PNA-vermittelte Peptidligation (SPP 1623)

Die Synthese funktionalisierter Biomoleküle, beispielsweise Peptide oder Proteine, ist ein Schlüsselschritt zu einem besseren Verständnis ihrer Struktur und Funktion im biologischen System und bei der Entwicklung klinisch relevanter Biomoleküle. Während die Natur im Laufe vieler Millionen Jahre Makromoleküle als Template zur gezielten Umwandlung von Biomolekülen auch in geringen Konzentrationen und in der Gegenwart anderer Funktionalitäten entwickelt hat, müssen Chemiker die Reaktionspartner sorgfältig auswählen und zur Reaktion bringen. Die Entwicklung neuer, selektiver Reaktionen zur Synthese funktionalisierter Biomoleküle erfordert viel Zeit und Mühe. Die Entdeckung diverser bioorthogonaler Reaktionen war ein wichtiger Schritt für die selektive Funktionalisierung von Biomolekülen. Ein weiterer erfolgversprechender Weg nimmt sich die Natur zum Vorbild und verwendet Templat-Moleküle, welche Reaktionen ermöglichen können, die sonst nicht oder nur langsam ablaufen.

PNA (Peptid-Nucleinsäure) ist ein chemisch synthetisiertes Molekül, welches mit seinem pseudo-Peptid-Rückgrat und den entsprechenden Nucleobasen die DNA nachahmt. PNA-Moleküle eignen sich hervorragend als Templat-Moleküle in der Peptidchemie, da sie eine geringe Toleranz gegenüber Fehlpaarungen aufweisen und zwei PNA-Moleküle genau wie DNA eine stabile Doppelhelix ausbilden können.

Das Projekt ist Teil des DFG-geförderten Schwerpunktprogramms “Chemoselective reactions for the synthesis and application of functional proteins” und wird in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. H. Kolmar von der TU Darmstadt bearbeitet.^[1]

Im Rahmen der aktuellen Förderungsperiode verwenden wir photoabspaltbare PNA-Moleküle als Template zur Synthese nativer oder Fluoreszenz-markierter Peptide. Zu diesem Zweck werden PNA und Peptid mit einem photolabilen Linker verbunden. Die Basenpaarung zwischen den so entstandenen PNA/Peptid-Hybriden bringt die reaktiven Moleküle in den Seitenketten der Peptide in räumliche Nähe und ermöglicht so eine Ligationsreaktion. Das gewünschte Produkt kann schließlich mittels Bestrahlung von den PNA-Templaten abgespalten werden.^[2]

Abb. 1: PNA-vermittelte Native Chemische Ligation.

Abb. 2: PNA-vermittelte Peptidligation zur Synthese Fluoreszenz-marktierter Peptide. Die Peptide warden mit den nicht-fluoreszierenden Molekülen A und B in ihren Seitenketten funktionalisiert. Die Basenpaarung der PNA-Moleküle bringt sie in räumliche Nähe und ermöglicht so die Ligationsreaktion, welche zur Bildung eines fluoreszierenden Moleküls als Linker zwischen den beiden Peptiden führt.

• C. Nadler, A. Nadler, C. Hansen, U. Diederichsen, Eur. J. Org. Chem. 2015, 3095.
• V. Siegmund, S. Schmelz, S. Dickgiesser, J. Beck, A. Ebenig, H. Fittler, H. Frauendorf, B. Piater, U. A. K. Betz, O. Avrutina, A. Scrima, H.-L. Fuchsbauer, H. Kolmar, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13420.
• S. Hörner, C. Uth, O. Avrutina, H. Frauendorf, M. Wiessler, H. Kolmar, Chem. Commun. 2015, 51, 11130.