Neue Entdeckung in Richtung Zucker-Origami

Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPICI) haben eine Kohlenhydratsequenz entworfen, die sich zu einer stabilen Sekundärstruktur falten kann.

Bisher wurden solche selbstfaltenden Biopolymere nur für DNA und Proteine ​​entwickelt, und Zucker galten bisher als zu flexibel, um eine stabile Konformation anzunehmen. Gefaltete Kohlenhydrate könnten völlig neue Perspektiven in der Biomedizin und Materialwissenschaft eröffnen.

Kohlenhydrate machen etwa 80 % der Biomasse der Erde aus – die Hälfte an Land und die andere Hälfte im Meer. Dennoch sind ihre Materialeigenschaften noch recht unzureichend verstanden. Die Forscher um Dr. Martina Delbianco von der Abteilung Biomolekulare Systeme interessieren sich dafür, wie sich Polysaccharide, also lange Zuckerketten, falten und zu Materialien zusammenfügen. Sie haben beispielsweise herausgefunden, wie sich einzelne Glukoseketten zu Zellulose verbinden, dem Hauptbestandteil von Pflanzen.

Mit diesem Wissen entwickeln sie nun nicht-natürliche Kohlenhydrate. Ihre Arbeit ist von der Peptidforschung (kurze Proteine) inspiriert. Das Wissen über natürliche Proteine ​​wurde genutzt, um synthetische Peptidsequenzen zu entwerfen, die programmierbare 3D-Formen annehmen und bestimmte Funktionen ausführen können. Dieser Ansatz eröffnete viele Möglichkeiten, beispielsweise in der Arzneimittelproduktion und der Nanotechnologie. Kohlenhydrate bieten aufgrund ihrer größeren Häufigkeit und Vielfalt im Vergleich zu Peptiden noch mehr Möglichkeiten.

In ihrem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel NaturchemieDr. Delbianco und ihr Team zeigten, dass es möglich ist, Glykane zu entwerfen, die in wässriger Lösung eine bestimmte stabile Konformation annehmen. Sie verknüpften natürliche Zuckermotive zu einer Form, die es in der Natur nicht gibt: einer Haarnadel. In einem Lego-ähnlichen Ansatz verbanden sie zwei lineare Zellulosestäbe (in Blau) mit einer starren Glykan-Schleife (in Grün), um eine neue, nicht-natürliche Form zu erhalten.

„Kohlenhydrate können mit programmierbaren Formen erzeugt werden, was die Möglichkeit eröffnet, Glykanen neue Eigenschaften und Funktionen zu verleihen“, sagt Dr. Martina Delbianco. Die Struktur wurde schnell mithilfe von „Automated Glycan Assembly“ (AGA) hergestellt, einem Verfahren, bei dem Monosaccharide in einem automatisierten Synthesizer verbunden werden, um maßgeschneiderte Polysaccharidsequenzen zu erzeugen. Um die 3D-Struktur aufzudecken, nutzte Dr. Delbiancos Gruppe eine Vielzahl analytischer Techniken.

Darüber hinaus arbeiteten internationale Forscher wie Prof. Jesús Jiménez-Barbero von CIC BioGUNE mit Dr. Martina Delbianco zusammen. „Die 3D-Struktur eines Biomoleküls bestimmt seine Funktion. Das könnte beispielsweise bedeuten, dass wir in Zukunft gefaltete Zucker als Arzneimittel, als Katalysatoren für chemische Umwandlungen oder als Struktureinheiten für die Herstellung von Nanomaterialien verwenden“, sagt Dr. Martina Delbianco.