Flusschemie basierte Synthesestrategien zu LPS-Substrukturen

Das Lipopolysaccharid (LPS) stellt den äußeren Teil der Zellmembran Gram-negativer pathogener Bakterien dar. Langkettige Zucker wie Heptosen mit sieben Kohlenstoffatomen und Oktulosonsäuren (Kdo, Ko) mit acht Kohlenstoffatomen dominieren den bei vielen Bakterienstämmen stark konservierten inneren Bereich des LPS und sind damit für wichtige Wechselwirkungen mit dem angeborenen und adaptiven Immunsystem des Wirts verantwortlich. Die chemische Synthese dieser Zucker und ihrer Oligomere ist bedeutend schwieriger als die der verbreiteten käuflich erhältlichen Hexosen und Pentosen. Im letzten Jahrzehnt wurde auf Basis fortschreitender Miniaturisierungstechnik die Flusschemie in Mikroreaktoren methodisch und apparativ stark weiterentwickelt und stellt ein großes Wachstumsfeld in der chemischen Syntheselandschaft dar; trotzdem ist sie noch primär in der Hand von Spezialisten. Verglichen mit dem konventionellen Batch-Verfahren kann überlegene Kontrolle über wesentliche Parameter wie Temperatur, Druck, sehr kurze Reaktionszeiten sowie die Stöchiometrie der Reaktanden erreicht werden. Die Miniaturisierung der Reaktoren auf Volumina von wenigen L sowie die mögliche Automatisierung von Experimentabläufen erlaubt raschere Optimierung von Reaktionsbedingungen mit minimalem Materialaufwand an (wertvollem) Ausgangsmaterial aber damit auch eine Verminderung von Abfall, Energie und Kontakt mit gefährlichen Chemikalien. Es wird erwartet, dass diese neue Technologie nunmehr auch maßgeblich zur Lösung anstehender Probleme im Bereich der Synthese von Glykosiden und Oligosacchariden beitragen wird. Das zentrale Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Erprobung einer allgemein anwendbaren Synthesestrategie zur vollständigen Differenzierung aller Hydroxygruppen der beiden wichtigsten Heptosen sowie zweier Oktulosonsäuren durch selektive Einführung und Abspaltung geeigneter Schutzgruppen. Das Synthesekonzept basiert gezielt auf der Anwendung der neuen Möglichkeiten, die Flusschemie in automatisierten Mikroreaktoren bietet. Eine ideale Umgebung für eine solche Untersuchung stellt das Labor von Prof. Baxendale, einem der weltweit anerkannten Pioniere in der Entwicklung von flusschemischen Methoden und neuem Equipment, dar. Die so hergestellten Synthesebausteine werden in der Synthese ausgewählter Oligoheptosidstrukturen aus Burkholderien, einem pathogenen Keim der Lunge, getestet. Die Zielverbindungen, die auch ein im LPS fast aller Enterobakterien enthaltenes Trisaccharid beinhalten, werden in der Folge als Liganden für Röntgenstrukturuntersuchungen, STD-NMR-Messungen und in Lektin Bindungsstudien eingesetzt und somit dazu beitragen wichtige Daten über die Struktur-Wirkungsbeziehung von LPS-Substrukturen und der Bakterien- Wirt-Interaktion zu erarbeiten.

Im Licht steigender Antibiotikaresistenzen wird die Suche nach neuen Mitteln im Kampf gegen bakterielle Infektionen immer dringlicher. In diesem Zusammenhang stellt das so genannte Lipopolysaccharide (LPS) Gram negativer Bakterien ein interessantes Target dar, da mannigfaltige Wechselwirkungen des LPS mit dem Immunsystem des Wirts bekannt sind und Bakterien ohne intaktem LPS nur eingeschränkt lebensfähig sind. Der so genannte inner core Bereich des LPS ist chemisch hoch konserviert und besteht aus einigen wenigen so genannten bakteriellen Zuckern, z.B. L-glycero-D-manno Heptose (LD-Heptose). Daher werden LD-Heptose beinhaltende LPS Teilstrukturen im Labor nachgebaut um für immunologische Tests zur Verfügung zu stehen. Ein großes Problem stellte bisher die Tatsache dar, dass LD-Heptose weder kommerziell erhältlich noch einfach herzustellen war, was eine zusätzliche Eintrittshürde in das komplexe Feld der Oligoheptosid-Synthese darstellte.Im Rahmen dieses Projektes ist es nun geglückt, die erste kurze (2 bzw. 4 Schritte) und praktische Synthese (ohne Säulenchromatographie) von LD-Heptose und einer kristallinen, stabilen Lagerform (LD-Heptose peracetat) zu entwickeln. Darauf aufbauend konnte eine chemische Methode entwickelt werden, um aus Heptoseperacetat in schneller und variabler Weise eine Vielzahl an Glykosylakzeptoren und -donoren zu synthetisieren, die für den Zusammenbau entsprechender Oligosaccharide benötigt werden. Wir sind überzeugt, dass die stark vereinfachte Herstellbarkeit und erwiesene vielfältige Verwendbarkeit von LD-Heptoseperacetat diese zu einer wertvollen Ausgangstufe für zukünftige Synthesen im Bereich komplexer LPS-Substuren machen wird.Ausgegliedert davon wurde eine detaillierte Studie zur Indium mediierten Kettenverlängerung von Aldosen durchgeführt, die als Kernschritt obiger Synthese Voraussetzung für den Fortschritt war. Wir sind überzeugt somit auch anderen Forschern das volle Potential dieser wertvollen, aber weitgehend vernachlässigten, Transformation, nutzbar zu machen.