Untersuchung der Fragmentationswege von Zuckern für klinische Glykomik

• Antragsteller: Niklas Geue, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Biochemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559720072

Änderungen in der Zuckerzusammensetzung sind bei Menschen und Tieren oft mit Krankheiten verbunden. Glykomik ist ein Forschungsbereich, der das Ziel hat, die Struktur dieser Glykane zu entschlüsseln. Technisch wird dies normalerweise durch kontrollierte kollisionsinduzierte Dissoziation größerer Oligosaccharide in Fragmente erreicht, deren Masse in einem Massenspektrometer gemessen wird. Bis heute sind die zugrunde liegenden Fragmentierungsmechanismen jedoch nur schlecht verstanden, was auf die strukturelle Komplexität von Zuckern im Allgemeinen und insbesondere auf ungewöhnliche Umlagerungsreaktionen und die Bildung von internen Fragmenten zurückzuführen ist. Die Vorhersagbarkeit der Zuckerdissoziation im Massenspektrometer ist daher äußerst erstrebenswert und würde Glykomik von einer Expertentechnik zu einer allgemein anwendbaren Methode verwandeln, die auch von Nicht-Spezialisten benutzt werden kann. Diese Fragestellung wird in hier mithilfe einer Reihe moderner experimenteller und theoretischer Techniken bearbeitet. Strukturell ähnliche humane Milch-Oligosaccharide und O-Glykane werden mit verschiedenen chromatographischen Methoden, Festphasenextraktion sowie chemischen und enzymatischen Modifikationen gereinigt and verändert. Die Glykane werden dann der kollisionsinduzierten Dissoziation zur Fragmentierung unterzogen, wobei ihre Stabilität quantifiziert wird, was zu einer ersten Glykanfragment-Datenbank führt. Zur Aufklärung der Strukturen der Fragmente wird ein Prototyp eines Ionenmobilitäts-Massenspektrometers verwendet, das mit einer kryogenen Ionenfalle für Gasphasen-Infrarot-Spektroskopie-Experimente modifiziert wurde. Die Masse, Ladung, Größe und Form sowie die Gasphasen-Infrarot-Spektren der erhaltenen Glykanfragmente werden gemessen, und diese Daten charakterisieren die Fragmente vergleichbar zu Fingerabdrücken. Kandidatenstrukturen, die mit der Dichtefunktionaltheorie optimiert wurden, werden mit den experimentellen Daten abgeglichen, und die resultierenden strukturellen Zuordnungen offenbaren Details der zugrundeliegenden Glykan-Dissoziationsmechanismen. Eine vollständige experimentelle und theoretische Datenbank wird verwendet um einen Random-Forest-Algorithmus zu trainieren, der die Fragmentierungswege ähnlicher, aber unbekannter Glykane vorhersagt. Die experimentelle Validierung der vorhergesagten Fragmentstrukturen demonstriert die Robustheit dieses Algorithmus, und öffnet die Tür zu einer allgemeineren Anwendung dieses analytischen Workflows im klinisch-hochrelevanten Gebiet der Glykanfragmentierungen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle