfolg unter anderem durch die Entwicklung eines multivalenten Wirkstoffkandidaten mit starker entzündungshemmender Aktivität und von hochpotenten Pathogeninhibitoren. In der dritten Förderperiode des SFB 765 war neben einer Fokussierung auf organische „soft matter“ Gerüstarchitekturen eine weitere Verstärkung des SFB 765 in Bezug auf anwendungsorientierte Projekte geplant. Dabei wurden multivalente Pathogeninhibitoren untersucht, was in Bezug auf die aktuelle Virus-Pandemie sehr vorausschauend war und viele nützliche Hinweise für das Design neuartiger Virusinhibitoren gab. Das tiefergehende Verständnis multivalenter Wechselwirkungen auf allen Längenskalen vom Nano- bis in den Mikrometerbereich ist für die Beantwortung zentraler Fragestellungen und Neuentwicklungen im Bereich der Bio- und Materialwissenschaften von entscheidender Bedeutung. Zur Bewältigung dieser hochkomplexen und langfristigen Aufgabe ist das interdisziplinäre Zusammenwirken von Naturwissenschaftlern mit unterschiedlicher Expertise von der Biochemie bis hin zur Theorie notwendig. Die Freie Universität Berlin, die Humboldt-Universität zu Berlin, die Technische Universität Berlin, das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie, die Charité-Universitätsmedizin Berlin, das MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, das Zuse-Institut Berlin und in der dritten Förderperiode auch das Robert Koch-Institut haben in der Untersuchung funktionaler Molekülaggregate für Fragestellungen aus den Lebens- und Materialwissenschaften große Kompetenzen und starke wissenschaftliche Wechselwirkungen aufgebaut. In der dritten Förderperiode des SFB 765 wurde für die Vertiefung des facettenreichen und bedeutenden Themas „Multivalenz“ durch die Berufungen der letzten Jahre die Bereiche Pharmazeutischen Chemie und Theoretischen Chemie/Biophysik gezielt verstärkt. Der besondere Charme des SFB 765 ist das einmalige Zusammenspiel von synthetischer Expertise und physikalisch-chemisch sowie theoretisch ausgerichteten Projekten mit biologisch inspirierten Fragestellungen. Hieraus entwickelt sich eine neue Qualität des Verständnisses von Multivalenz und stellt dieses auf eine präzise theoretische Grundlage, um damit auch medizinische Fragestellungen, wie z.B. Entzündungen sowie bakterielle und virale Infektionen in Zukunft gezielter adressieren zu können. Durch diese präzisen Messungen und Modellierung ist es im SFB 765 gelungen auch ein quantitatives Verständnis der Multivalenz an biologischen Grenzflächen und insbesondere von Viren weiter auszubauen. Die passgenaue Wechselwirkung von DNA-, Polymer- und Phagen-basierten Gerüstarchitekturen hat hierbei die besten Bindungskonstanten ergeben, was auch für zukünftige Anwendungen von Multivalenz von großer Bedeutung ist. Mit diesen langfristigen und außerordentlich interessanten Forschungsperspektiven hat der SFB 765 seine Pionierfunktion in Deutschland wie auch international in der dritten Förderperiode weiter ausgebaut.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107, 19679
  Dernedde, Jens; Rausch, Alexandra; Weinhart, Marie; Enders, Sven; Tauber, Rudolf; Licha, Kai; Schirner, Michael; Zügel, Ulrich; von Bonin, Arne & Haag, Rainer
  
• ChemBioChem, 2011, 12, 2587-2598
  Shan, Min; Bujotzek, Alexander; Abendroth, Frank; Wellner, Anja; Gust, Ronald; Seitz, Oliver; Weber, Marcus & Haag, Rainer
  
• Org. Biomol. Chem., 2011, 9, 7448-7456
  Roskamp, Meike; Enders, Sven; Pfrengle, Fabian; Yekta, Shahla; Dekaris, Vjekoslav; Dernedde, Jens; Reissig, Hans-Ulrich & Schlecht, Sabine
  
• Chem. Commun., 2012, 48, 522-524
  Artner, Lukas M.; Merkel, Lars; Bohlke, Nina; Beceren-Braun, Figen; Weise, Christoph; Dernedde, Jens; Budisa, Nediljko & Hackenberger, Christian P. R.
  
• J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 20490-20497
  Schade, Matthias; Knoll, Andrea; Vogel, Alexander; Seitz, Oliver; Liebscher, Jürgen; Huster, Daniel; Herrmann, Andreas & Arbuzova, Anna
  
• PLOS ONE, 2013, 8, e82352
  Majkut, Paul; Claußnitzer, Iris; Merk, Helmut; Freund, Christian; Hackenberger, Christian P. R. & Gerrits, Michael
  
• Adv. Healthc. Mater., 2015, 4, 2154-2162
  Reimann, Sabine; Gröger, Dominic; Kühne, Christian; Riese, Sebastian B.; Dernedde, Jens & Haag, Rainer
  
• Beilstein J. Org. Chem., 2015, 11, 784-791
  Mühlberg, Michaela; Hoesl, Michael G.; Kuehne, Christian; Dernedde, Jens; Budisa, Nediljko & Hackenberger, Christian P. R.
  
