Investigations into enzymatic transglycosylation reactions for the synthesis of glycoconjugates and glyco-functionalized polyphenols

• Untersuchung enzymatischer Transglykosylierungsreaktionen zur Synthese von Glykokonjugaten und Glyko-funktionalisierter Polyphenole

Hoffmann, Marius; Elling, Lothar (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Mit einer Vielzahl von Funktionen stellen Glykane das am häufigsten vorkommende der vier grundlegenden biologischen Makromoleküle (DNA, RNA, Proteine und Glykane) dar. Neben ihrer Bedeutung als Strukturelemente und im Stoffwechsel nehmen sie eine wichtige Rolle bei der Übertragung zellulärer Informationen ein. Trotz des steigenden Aufkommens glykombezogener Forschung in der Wissenschaft während der letzten Jahrzehnte bleibt ein großer Teil des Glyko-Codes unerforscht. Dies ist weitgehend auf einen Mangel an definiertem Probenmaterial zurückzuführen. Die enzymatische Synthese von Glykanen mithilfe einer Auswahl natürlicher und künstlicher Katalysatoren kann helfen, diese Lücke zu schließen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Glykosylierung von Aglykon-Akzeptorsubstraten für die Erhöhung der Bioaktivität von Effektormolekülen oder als Bausteine für den Aufbau glykanpräsentierender Makromoleküle. Der erste Abschnitt richtet sich an den steigenden Bedarf nach einer maßgeschneiderten synthetischen Flavonoidglykosylierung. Vier Enzyme pflanzlichen und bakteriellen Ursprungs mit unterschiedlichen Regiospezifitäten werden rekombinant hergestellt und ihre jeweiligen Reaktionen analysiert. Im Zuge dieses Prozesses wird eine auf Multipex-Kapillarelektrophorese basierende analytische Methode für die Analyse der Glykosylierung von Flavonoiden und verwandten Polyphenolen im 96-Well-Format erstellt und validiert. Ein Substratscreening der Makrolid-Glykosyltransferase SorF aus Sorangium cellulosum ergab ein Spektrum von Polyphenolen, das auf eine mögliche Anwendung dieses Enzyms in der Glykodiversifizierung kleiner Moleküle hinweist. Die hyperthermophilen Eigenschaften der Glykosidase PwGly aus P. furiosus und ihre Anwendung bei der Glykosylierung von Acrylaten und aminfunktionalisierten Alkanolen sind Schlüsselaspekte des zweiten Abschnitts. Die bemerkenswerten Eigenschaften des Enzyms im Hinblick auf die Synthesebedingungen werden analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend bei der Synthese von galaktofunktionalisierten Acrylaten im 100-mL-Maßstab in die Praxis umgesetzt. Hohe Produktionsausbeuten und ein effizientes Reinigungsverfahren ermöglichen den Zusammenbau der Galaktomonomere zu galaktosepräsentierenden Polymeren mit einer einstellbaren Menge an eingebauten Zuckern. Die gewonnenen Glykopolymere stellen geeignete multivalente Bindungspartner für das Lektin RCA120 dar. Die Vielseitigkeit von PwGly wird bei der Glykosylierung aminfunktionalisierter Alkanole weiter beleuchtet. Darüber hinaus wird die Glykosynthase BgaC Glu233Gly in der Synthese des azidfunktionalisierten pankarzinomischen Thomsen-Friedenreich Antigens (TF-Ag) eingesetzt. Die anschließende Kopplung des Disaccharids mit BSA über eine Cu2+-katalysierte Alkin-Azid-Cycloaddition ergibt TF-Ag-präsentierende Neoglykoproteine, deren Eigenschaften als neue Gal-3-Bindungspartner untersucht werden. Die vorgestellten Ergebnisse heben die Rolle von Enzymkatalysatoren in der synthetischen Glykotechnologie hervor. Die Resultate stellen den ersten Schritt in Richtung einer rational gesteuerten Effektorverbesserung durch maßgeschneiderte Glykosylierung dar und legen durch eine effiziente Bereitstellung funktionalisierter Bausteine die Grundlage für den Aufbau multivalenter glykanpräsentierender Makromoleküle.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Biomaterialien [162820]