| License: Publishing license for publications excluding print on demand (8MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-299529
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.29952
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Series of the University of Regensburg: | Dissertationsreihe der Fakultät für Chemie und Pharmazie der Universität Regensburg |
| Volume: | 1 |
| Date: | 2 June 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Burkhard König |
| Date of exam: | 14 February 2014 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Keywords: | photochromism, dithienylethenes, enzyme inhibitors |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 29952 |
Abstract (English)
This thesis focuses on the design, synthesis and evaluation of novel functionalized photochromic dithienylethenes (DTEs) for applications in biology. Chapter 1 deals with the creation of dithienylcyclopentene based enzyme inhibitors to reversibly control the activity of the metabolic branch-point enzyme PriA from Myco-bacterium tuberculosis (mtPriA) by light. The enzyme’s natural rotational ...
Abstract (English)
This thesis focuses on the design, synthesis and evaluation of novel functionalized photochromic dithienylethenes (DTEs) for applications in biology.
Chapter 1 deals with the creation of dithienylcyclopentene based enzyme inhibitors to reversibly control the activity of the metabolic branch-point enzyme PriA from Myco-bacterium tuberculosis (mtPriA) by light. The enzyme’s natural rotational symmetry encouraged us to design two-pronged DTEs with terminal phosphate or phosphonate functional groups. Switching from the flexible, ring-open to the rigid, ring-closed isomer reduces inhibition activity by one order of magnitude, whereby mtPriA’s performance can even be remote-controlled by light during catalysis. Molecular Dynamics simulations support our experiments showing that the open form is energetically more favorable while bound in the active site. Thus the concept of utilizing the enzyme structure for the inhibitor design has been proven.
In chapter 2 the development of photochromic dithienylcyclopentenes as cell signal inhibitors for the extracellular-regulated kinase (ERK) pathway is reported. Through Molecular Docking we identified promising DTE based ERK inhibitors, which were subsequently synthesized and photochemically evaluated. The mediocre thermal stability of their ring-closed photoisomers requires that the test solutions are irradiated directly before use. Incubation of cells with the title compounds caused significant inhibition by the ring-open isomers, whereas the ring-closed forms’ activity seems reduced and cytotoxicity was observed. Further experiments with isolated ERK could not sufficiently substantiate these results though. This already gives a hint on the complexity of this topic as any other tier of the entire signal cascade might be affected. Nevertheless, interesting trends were found and new compounds could be identified, which allow for the light-dependent regulation of the ERK signal.
Aiming for better water-solubility, increased hydrophilicity and easier derivatization, dithienylmaleimide based amino acids were synthesized and incorporated in peptides, as described in chapter 3. We combined independently prepared N- and C-terminal thienyl components by Perkin condensation to form the maleimide core. Subsequent derivatization of the photoswitchable amino acid is easily achieved by standard solid phase peptide coupling. The resulting compounds show excellent photochromic performance in polar solvents and are thus suitable candidates for biological applications.
Moreover, novel photochromic dithienyl maleic hydrazides are introduced in chapter 4. The reaction of dithienylmaleimides with hydrazine generates DTEs bearing maleic hydrazide as ethene unit. Initial NMR measurements indicate that it might occur predominantly as the monolactim tautomer. Concurrently, we observed photoswitchable solvatochromism of the obtained compound, but its repeated application is restricted by rapid photodegradation. Further investigations are necessary to thoroughly characterize the compounds and their behavior. These interesting pioneering observations could contribute to establish a new generation of DTE photoswitches.
In conclusion, this thesis presents new concepts for the biological application of functionalized photochromic dithienylethenes, which act as light-dependent switches for enzyme activity and peptides. The implications of this work are especially relevant for the development of novel molecular tools to remote-control cellular processes by light.
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit befasst sich mit der Gestaltung, der Synthese und der Untersuchung von neuen funktionalisierten photochromen Dithienylethenen (DTEs) für biologische Anwendungen. Kapitel 1 handelt von der Entwicklung von Dithienylcyclopenten basierten Enzyminhibitoren, die die Aktivität des metabolischen Schlüsselenzyms PriA aus Mycobacterium tuberculosis (mtPriA) reversibel durch Licht kontrollieren ...
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit befasst sich mit der Gestaltung, der Synthese und der Untersuchung von neuen funktionalisierten photochromen Dithienylethenen (DTEs) für biologische Anwendungen.
