Neues Verfahren zur schnelleren und einfacheren Herstellung lipidierter Proteine

Presseaussendung der TU Graz vom 11.10.2019

An der TU Graz und Uni Wien entwickelte Methode führt zu besserem Verständnis natürlicher Proteinveränderungen und zur Verbesserung von Proteintherapeutika.

Manche körpereigenen Proteine bestehen nicht nur aus Aminosäuren, sondern sind auch mit fettartigen Lipidketten dekoriert, die die biologischen Funktionen des Proteins maßgeblich beeinflussen. So ist das für die Entstehung vieler Krebsarten mitverantwortliche Protein Ras beispielsweise nur dann aktiv und krebsverursachend, wenn es sich durch einen „Fettanker“ an Membrane binden kann.

Grundlagenforschung als Basis für medizinischen Fortschritt

Ein besseres Verständnis dieser körpereigenen Prozesse kann die Entwicklung neuer Medikamente und Krebstherapien wesentlich beschleunigen. Bisherige Untersuchungsverfahren sind sehr aufwändig und kostenintensiv. Im Journal of the American Chemical Society (JACS) präsentieren Rolf Breinbauer vom Institut für Organische Chemie der TU Graz und Christian Becker vom Institut für Biologische Chemie der Universität Wien nun eine vielfach einfachere und direktere Methode, um Lipide in Proteine einzuführen.

Edelmetall für die Proteinmodifikation

Konkret nutzen die Forscher das Edelmetall Palladium als Katalysator, um Lipide an Proteine „anzuhängen“. Eine entscheidende Rolle dabei kommt dem Ligand Biphephos zu, wie Breinbauer erklärt: „Insgesamt haben wir fünfzig verschiedene Liganden getestet. Biphephos war sozusagen das Missing Link. Es verfügt über jene Selektivität, die es braucht, damit Palladium die Lipidierung der Schwefel-haltigen Aminosäure Cystein ermöglicht.“

Proteinchemiker Christian Becker übertrug die Ergebnisse auf Proteine und konnte die gleichen Erfolge vorweisen: „Die hervorragende Selektivität des neuen Katalysators und die robuste Reaktion ermöglichen die schnelle Modifikation einer Vielzahl von Cystein-haltigen Peptiden und Proteinen für die biomedizinische Forschung.”

Medizinische Anwendung

Die Dekoration von Proteinen mit Medikamenten und anderen Molekülen, um diese gezielt in den Körper zu liefern und dort aktiv zu halten, ist ein heute in der Medizin häufig angewendetes Verfahren. Die von Breinbauer und Becker entwickelte Methode könnte nun dafür genutzt werden, solche Moleküle mit hoher Effizienz und gezielt in Proteine einzuführen. Breinbauer ist zuversichtlich, dass diese Methode bald angewendet werden wird, denn „die von uns verwendeten Reagenzien lassen sich sehr einfach herstellen oder sind käuflich erwerblich.“ (Christoph Pelzl)

Externer Link: www.tugraz.at

Eine neue Strategie für die Synthese komplexer Naturstoffe

Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.10.2019

Chemiker der Universität Basel haben erfolgreich zwei komplexe Naturstoffe aus der Klasse der sogenannten Dithioketopiperazine (DTPs) hergestellt. Ihre kurze Syntheseroute basiert im Schlüsselschritt auf der Methode der «C-H-Aktivierung». Auf diesem Weg konnten die beiden Naturstoffe Epicoccin G und Rostratin A in hohen Ausbeuten erzeugt werden, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift «Journal of the American Chemical Society» berichten.

Bestimmte Mikroorganismen wie Pilze sind reiche Quellen von Sekundärmetaboliten, die ein grosses Potenzial für medizinische Anwendungen besitzen. Von besonderem Interesse sind hierbei die Dithioketopiperazine (DTPs), die eine Vielzahl biologischer Aktivitäten aufweisen und als Wirkstoffe gegen Malaria oder Krebs eingesetzt werden könnten. Trotz intensiver Bemühungen sind bislang jedoch nur relativ wenige Totalsynthesen von Molekülen dieser Art bekannt, sodass es schwierig bleibt, ausreichende Mengen dieser Verbindungen für weitergehende Untersuchungen zu gewinnen.

Professor Dr. Olivier Baudoin und Erstautor Pierre Thesmar vom Departement Chemie der Universität Basel ist es nun gelungen, eine effiziente und skalierbare Syntheseroute für beide komplexen Naturstoffe zu entwickeln.

