Entwicklung von Naturstoffderivaten für die fluorimetrische DNA-Detektion in Zellen

• Antragsteller: Professor Dr. Heiko Ihmels; Professor Dr. Holger Schönherr
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453712865

Die Anfärbung von Nucleinsäuren mit organischen Farbstoffen ist ein wesentlicher Bestandteil der fluorimetrischen Untersuchung von Zellen und stellt vielfältige hohe Ansprüche an die verwendeten Materialien und Methoden, so dass diesbezüglich ein großer Bedarf an neuartigen Fluorophoren besteht. Unter anderem müssen dabei die geringe Wasserlöslichkeit und die eingeschränkte Zellpermeabilität synthetischer organischer Fluoreszenzsonden überwunden werden, die für eine Anwendung hinderlich sind. In diesem Forschungsvorhaben soll daher untersucht werden, ob Fluoreszenzsonden, die von Naturstoffen abgeleitet sind, eine deutlich verbesserte Biokompatibilität aufweisen, die durch die biogene Herkunft des Naturstoffs gewährleistet sein soll. Aufbauend auf unseren Vorarbeiten sollen Naturstoffderivate identifiziert werden, die vom Chinoliziniumgrundkörper abgeleitet sind, wie beispielsweise Berberin- und Sempervirinalkaloide, und ein ähnliches Emissionsverhalten wie anellierte Chinoliziniumfluorphore zeigen. Durch Strukturvariationen soll systematisch eine Serie von Derivaten zugänglich gemacht werden, deren photophysikalische Eigenschaften und deren Eignung als DNA-sensitive Fluoreszenzsonden mithilfe von spektroskopischen Methoden und konfokaler und hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie detailliert untersucht werden. Insbesondere sollen die Faktoren herausgearbeitet werden, die eine stark bindende und selektive Wechselwirkung der Substrate mit Nucleinsäuren und eine damit einhergehende signifikante Änderung der Fluoreszenzeigenschaften verursachen, so dass eine eindeutige und empfindliche Detektion ermöglicht wird. Darüber hinaus soll überprüft werden, ob die Kombination der besonderen photophysikalischen und DNA-bindenden Eigenschaften der anvisierten Fluoreszenzsonden ebenfalls zur Charakterisierung der unmittelbaren chemischen Umgebung der DNA-Bindungstasche genutzt werden kann, wenn ein weiterer umgebungsempfindlicher Substituent eingeführt wird. Zu diesem Zweck sollen hydroxysubstituierte Liganden identifiziert werden, die einen effizienten, fluoreszenzspektroskopisch messbaren Protonentransfer im angeregten Zustand eingehen. Diese starken Photosäuren sollten gut geeignet sein, um die unmittelbare chemische Umgebung des DNA-gebundenen Liganden durch die fluorimetrische Verfolgung der intermolekularen Protonentransferreaktion mit dem umgebenden Medium zu charakterisieren. Die daraus erhaltenen Daten sollen dann erstmals für die orts- und zeitaufgelöste fluorimetrische Bestimmung der Mobilität und der Konzentration von freien oder gebundenen Wassermolekülen in der DNA-Hydrathülle, sowohl in gellierten und hydrogelartigen Medien als Modellsystemen als auch in Zellen, genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen