Synthese von CMP-NulOs und Spezifizitätsstudie von NulOTs

Der Fokus dieses Projekts sind Kohlehydrate, die von Bakterien verwendet werden, um sich zu tarnen und um Entdeckung durch das menschliche Immunsystems zu vermeiden. Diese speziellen Verbindungen gehören zu der Familie der Nonulosonsäuren und sind bei manchen Arten von Bakterien auf der äußersten Hülle zu finden. Hier sind sie wichtig für verschiedene Aspekte: sie sind integrativer Teil der Zellhülle, sind Teil von Organellen wie Flagella oder zum Schutz von Biomolekülen. Bakterielle Nonulosonsäuren sind sehr ähnlich zu menschlichen Nonulosonsäuren und daher werden Bakterien, die diese Verbindungen auf der Außenhülle tragen, nicht vom menschlichen Immunsystem erkannt, was zu einer verringerten Abwehr von Pathogenen führt. Chronische Infektionen mit gefährlichen Folgen sind oft das Ergebnis. Ein wichtiger Aspekt von bakteriellen Nonulosonsäuren ist deren Modifikationen mit kleinen Anhängseln, welche man nicht im menschlichen Äquivalent findet. Es ist sehr wenig über die Rolle dieser Modifikationen, wie sie erstellt werden und auch wie sich diese in Bezug auf Pathogenität auswirken, bekannt. Bakterien, die Nonulosonsäuren tragen, sind mitunter die am gefährlichsten pathogenen Bakterien und manche sind zusätzlich auch resistent gegen gängige Antibiotika. Um neue antiinfektive Strategien gegen diese gefährlichen Keime zu entwickeln, wird dieses Projekt die Modifikationen an bakteriellen Nonuolosonsäuren und die Enzyme, die von Bakterien verwendet werden um Nonulosonsäuren auf Biomolekülen zu platzieren, erforschen. Bisherige Forschung hat sich auf unmodifizierte Nonulosonsäuren konzentriert. Daher wird im Rahmen dieses Projekts ein Portfolio an bakteriellen Nonulosonsäuren, die die gängigsten Modifikationen aufweisen, über chemische Synthese erstellt. Mit diesen Verbindungen soll anschließend die Eigenschaften, der in bakterieller Nonulosonsäurebiochemie wichtigen Enzyme, erforscht werden.

In diesem Projekt interessierten wir uns für die Erforschung synthetischer Wege zur Darstellung der bakteriellen Zucker Pseudamin- und Legionaminsäure. Wir entwickelten Syntheserouten, die eine späte Einführung von Substituenten ermöglichen sollten, sodass wir eine Reihe bakterieller Vertreter dieser Verbindungen herstellen konnten. Zu diesem Zweck synthetisierten wir geeignete Substrate mittels neuartiger Methoden und untersuchten anschließend verschiedene Additionsreaktionen. Diese Verbindungen sollten anschließend als Referenzsubstanzen für die Untersuchung multiresistenter Bakterien sowie als Leitstrukturen für eine potenzielle Impfstoffentwicklung dienen. Die Oberfläche aller Zellen - ob bakteriell, pflanzlich oder tierisch - ist mit komplexen, Zuckerstrukturen bedeckt. Dort sind sie an einer Vielzahl biologischer Prozesse beteiligt, darunter Zell-Zell-Kommunikation, Pathogenerkennung und Zell-Protein-Interaktionen. Beispiele für die Bausteine dieser Strukturen, die als Glykane bezeichnet werden, sind die Nonulosonsäuren (abgekürzt NulO), eine Gruppe von Zuckern, zu denen auch die Sialin- bzw. Neuraminsäuren gehören. Es handelt sich um die einzigen Neun-Kohlenstoff-Zucker, die in Prokaryoten und Wirbeltieren vorkommen. Sie sind häufig an Interaktionen an der Wirt-Pathogen-Grenzflächen beteiligt, einschließlich viraler Infektionen, sowie an Erkennungs- und Regulationsprozessen. Während Menschen und andere Tiere nur wenige Derivate der Neuraminsäure (Neu) aufweisen, verfügen bakterielle Pathogene über eine größere Vielfalt dieser Zucker, darunter ausschließlich bakteriell vorkommende Formen wie Legionaminsäure und Pseudaminsäure. Bakterielle NulOs können Pathogenen helfen, dem menschlichen Immunsystem durch molekulare Imitierung körpereigener Neuraminsäurestrukturen zu entgehen. Tatsächlich tragen zahlreiche multiresistente Bakterien NulOs auf ihren Glykostrukturen. Für diese Mikroorganismen sind diese einzigartigen Zucker entscheidend für ihre Pathogenität. Allerdings existieren bislang nur wenige Berichte, die die genauen molekularen Wechselwirkungen zwischen den Immunmechanismen von Säugetieren und bakteriellen NulOs detailliert beschreiben. Zur Untersuchung dieser Phänomene sind Synthesen wie die in diesem Projekt durchgeführten von zentraler Bedeutung, da sie dazu beitragen, tiefere Einblicke in biologische Prozesse zu gewinnen und die Entwicklung neuer Antibiotikastrategien gezielt voranzutreiben. Im Verlauf dieses Projekts wurden mehrere Literaturmethoden sowie neu entwickelte Verfahren angewandt, um zunächst fortgeschrittene Zwischenprodukte mit allen erforderlichen Substituenten zu erzeugen und diese anschließend zu den gewünschten Zielverbindungen weiterzuentwickeln. Leider konnten die angestrebten Verbindungen nur in sehr geringen Mengen isoliert werden. Versuche, diese Ergebnisse zu verbessern, blieben erfolglos, sodass weiterführende biologische Untersuchungen im Rahmen dieses Projekts nicht eingeleitet werden konnten. Dennoch wurden wichtige neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der synthetischen Kohlenhydratchemie gewonnen und als Open-Access-Beiträge im Journal of Organic Chemistry veröffentlicht und auf Konferenzen der Öffentlichkeit vorgestellt.