C-H-Aktivierung als neue Synthesestrategie

Bei der neuen Strategie zum Aufbau des Ringsystems der Zielverbindungen kam unter anderem die Methode der «C-H-Aktivierung» zur Anwendung, welche sich in den letzten Jahren als wertvolles Synthesewerkzeug etabliert hat. Im Schlüsselschritt werden durch eine zweifache Reaktion, bei denen jeweils eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung (C-H) aufgebrochen und eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung (C-C) neu geknüpft wird, zwei Ringe simultan gebildet. Dieser Syntheseweg ermöglicht einen effizienten Zugang zu einem gemeinsamen Zwischenprodukt im Multigramm-Massstab, ausgehend von kostengünstigen und kommerziell verfügbaren Ausgangsstoffen.

In sieben weiteren Schritten wurde dieses Intermediat dann zum DTP-Naturstoff Epicoccin G umgesetzt. Im Vergleich zur einzigen anderen bislang veröffentlichten Synthese brauchten die Basler Forschenden nur 14 statt 17 einzelne Schritte bei einer Gesamtausbeute von 19,6% statt 1,5%.

Die nächste Herausforderung: Rostratin A

Nach der erfolgreichen Synthese von Epicoccin G wagte sich das Basler Forscherteam an die erstmalige Synthese von Rostratin A. Dieser verwandte DTP-Naturstoff besitzt einige herausfordernde Strukturelemente, für die die Endphase der Synthese grundsätzlich angepasst werden musste. Nach umfangreichen Vorversuchen und der Optimierung eines jeden einzelnen Syntheseschritts konnte Rostratin A in der aussergewöhnlichen Menge von mehr als 500 Milligramm hergestellt werden. Diese Totalsynthese gelang in 17 Syntheseschritten und in sehr hoher Gesamtausbeute von 12,7%.

Die neue Synthesestrategie offenbart das grosse Potential der C-H-Aktivierung als effiziente Methode in der Naturstoff-Totalsynthese. In einem nächsten Schritt möchten die Forschenden weitere Naturstoffe und deren Analoga aus der Klasse der DTPs herstellen, um weitergehende Studien zur Untersuchung ihres medizinischen Potentials durchführen zu können.

Originalarbeit:
Pierre Thesmar, Olivier Baudoin
Efficient and divergent total synthesis of (–)-epicoccin G and (–)-rostratin A enabled by double C(sp3)–H activation
Journal of the American Chemical Society (2019), doi: 10.1021/jacs.9b09359

Externer Link: www.unibas.ch

Atemgift wird zum antibiotischen Stoff: Kasseler Chemiker wandeln Kohlenmonoxid in Nutzstoff um

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 13.03.2019

Chemikerinnen und Chemikern der Uni Kassel ist es gelungen, Kohlenmonoxid in Stoffe umzuwandeln, die als Grundlage für zukünftige Antibiotika dienen können. Das Atemgift könnte so leichter medizinisch nutzbar gemacht werden. Kohlenmonoxid ist ein giftiges Gas, das bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Materie entsteht. Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Kohlenmonoxid ist als tödliches Atemgift bekannt. Zugleich ist es aber auch ein wichtiger Baustein für die chemische Industrie. Kohlenmonoxid ist die Grundlage für zahlreiche medizinische und andere Produkte. „Will man es als sogenannten Synthesebaustein nutzen, um Produkte herzustellen, muss man üblicherweise harsche Methoden anwenden“, sagt Prof. Dr. Ulrich Siemeling vom Fachgebiet Metallorganische Chemie der Uni Kassel. „Also hohen Druck und hohe Temperatur.“ Oder man müsse seltene und giftige Schwermetalle nutzen, so der Chemiker. Das Kohlenmonoxid-Molekül (CO) werde von der stärksten bekannten chemischen Bindung zusammengehalten und sei daher reaktionsträge.

Das Forscherteam der Uni Kassel hat herausgefunden, dass Kohlenmonoxid auch unter einfachen Bedingungen nutzbar gemacht werden kann. „Es kommt nur auf den Reaktionspartner an!“, sagt Prof. Siemeling. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwendeten sogenannte „acyclische Diaminocarbene“ für diesen Zweck. Diese Carbene reagierten problemlos mit Kohlenmonoxid und machten es nutzbar. Ganz ohne Schwermetalle.

„Wir haben die Tür für die Suche nach zukünftigen Antibiotika geöffnet.“

Carbene sind Verbindungen des zweiwertigen Kohlenstoffs. Kohlenstoff verfügt über vier Bindungselektronen und ist daher in der Regel vierwertig und vierbindig. Bei Carbenen ist das anders: Hier sind zwei der vier Bindungselektronen ungenutzt. Daher sind Carbene besonders reaktiv und häufig nicht in Substanz isolierbar. Unter den Carbenen befand sich auch ein von den Forschern eigens entwickelter neuer Vertreter mit besonders vorteilhaften Eigenschaften: hoch reaktiv gegenüber CO, zugleich aber besonders wärmebeständig und somit bequem handhabbar.

