Entwicklung von Naturstoffderivaten für die fluorimetrische DNA-Detektion in Zellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorliegende Projekt befasste sich mit der Entwicklung von neuartigen, von Naturstoffen abgeleitete Fluoreszenzsonden für die Detektion von Nucleinsäuren. Die zugrunde liegenden Naturstoffstrukturen sollten die notwendige Biokompatibilität für die DNA-Detektion in Zellen unterstützen. Zu diesem Zweck wurden die Grundstrukturen von Protoberberin- und β-Carbolinalkaloiden synthetisch so modifiziert, dass die resultierenden Derivate eine sehr geringe Fluoreszenzintensität aufweisen, die bei Bindung an DNA deutlich ansteigt. Berberin- und Harmanstrukturen wurden an verschiedenen Positionen funktionalisiert, und vielversprechende Derivate dieser Reihen wurden für die fluorimetrische Zellanalyse weiter untersucht. Die arylsubstituierten Derivate zeigten geringe Fluoreszenzquantenausbeuten aufgrund der Deaktivierung des angeregten Zustands durch Rotation um die Biarylachse. Die Emissionsintensität nahm hingegen bei der Komplexierung mit DNA zu, insbesondere bei den methoxysubstituierten Derivaten. Letztere ermöglichten die Anfärbung von Nukleolen in eukaryotischen Zellen. Ein Berberinderivat wies einen Aufleuchteffekt ausschließlich im Zellkern in fixierten Zellen auf, so dass es als Indikator für den Zelltod verwendet werden kann. Im Gegensatz dazu zeigte ein aminosubstituiertes Berberinderivat pH- und DNA-abhängige Fluoreszenzeffekte. Die geringe Emissionsintensität nahm bei Assoziation mit DNA unter neutralen Bedingungen nicht zu, während bei pH 5 die Bindung an Quadruplex-DNA einen Aufleuchteffekt verursachte. Reihen von auf Coralyn basierenden Chinoliziniumionen wurden als multifunktionale Fluoreszenzsonden untersucht. Es wurde ein aminosubstituiertes Derivat identifiziert, das in Pufferlösung nicht fluoreszierend ist, aber bei Assoziation mit Duplex-DNA, Quadruplex- DNA, RNA und BSA unterschiedliche Effekte zeigte, was die fluorimetrische Differenzierung dieser Analyten ermöglichte. Daher wurde dieser Farbstoff für die Analyse des Zellkerns mittels Epifluoreszenz- und Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebungsmikroskopie (FLIM) eingesetzt. Ebenso wurde die charakteristische Emission eines Aminochinoliziniums durch Reaktion des nicht fluoreszierenden nitrosubstituierten Vorläufers mit Nitroreduktase freigesetzt. Diese fluorogene Reaktion in der Enzymbindungsstelle wurde exemplarisch für den fluorimetrischen Nachweis der Reduktaseaktivität in E. coli verwendet und kann zur Bestimmung des Hypoxiestatus von Zellen verwendet werden. Stationäre und zeitaufgelöste photophysikalische Studien zeigten, dass hydroxysubstituierte Harmane für die fluorimetrische Verfolgung von Sonden-Wasser-Wechselwirkungen verwendet werden können. Die detaillierte Analyse der Wasserdynamik, insbesondere in der Mikroumgebung der DNA, kann mit diesen Farbstoffen jedoch nicht durchgeführt werden, da sie nicht die erforderliche empfindliche Balance zwischen der Acidität im Grundzustand und angeregten Zustand, den photophysikalischen Eigenschaften und der DNA-Bindung bieten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Synthesis and investigation of quadruplex-DNA-binding, 9-O-substituted berberine derivatives. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 16, 2795-2806.
Becher, Jonas; Berdnikova, Daria V.; Ihmels, Heiko & Stremmel, Christopher
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A Dimethylaminophenyl‐Substituted Naphtho[1,2‐b]quinolizinium as a Multicolor NIR Probe for the Fluorimetric Detection of Intracellular Nucleic Acids and Proteins. ChemPhotoChem, 5(12), 1079-1088.
Wickhorst, Peter Jonas; Druzhinin, Sergey I.; Ihmels, Heiko; Müller, Mareike; Sutera, Sardo Manlio; Schönherr, Holger & Viola, Giampietro
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Berberrubine Phosphate: A Selective Fluorescent Probe for Quadruplex DNA. Molecules, 26(9), 2566.
Wickhorst, Peter Jonas & Ihmels, Heiko
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Selective, pH‐Dependent Colorimetric and Fluorimetric Detection of Quadruplex DNA with 4‐Dimethylamino(phenyl)‐Substituted Berberine Derivatives. Chemistry – A European Journal, 27(33), 8580-8589.
Wickhorst, Peter Jonas & Ihmels, Heiko
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9-Nitrobenzo[b]quinolizinium as a fluorogenic probe for the detection of nitroreductase in vitro and in Escherichia coli. New Journal of Chemistry, 46(1), 39-43.
Wickhorst, Peter Jonas; Ihmels, Heiko; Lammert-Baumgartner, Melanie Marianne; Müller, Mareike & Schönherr, Holger
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Synthesis of Fluorescent, DNA-Binding Benzo[b]indolonaphthyridinium Derivatives by a Misguided Westphal Condensation. The Journal of Organic Chemistry, 87(6), 4010-4017.
Groß, Philipp & Ihmels, Heiko
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6‐Aryl‐Substituted Harmanium Derivatives as Light‐Up Probes for Fluorimetric DNA Detection and Staining of Eukaryotic Cells. ChemistryEurope, 2(1).
Groß, Philipp; Hoffmann, Renée S.; Müller, Mareike; Schönherr, Holger & Ihmels, Heiko
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Design of a pH-sensitive supramolecular fluorescent probe for selective cancer cell imaging. Dyes and Pigments, 217, 111366.
Xu, Pan; Zhou, Shixin; Druzhinin, Sergey I.; Schönherr, Holger & Song, Bo
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Fluorimetric Cell Analysis with 9‐Aryl‐Substituted Berberine Derivatives as DNA‐Targeting Fluorescent Probes. ChemBioChem, 25(2).
Groß, Philipp; Hoffmann, Renée S.; Müller, Mareike; Schönherr, Holger & Ihmels, Heiko
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RhIII-catalyzed synthesis and investigation of the DNA-binding properties of 11- and 13-substituted berberine derivatives. Arkivoc, 2023(7).
Groß, Philipp; Pithan, Phil M. & Ihmels, Heiko
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Analysis of individual nanoscale block copolymer vesicles by atomic force microscopy combined with time-resolved fluorescence microscopy. Pure and Applied Chemistry, 96(2), 223-239.
Schönherr, Holger; Druzhinin, Sergey I.; Handschuh-Wang, Stephan & Wesner, Daniel
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Spectroscopic Investigation of the Quadruplex DNA‐Binding Properties of 9‐Aryl‐Substituted Isoquinolinium Derivatives. ChemPhotoChem, 8(12).
Groß, Philipp; Druzhinin, Sergey I.; Schönherr, Holger & Ihmels, Heiko
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Studies About the Effect of Halogenated Solvents on the Fluorescence Properties of 9-Aryl-Substituted Isoquinolinium Derivatives – A Case Study. Journal of Fluorescence, 35(4), 2407-2414.
Groß, Philipp & Ihmels, Heiko