• Beilstein J. Org. Chem., 2015, 11, 837-847
  Koschek, Katharina; Durmaz, Vedat; Krylova, Oxana; Wieczorek, Marek; Gupta, Shilpi; Richter, Martin; Bujotzek, Alexander; Fischer, Christina; Haag, Rainer; Freund, Christian; Weber, Marcus & Rademann, Jörg
  
• Biomacromolecules, 2015, 16, 2188-2197
  Zacco, Elsa; Anish, Chakkumkal; Martin, Christopher E.; v. Berlepsch, Hans; Brandenburg, Enrico; Seeberger, Peter H. & Koksch, Beate
  
• ChemBioChem, 2015, 16, 742-745
  Völler, Jan; Biava, Hernan; Koksch, Beate; Hildebrandt, Peter & Budisa, Nediljko
  
• J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2572-2579
  Vonnemann, Jonathan; Liese, Susanne; Kuehne, Christian; Ludwig, Kai; Dernedde, Jens; Böttcher, Christoph; Netz, Roland R. & Haag, Rainer
  
• Linear polyglycerol derivatives, a method for manufacturing and applications, EP16153144.7A, 2016
  R. Haag, A. Herrmann, S. Bhatia and D. Lauster
  
• Mol. Cell. Proteomics, 2015, 14, 2961
  Kuropka, Benno; Witte, Amelie; Sticht, Jana; Waldt, Natalie; Majkut, Paul; Hackenberger, Christian P.R.; Schraven, Burkhart; Krause, Eberhard; Kliche, Stefanie & Freund, Christian
  
• Nano Lett., 2016, 16, 807-811
  Lai, Chian-Hui; Hütter, Julia; Hsu, Chien-Wei; Tanaka, Hidenori; Varela-Aramburu, Silvia; De Cola, Luisa; Lepenies, Bernd & Seeberger, Peter H.
  
• ACS Nano, 2017, 11, 702-712
  Liese, Susanne; Gensler, Manuel; Krysiak, Stefanie; Schwarzl, Richard; Achazi, Andreas; Paulus, Beate; Hugel, Thorsten; Rabe, Jürgen P. & Netz, Roland R.
  
• Adv. Healthc. Mater., 2016, 5, 2922-2930
  Ziem, Benjamin; Thien, Hendrik; Achazi, Katharina; Yue, Constanze; Stern, Daniel; Silberreis, Kim; Gholami, Mohammad Fardin; Beckert, Fabian; Gröger, Dominic; Mülhaupt, Rolf; Rabe, Jürgen P.; Nitsche, Andreas & Haag, Rainer
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 15510-15514
  Köhling, Sebastian; Exner, Matthias P.; Nojoumi, Saba; Schiller, Jürgen; Budisa, Nediljko & Rademann, Jörg
  
• Bioorthogonale 3d-in situ-hydrogele in Form eines auf einem Träger immobilisierten Netzwerks für Biosensoren sowie Verfahren zu deren Herstellung, Germany Pat., DE102017112012A1, 2016
  R. Haag, L. Kaufmann and U. Schedler
  
• Chem. Eur. J., 2016, 22, 15475-15484
  von Krbek, Larissa K. S.; Achazi, Andreas J.; Solleder, Marthe; Weber, Marcus; Paulus, Beate & Schalley, Christoph A.
  
• Novel furazan-3-carboxylic acid derivatives and use thereof in treatment of cancer. EP16192394, 2016
  J. Rademann, E. L. Wong, C. Arkona, B. G. Kim and E. Nawrotzky
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 5931-5936
  Lauster, Daniel; Glanz, Maria; Bardua, Markus; Ludwig, Kai; Hellmund, Markus; Hoffmann, Ute; Hamann, Alf; Böttcher, Christoph; Haag, Rainer; Hackenberger, Christian P. R. & Herrmann, Andreas
  
• Biomaterials, 2017, 138, 22-34
  Bhatia, Sumati; Lauster, Daniel; Bardua, Markus; Ludwig, Kai; Angioletti-Uberti, Stefano; Popp, Nicole; Hoffmann, Ute; Paulus, Florian; Budt, Matthias; Stadtmüller, Marlena; Wolff, Thorsten; Hamann, Alf; Böttcher, Christoph; Herrmann, Andreas & Haag, Rainer
  
• Chem. Eur. J., 2017, 23, 2877-2883
  von Krbek, Larissa K. S.; Achazi, Andreas J.; Schoder, Stefan; Gaedke, Marius; Biberger, Tobias; Paulus, Beate & Schalley, Christoph A.
  
• Chem. Eur. J., 2017, 23, 2960-2967
  Schröder, Hendrik V.; Hupatz, Henrik; Achazi, Andreas J.; Sobottka, Sebastian; Sarkar, Biprajit; Paulus, Beate & Schalley, Christoph A.
  
• Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 2622-2637
  von Krbek, Larissa K. S.; Schalley, Christoph A. & Thordarson, Pall
  
• J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16389-16397
  Bandlow, Victor; Liese, Susanne; Lauster, Daniel; Ludwig, Kai; Netz, Roland R.; Herrmann, Andreas & Seitz, Oliver
  
• Pentafluorophosphate derivative, its uses and an appropriate manufacturing method. EP 17190937.7, 2017
  J. Rademann, S. Wagner and M. Accorsi
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 14121-14124
  von Krbek, Larissa K. S.; Roberts, Derrick A.; Pilgrim, Ben S.; Schalley, Christoph A. & Nitschke, Jonathan R.
  
• Coating compound and coating arrangement. Deutschland Pat., EP3263623A1, 2018
  R. Haag, M. Weinhart, Q. Wei and L. Yu
  
• Nanoscale, 2018, 10, 21425-21433
  Schröder, Hendrik V.; Mekic, Amel; Hupatz, Henrik; Sobottka, Sebastian; Witte, Felix; Urner, Leonhard H.; Gaedke, Marius; Pagel, Kevin; Sarkar, Biprajit; Paulus, Beate & Schalley, Christoph A.
  
• Small, 2018, 14, 1800189
  Donskyi, Ievgen; Drüke, Moritz; Silberreis, Kim; Lauster, Daniel; Ludwig, Kai; Kühne, Christian; Unger, Wolfgang; Böttcher, Christoph; Herrmann, Andreas; Dernedde, Jens; Adeli, Mohsen & Haag, Rainer
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 3496-3500
  Schröder, Hendrik V.; Stein, Felix; Wollschläger, Jan M.; Sobottka, Sebastian; Gaedke, Marius; Sarkar, Biprajit & Schalley, Christoph A.
  
• Biophys. J., 2019, 116, 1037-1048
  Reiter-Scherer, Valentin; Cuellar-Camacho, Jose Luis; Bhatia, Sumati; Haag, Rainer; Herrmann, Andreas; Lauster, Daniel & Rabe, Jürgen P.
  
• Computation, 2019, 7
  Erlekam, Franziska; Igde, Sinaida; Röblitz, Susanna; Hartmann, Laura & Weber, Marcus
  
• Nano Letters, 2019, 19, 1875-1882
  Müller, Matthias; Lauster, Daniel; Wildenauer, Helen H. K.; Herrmann, Andreas & Block, Stephan
  
• Small, 2019, 15, 1805430
  Guday, Guy; Donskyi, Ievgen S.; Gholami, Mohammad Fardin; Algara‐Siller, Gerardo; Witte, Felix; Lippitz, Andreas; Unger, Wolfgang E. S.; Paulus, Beate; Rabe, Jürgen P.; Adeli, Mohsen & Haag, Rainer
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2020
  Achazi, Katharina; Haag, Rainer; Ballauff, Matthias; Dernedde, Jens; Kizhakkedathu, Jayachandran N.; Maysinger, Dusica & Multhaup, Gerd
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2020
  Bachem, Gunnar; Wamhoff, Eike‐Christian; Silberreis, Kim; Kim, Dongyoon; Baukmann, Hannes; Fuchsberger, Felix; Dernedde, Jens; Rademacher, Christoph & Seitz, Oliver
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 12417-12422
  Bhatia, Sumati; Hilsch, Malte; Cuellar‐Camacho, Jose Luis; Ludwig, Kai; Nie, Chuanxiong; Parshad, Badri; Wallert, Matthias; Block, Stephan; Lauster, Daniel; Böttcher, Christoph; Herrmann, Andreas & Haag, Rainer
  
• Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 8776-8785
  Mikolajczak, Dorian J.; Berger, Allison A. & Koksch, Beate
  
• J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 12181-12192
  Cuellar-Camacho, Jose Luis; Bhatia, Sumati; Reiter-Scherer, Valentin; Lauster, Daniel; Liese, Susanne; Rabe, Jürgen P.; Herrmann, Andreas & Haag, Rainer
  
• Langmuir, 2020, 36, 4827-4834
  Schmudde, Madlen; Grunewald, Christian; Risse, Thomas & Graf, Christina
  
• Nano Lett., 2020, 20, 5367-5375
  Nie, Chuanxiong; Stadtmüller, Marlena; Yang, Hua; Xia, Yi; Wolff, Thorsten; Cheng, Chong & Haag, Rainer
  
• Nat. Nanotechnol., 2020, 15, 373–379
  Lauster, Daniel; Klenk, Simon; Ludwig, Kai; Nojoumi, Saba; Behren, Sandra; Adam, Lutz; Stadtmüller, Marlena; Saenger, Sandra; Zimmler, Stephanie; Hönzke, Katja; Yao, Ling; Hoffmann, Ute; Bardua, Markus; Hamann, Alf; Witzenrath, Martin; Sander, Leif E.; Wolff, Thorsten; Hocke, Andreas C.; Hippenstiel, Stefan; ... & Hackenberger, Christian P. R.