„Die Produkte der Reaktion von Kohlenmonoxid mit den vom Kasseler Forscherteam verwendeten Carbenen gehören einer Substanzklasse an, aus der sich viele wichtige Antibiotika rekrutieren“, so Siemeling. Die synthetisierten Stoffe zeigten eine antibakterielle Wirkung, ähnlich wie Antibiotika. „Die von uns bisher synthetisierten Stoffe sind für medizinische Zwecke leider nicht geeignet. Aber mit unserer neuen Synthesemethode haben wir für diejenigen eine Tür geöffnet, die sich der Suche nach zukünftigen Antibiotika widmen.“ Gegen viele Antibiotika gebe es heute bereits Resistenzen. Ihre Wirkung werde schwächer. „Unsere Forschung könnte neue Antibiotika ermöglichen, die wirkungsvoller sind als etablierte, die angesichts zunehmender Resistenzen eine stumpfe Waffe zu werden drohen“, sagt der Kasseler Chemiker. „In einem Rutsch vom tödlichen Atemgift zum Antibiotikum – so könnte man die Studie also plakativ zusammenfassen.“

Das Projekt wurde gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Bochum und Frankfurt durchgeführt und mit 528.000 Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Veröffentlichung:
in „Chemistry – A European Journal“

Externer Link: www.uni-kassel.de

Fluktuationen machen den Weg frei

Presseinformation der LMU München vom 15.02.2019

LMU-Chemiker haben einen Mechanismus identifiziert, mit dessen Hilfe sich Moleküle schnell über eine voll besetzte Katalysatoroberfläche bewegen können – besonders unter industriellen Bedingungen ein wichtiger Prozess.

Katalysatoren machen viele technische Verfahren überhaupt erst möglich. Allein in der chemischen Industrie beruhen mehr als 80 Prozent aller Erzeugnisse auf katalytischen Verfahren. Ein Katalysator ist ein Festkörper, an dessen Oberfläche eine Reaktion zwischen Molekülen stattfindet. Er ermöglicht oder beschleunigt diese Reaktion, bleibt selbst aber unverändert. Essenziell ist dabei, dass die Moleküle auf dem Katalysator diffundieren können, damit sie für eine Reaktion aufeinandertreffen. Unter industriellen Bedingungen ist die Katalysatoroberfläche allerdings fast vollständig mit adsorbierten Teilchen bedeckt und dadurch blockiert – wie die Moleküle sich trotzdem bewegen können, war bisher unklar. Chemiker um Professor Joost Wintterlin vom Department Chemie der LMU zeigen nun, dass die Moleküle in der Oberflächenmatrix des Katalysators sich nur kleinräumig bewegen können, bis ihnen lokale Fluktuationen in der Matrix sozusagen die Tür für schnelle Positionswechsel öffnen. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im renommierten Fachmagazin Science.

Um sich ein Bild von den Prozessen auf der Katalysatoroberfläche zu machen, untersuchten die Wissenschaftler mithilfe der Rastertunnelmikroskopie, wie Sauerstoffatome sich auf einer Rutheniumoberfläche bewegen, die von einer dichtgepackten Schicht aus Kohlenmonoxidmolekülen bedeckt ist. „Dieses System haben wir gewählt, weil die Oxidation von Kohlenmonoxid an Metallen der sogenannten Platingruppe ein gut untersuchtes Modell für die Katalyse ist“, sagt Wintterlin. Allerdings ist die Standard-Rastertunnelmikroskopie für die Oberflächendynamik dieses Systems viel zu langsam. Deshalb entwickelten die Wissenschaftler die Methode weiter und erreichten schließlich Bildraten von bis zu 50 Bildern pro Sekunde – schnell genug, um Videos der Teilchenbewegungen machen zu können.

In dem untersuchten System sind die Sauerstoffatome vollständig von Kohlenmonoxid-Molekülen umgeben und zwischen diesen Molekülen wie in einem Käfig gefangen. Wie die Analyse der Videos zeigte, springt das Sauerstoffatom innerhalb dieses Käfigs „im Dreieck“, da es zwischen drei Positionen wechseln kann. „Überraschenderweise fanden wir aber, dass es den Käfig wieder verlässt und sich fast genauso schnell wie auf einer komplett freien Oberfläche durch die Kohlenmonoxid-Matrix bewegen kann“, sagt Ann-Kathrin Henß, die Erstautorin der Arbeit. Die Münchner Wissenschaftler konnten – in Zusammenarbeit mit Professor Axel Groß von Institut für Theoretische Chemie der Universität Ulm – dieses Phänomen mit Fluktuationen in der Kohlenmonoxid-Matrix erklären, durch die die Moleküle manchmal dichter, manchmal weniger dicht gepackt sind. Wenn eine solche Fluktuation in der Nähe eines Sauerstoffatoms stattfindet, kann dieses seinen Kohlenmonoxid-Käfig verlassen und auf eine neue Position springen. Dieser „Türöffnungs-Mechanismus“ findet so schnell statt, dass die Bewegung der Sauerstoffatome durch die Matrix von den „Käfigen“ nur wenig beeinträchtigt wird. Das ist die Voraussetzung dafür, dass die Moleküle tatsächlich auf einen Bindungspartner für die vom Katalysator geförderte chemische Reaktion stoßen.

