Forscher der National University of Singapore (NUS) haben ein neues biomimetisches Konzept entwickelt, um natürlich vorkommende Zucker ohne den Einsatz chemischer Schutzgruppen in verschiedene Klassen stabiler Glykoside und Glykoproteine umzuwandeln. Diese Innovation verspricht eine Beschleunigung der Kohlenhydratsynthese und der posttranslationalen Proteinmodifizierung und bietet potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Pharmazie, Kosmetik und Biotechnologie.
Das Forschungsteam wurde von Associate Professor Koh Ming Joo vom NUS Department of Chemistry geleitet, in Zusammenarbeit mit Professor Benjamin G. Davis vom Rosalind Franklin Institute und der University of Oxford, Großbritannien. Ihr Forschungsdurchbruch war veröffentlicht im Journal Natur am 19. Juni 2024.
Kohlenhydrate spielen in biologischen Prozessen eine unverzichtbare Rolle, und durch einfaches Anfügen einer Glykosylgruppe werden ihnen oft erwünschte Funktionen hinzugefügt. Aufgrund ihrer Bedeutung wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um diese Kohlenhydrate und ihre Derivate zu synthetisieren, um ihre Eigenschaften und Funktionen besser zu verstehen und um Medikamente auf Zuckerbasis, Hautpflegezutaten und andere wertvolle Produkte zu entwickeln.
Insbesondere C-Glycosylverbindungen haben als metabolisch stabile und oft biologisch wirksamere Nachahmer von O-Glycosiden an Bedeutung gewonnen.
Die chemische Synthese von C-Glycosylverbindungen war jedoch traditionell mit der Notwendigkeit mehrstufiger Schutzgruppenstrategien und harscher Bedingungen behaftet, die übermäßig viel Abfall erzeugen. Dies liegt daran, dass native Zucker mehrere Hydroxylgruppen mit ähnlicher Reaktivität enthalten, was eine selektive Reaktion mit ihnen ohne Verwendung von Schutzgruppen schwierig macht. Die praktischen Ineffizienzen dieser Ansätze haben ihre Verwendung in der synthetischen Glykochemie und unter Bedingungen, die eine hohe Biokompatibilität erfordern, viele Jahre lang eingeschränkt.
Assoziierter Professor Koh sagte: „Viele Forschungsgruppen, darunter auch unsere, haben unermüdlich versucht, einen chemischen Glykosylierungsansatz ohne Schutzgruppen zu entwickeln, mit dem native Zucker durch selektive Funktionalisierung an der anomeren Position direkt in die gewünschten Glykoside umgewandelt werden können. Dies hat sich jedoch als äußerst schwierig erwiesen.“
Von der Natur inspirierte „Cap and Glycosylate“-Technologie
Enzyme, die als Glykosyltransferasen bekannt sind, sind hochqualifiziert darin, ortsselektive Glykosylierungen am anomeren Kohlenstoff zu vermitteln, ohne die verbleibenden Hydroxylgruppen schützen zu müssen. Die Forscher orientierten sich an der Natur und entwickelten einen biomimetischen chemischen Ansatz, der bevorzugt die anomere Hydroxylgruppe in einem nativen Zucker aktiviert und durch ein nukleophiles Thiol ersetzt (ein Prozess, der als Capping bezeichnet wird).
Dadurch entsteht ein temporäres Thioglycosid-Zwischenprodukt, das unter photoinduzierten Bedingungen eine stereokontrollierte desulfurierende Kreuzkupplung mit einem geeigneten Reagenz durchläuft (ein Prozess, der als Glykosylierung bezeichnet wird). Ähnlich wie in der Natur werden mit dieser „Cap and Glycosylate“-Strategie native Zucker in einem einzigen Vorgang in Glykoside umgewandelt.
Um die breite Anwendbarkeit dieser Technologie zu demonstrieren, synthetisierten die Forscher dicht funktionalisierte C-Glycosyl-, S-Glycosyl-, Se-Glycosyl- und O-Glycosyl-Verbindungen. Über die Glykosylierung kleiner Moleküle hinaus kann die Methode auf komplexe Biomoleküle ausgeweitet werden.
Bisher war die posttranslationale chemische Glykosylierung von Proteinen durch direkte anomere Funktionalisierung nativer Zucker eine Herausforderung und weitgehend unerforscht. In der neuen Arbeit wurde die C-Glykosylierung von vier Proteinen unterschiedlicher Größe und Faltung erfolgreich durchgeführt, was die Leistungsfähigkeit des „Cap and Glycosylate“-Ansatzes unterstreicht.
Prof. Davis sagte: „Unsere Gruppe hat mehrere Jahre damit verbracht, die Idee zu erforschen, Informationen in biologische Moleküle wie Proteine und Zucker einzufügen, um deren Funktion zu verändern. Eines der Dinge, die wir herausgefunden haben, ist, dass kohlenstoffzentrierte Radikale wunderbar nützliche und dennoch harmlose reaktive Zwischenprodukte sind, um neue chemische Reaktionen in biologischen Systemen zu erreichen.“
„In dieser Forschung versuchen wir, durch die Erzeugung freier Glykosylradikale als Zwischenprodukte direkt aus nativen Zuckern nachzuahmen, was in der Biologie geschieht, um die Synthese dieser Glykoside und Glykoproteine weitaus effizienter zu gestalten. Diese effiziente ‚Ernte‘ nativer Zucker, die direkt in neue Glykokonjugate eingebaut werden kann, hat das Potenzial, eine Reihe verschiedener Möglichkeiten zu eröffnen, darunter die Entwicklung verschiedener Therapeutika auf Zuckerbasis.“
„Wir sind davon überzeugt, dass diese biomimetische ‚Cap and Glycosylate‘-Technologie den Weg zur Modernisierung der Kohlenhydrat- und Glykokonjugatsynthese ohne den Einsatz von Schutzgruppen ebnen würde. Dies würde enorme Kosten-, Zeit- und Arbeitsersparnisse mit sich bringen, Forschern einen schnellen Zugang zu Sacchariden ermöglichen und eine praktische Plattform für die Einführung völlig ungeschützter Glykosylgruppen in biologische Systeme bieten“, fügte Assoc Prof Koh hinzu.
Mehr Informationen:
Yi Jiang et al, Direkte radikalische Funktionalisierung von nativen Zuckern, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07548-0