Kapitel 1 handelt von der Entwicklung von Dithienylcyclopenten basierten Enzyminhibitoren, die die Aktivität des metabolischen Schlüsselenzyms PriA aus Mycobacterium tuberculosis (mtPriA) reversibel durch Licht kontrollieren können. Die natürliche Rotationssymmetrie des Enzyms hat uns dazu bewogen, symmetrische Inhibitoren mit terminalen Phosphat- oder Phosphonat-Ankern zu entwerfen. Durch das Schalten vom flexiblen, offenen Isomer zur starren, geschlossenen Form verringert sich die Inhibitionsaktivität um eine Größenordnung, wobei die Enzymsteuerung durch Licht auch während der Katalyse funktioniert. Moleküldynamik-Simulationen stützen die experimentellen Daten und zeigen, dass die Bindung der offenen Form im aktiven Zentrum energetisch bevorzugt ist. Damit wurde bewiesen, dass man abgeleitet von der Enzymstruktur Inhibitoren konstruieren kann.
In Kapitel 2 wird die Anwendung photochromer Dithienylcyclopentene als Zellsignalinhibitoren für die Kaskade der extrazellulär regulierten Kinase (ERK) berichtet. Mittels molekularen Dockings wurden potentielle, vom DTE-Gerüst abgeleitete, ERK-Inhibitorstrukturen bestimmt, welche anschließend synthetisiert und photochemisch untersucht wurden. Die mittelmäßige thermische Stabilität der geschlossenen Photoisomere erfordert, dass die Proben direkt vor ihrem Einsatz belichtet werden. Bei der Inkubation von Zellen mit den Zielsubstanzen können deren offene Isomere das ERK-Signal hemmen, wohingegen die Wirkung der geschlossenen Formen geringer erscheint und Zellschädigung festgestellt wurde. Weitere Experimente mit isolierter ERK konnten diese Ergebnisse jedoch nicht ausreichend untermauern und deuten auf die Komplexität dieser Thematik hin, da jede weitere Stelle der gesamten Signalkaskade betroffen sein könnte. Dennoch wurden interessante Tendenzen entdeckt und neue Substanzen gefunden, die das ERK-Signal abhängig von der Beleuchtung regulieren können.
Um die Wasserlöslichkeit zu verbessern, die Hydrophilie zu erhöhen und eine leichtere Derivatisierung zu erreichen, wurden Dithienylmaleimid basierte Aminosäuren synthetisiert und in Peptide eingebaut, was in Kapitel 3 beschrieben ist. Dabei verknüpften wir die separat hergestellten N- und C-terminalen Thienylkomponenten durch eine Perkin-Kondensation, wobei der Maleimidkern entstand. Eine anschließende Derivatisierung der photoschaltbaren Aminosäure kann durch gewöhnliche Festphasenpeptidsynthese per Standardprotokoll erfolgen. Die hergestellten Substanzen zeigen hervorragende photochrome Eigenschaften in polaren Lösungsmitteln und eignen sich daher für biologische Anwendungen.
Darüber hinaus werden neue photochrome Dithienyl-Maleinsäurehydrazide in Kapitel 4 vorgestellt. Die Reaktion von Dithienylmaleimiden mit Hydrazin erzeugt DTEs, die mit einem Maleinsäurehydrazid als Etheneinheit ausgestattet sind. Erste NMR-Messungen deuten darauf hin, dass es vermutlich als Monolactimtautomer vorliegt. Gleichzeitig beobachteten wir eine photoschaltbare Solvatochromie der hergestellten Substanz, jedoch ist eine wiederholte Anwendung durch den raschen Zerfall bei Beleuchtung eingeschränkt. Es sind weitere Untersuchungen nötig um eine fundierte Charakterisierung vorzunehmen. Diese interessanten wegbereitenden Beobachtungen können dazu beitragen eine neue Generation von DTE-Photoschaltern zu entwickeln.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit neue Konzepte zur biologischen Anwendung von funktionalisierten photochromen Dithienylethenen auf, welche als lichtabhängige Schalter für Enzymaktivität und Peptide agieren. Die gewonnenen Erkenntnisse besitzen besondere Relevanz im Hinblick auf die Entwicklung von neuartigen molekularen Hilfsmitteln um zelluläre Abläufe durch Licht zu kontrollieren.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:08
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