Publikation:
Science 2019

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Chemiker der Saar-Uni entwickeln neues Material, das Seltene Erden bei LED-Lampen spart

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 18.01.2019

Die LED-Technologie ist derzeit die Beleuchtungstechnik mit dem größten Potenzial für die Zukunft. Mit dem technischen Fortschritt steigt allerdings auch die Belastung für die Materialien, die in einer LED-Lampe verbaut sind. Die transparente Kapsel, die die Leuchtdiode umhüllt, muss zum Beispiel immer höhere Temperaturen aushalten können, gleichzeitig soll die Technologie mit viel weniger der so genannten Seltenen Erden auskommen. Chemiker der Saar-Uni um Professor Guido Kickelbick haben nun mit Partnern aus der Industrie (Osram, BASF) ein Verkapselungsmaterial entwickelt, das LEDs ohne Seltene Erden langlebiger und günstiger machen könnte. Dazu haben sie auch Patente angemeldet. Das Material ist im Rahmen des noch laufenden Forschungsprojektes „Organische und Seltenerd-reduzierte Konversionsmaterialien für LED- basierte Beleuchtung“ (ORCA) entstanden, das vom Bund mit 1,9 Millionen Euro gefördert wird.

Bereits heute ist abzusehen, dass die klassische Beleuchtungstechnik wie etwa Glühlampen, Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren komplett durch die LED-Technologie abgelöst wird. An die Lampen werden immer neue Anforderungen gestellt, was die Langlebigkeit, die Lichtqualität, aber auch die Rohstoffverwertung und den Preis angeht. In konventionellen LEDs werden beispielsweise Bauteile mit einem hohen Anteil der so genannten Seltenen Erden verbaut.

Diese Metalle, zum Beispiel Yttrium und Lutetium, werden nur in wenigen Ländern, beispielsweise China, abgebaut. Diese Staaten nutzen ihre Monopolstellung und legen die Preise nach Belieben fest. Die Elektronikindustrie sucht daher nach Wegen, den Anteil der Seltenen Erden zu reduzieren, auch in den LED-Lampen.

Die Seltenen Erden sind zu einem großen Teil in den so genannten Konverterelementen verbaut, die aus dem ursprünglich blauen Licht des Halbleiters weißes Licht erzeugen. Man kann die Konverterfarbstoffe bereits heute durch organische Alternativen ersetzen, welche in der Herstellung deutlich preisgünstiger sind und keine Seltenen Erden enthalten. Diese sind jedoch empfindlich gegenüber den hohen Lichtleistungen, Temperaturen und Sauerstoff und müssen daher verkapselt werden.

„Am Beginn des Projektes haben wir versucht bestehende Verkapselungstechnologien zu verbessern. Uns wurde jedoch schnell klar, dass wir einen völlig neuen Ansatz benötigen“, so der Professor für Anorganische Festkörperchemie an der Saar-Uni, Guido Kickelbick, einer der Projektleiter in dieser interdisziplinären Studie. Nach zweijähriger Arbeit ist es seinem Team nun gelungen, ein komplett neues Verkapselungsmaterial zu entwickeln, welches alle wesentlichen Anforderungen für die Verwendung organischer Farbstoffe in der LED erfüllt.

Das Material basiert auf einem speziellen Silikon, dessen Eigenschaften sich durch die chemische Synthese nahezu beliebig festlegen lassen, je nach Anforderungen. Die wichtigsten Parameter sind erfüllt: Das Material ist thermisch sehr beständig, weist eine hohe Transparenz auf und ist leicht zu verarbeiten. Nebenbei spart das Material auch noch weitere Ressourcen. Bei konventionellen Materialien wird Platin als Katalysator für die Vernetzung der flüssigen Vorstufen eingesetzt, in dem neu entwickelten Material kann darauf komplett verzichtet werden.

Publikation:
Nils Steinbrück, Svenja Pohl, Guido Kickelbick: Platinum Free Thermally Curable Siloxanes for Optoelectronic Application – Synthesis and Properties, RSC Adv., 2019, 9, 2205-2216

Externer Link: www.uni-saarland.de