Synthese und Anwendung von RG-II-Oligosacchariden

Kohlenhydrate sind die vorherrschende Komponente von Biomasse auf der Erde, da sie ein integraler Bestandteil aller lebenden Arten sind, einschließlich Pflanzen, Tiere und Bakterien. Kohlenhydrate spielen in der Biologie eine wichtige strukturelle und funktionelle Rolle, sind aber im Gegensatz zu den beiden anderen Hauptklassen von Biopolymeren, den Oligonukleotiden und den Proteinen, nach wie vor kaum verstanden. Pflanzen produzieren eine enorme Vielfalt an Kohlenhydraten, die während des Lebenszyklus der Pflanze wesentliche Funktionen erfüllen. Pflanzen enthalten viele einzigartige Kohlenhydrate, die es bei Tieren nicht gibt, die aber im gesamten Pflanzenreich weitgehend konserviert sind. Die überwiegende Mehrheit der pflanzlichen Kohlenhydrate ist Teil der Zellwand. Pflanzliche Kohlenhydrate sind wichtige Nährstoffe in Lebens- und Futtermitteln und stoßen auf großes Interesse als Quellen für erneuerbare Materialien und für die Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien. Eine Voraussetzung für die Verbesserung der wirtschaftlichen Rentabilität von Pflanzenbiomasse als erneuerbare Ressource ist die genaue Kenntnis der Kohlenhydratstrukturen in der Zellwand und ihres Aufbaus durch die Pflanze. Der Zugang zu reinen Kohlenhydraten für strukturelle und biologische Studien ist jedoch aufgrund ihrer hohen molekularen Komplexität schwierig. Das strukturell komplexeste Kohlenhydrat in der Natur ist Rhamnogalacturonan -II (RG-II), ein hochkonserviertes Polysaccharid aus Pektin, das zwölf verschiedene Arten von Monosacchariden enthält, die durch 20 verschiedene Bindungen verknüpft sind. Die komplexe Struktur von RG-II stellt organische Chemiker vor enorme Herausforderungen. Dazu gehören die Synthese seltener und saurer Monosaccharide, einer stark verdichteten Struktur und einer hohen Anzahl von 1,2-cis-glykosidischen Bindungen. Wir werden neue Synthesestrategien entwickeln, um Zugang zu Oligosaccharidfragmenten der RG-II-Struktur zu erhalten, die dann roboterunterstützt auf Glasträger gedruckt werden, um Kohlenhydrat-Protein- Wechselwirkungen zu untersuchen. Die Verfügbarkeit solcher Glykan-Arrays mit hochkomplexen RG-II-Fragmenten wird erstmals die systematische Aufklärung von Enzymen (Glykosyltransferasen) ermöglichen, die an der RG-II-Biosynthese beteiligt sind, sowie die Charakterisierung molekularer Werkzeuge (Antikörper), die die Identifizierung und Verfolgung spezifischer RG-II-Epitope in Pflanzenzellwänden ermöglichen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden künftige Entwicklungen zur Verbesserung de s Abbaus von Biomasse, der Materialstärke von Pflanzenprodukten und der Haltbarkeit von Obst und Gemüse erleichtern.

Im Laufe des Projekts gelang uns zwei bedeutende Durchbrüche: 1) Es ist uns die Totalsynthese der RG-II-Seitenkette A gelungen, jenem Teil von RG-II, der den Apiose-Rest trägt, der an der Borat-Vernetzung beteiligt ist. 2) Wir haben ein Pentasaccharid-Fragment der RG-II-Seitenkette B hergestellt, das die seltenen Zucker Apiose und Acerinsäure enthält, die in den meisten gängigen Kohlenhydraten nicht vorkommen und von Grund auf neu synthetisiert werden müssen. Diese synthetischen RG-II-Fragmente werden nun genutzt, um die 3D-Struktur von RG-II zu untersuchen und Glykan-Arrays zu erstellen - mikroskopisch kleine "Zuckerchips", auf die viele verschiedene Kohlenhydratstrukturen aufgedruckt sind. Durch das Durchsuchen dieser Arrays mit Antikörpern, die Pektine erkennen, sowie mit in Frage kommenden biosynthetischen Enzymen können wir damit beginnen, RG-II-spezifische Antikörper und die Glykosyltransferasen zu identifizieren, die RG-II im Golgi-Apparat der Pflanze aufbauen. Bessere Werkzeuge zur Visualisierung und zum Verständnis von RG-II werden Wissenschaftlern helfen, aufzuklären, wie pflanzliche Zellwände aufgebaut und aufrechterhalten werden und wie ihre Eigenschaften angepasst werden können.