Eine Toolbox promiskuitiver Immobilisierungstrategien für die chemoproteomische Aufklärung des Zielspektrums von Naturstoffen (PromisChemProt)

• Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Küster, seit 10/2022
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452256511

Naturstoffe entwickelten sich zum Nutzen ihrer Produzenten: Im Gegensatz zu synthetischen Verbindungen wurden sie evolutionär optimiert, um mit biologischen Zielstrukturen zu interagieren. Naturstoffe bergen eine strukturelle Vielfalt mit innovativem Potential für die chemische Biologie und (z.B. anti-onkogene) Wirkstoffforschung. Interagierende Proteine können an essentiellen zellulären Prozessen anderer Organismen beteiligt sein, und sind eventuell noch nicht als therapeutische Wirkstoffziele validiert. Meist ist völlig unklar, welche zellulären Komponenten betroffen sind und zu dem beobachteten Phänotyp führen. Die Aufklärung des molekularen Zielspektrums ist daher unerlässlich, um die beobachteten Phänotypen für die Entwicklung i) neuer Chemotypen und/oder ii) neuer biologischer Angriffspunkte zu nutzen. Die Erforschung dieser Zusammenhänge ist schwierig, da generische Untersuchungsansätze mit zellulärer Komplexität fehlen. Um das Zielspektrums eines Moleküls umfassend zu charakterisieren, werden meist chemisch synthetisierte und immobilisierbare Analoga in Kombination mit chemoproteomischen Methoden eingesetzt. Allerdings sind Naturstoffe oft schwer zu synthetisieren, was ihre Erforschung, z.B.über affinitätsbasierte Methoden, erschwert. Im beantragten Projekt soll eine robuste chemoproteomische Strategie entwickelt werden, die eine Aufklärung der Zielproteine beliebiger Naturstoffe ohne synthetisch hergestellte Analoga ermöglicht: Es wird eine Toolbox chemischer Strategien entwickelt, um kleine Mengen unveränderter Naturstoffe auf Festphasen zu immobilisieren und diese somit chemoproteomischen Untersuchungen zugänglich zu machen. Die Ansätze basieren auf, z.B. Carben-Insertion mittels Diazirin-Reagenzien, Mitsunobu-Reaktion, goldkatalysierte Cycloaddition und Alkoxylierung sowie Enyn-Metathesis. Dadurch wird der zu untersuchende Naturstoff auf vielfältige Weise an Festphasen immobilisiert. Basierend auf unserer langjährigen Expertise im Bereich der chemischen Proteomik, werden wir diese neu generierten Affinitätsmatrizen für eine Anreicherung von Zielproteinen aus zellulären Lysaten nutzen, und durch quantitative Massenspektrometrie charakterisieren. Aufgrund des Reichtums an Alkenen und Alkoholfunktionalitäten in Naturstoffen gehen wir davon aus, dass mindestens eine der verwendeten Immobilisierungen eine mit dem Naturstoff:Protein Bindungsereignis kompatible Verbindung herstellen wird. Da eine solche günstige Verknüpfungsstelle für unbekannte Zielproteine nicht vorhergesagt werden kann, beruht unser Konzept auf der agnostischen parallelen Verwendung der beschriebenen chemischen Strategien, welche wir auf 40 antionkogene Naturstoffe anwenden werden. Jede neu identifizierte Naturstoff:Protein Interaktion kann einen verwertbaren Ausgangspunkt für künftige pharmazeutische Forschung bilden, bei der ein zunehmender Engpass an validierten Zielproteinen alternative Wege in der Wirksstoffforschung erfordert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Guillaume Médard, bis 9/2022