Multifunktionale Nukleinsäure-Konjugate zur Selektion von katalytischen Oligonukleotiden

Abstract

ZUSAMMENFASSUNG Neben einer aktiven Beteiligung von RNA-Molekülen an vielen zellulären Vorgängen hat die Erforschung des katalytischen Potentials von RNA eine wesentliche Bedeutung für mögliche präbiotische Prozesse. Zudem bieten katalytische Oligonukleotide neue Perspektiven für den Einsatz von maßgeschneiderten Enzymen in der organischen Synthese. Durch in vitro Selektionsmethoden können sehr große kombinatorische Oligonukleotid- bibliotheken (ca. 1015 Spezies) direkt nach intramolekularer, katalytischer Aktivität durchsucht werden. Um jedoch die Katalyse von Reaktionen zwischen zwei kleinen, organischen Molekülen untersuchen zu können, müssen stattdessen Nukleinsäure-Konjugate verwendet werden, bei denen ein Reaktant an die Oligonukleotide gekoppelt ist. Hierfür wurden verschiedene multifunktionelle Linker synthetisiert und funktionell charakterisiert. Sie enthalten ein Dinukleotid, das die Ligation an RNA-Transkripte erlaubt, einen Polyethylengykol-Spacer, um eine sterisch ungehinderte Anordnung der Reaktanten zu gewährleisten, und eine Photospaltstelle zur selektiven Freisetzung der selektierten RNA. Die universelle Einsetzbarkeit der Linker wurde durch die Kopplung mit einer Vielzahl von potentiellen Reaktanten gezeigt. Damit sind nahezu alle Reaktanten für Selektionsexperimente zugänglich, die entweder als Phosphoramidit oder NHS-Ester aktivierbar sind oder selbst über eine primäre Aminogruppe verfügen. Durch einen modellierten Selektionszyklus konnte die Kompatibilität der photospaltbaren Linker mit dem restlichen Selektionsschema demonstriert werden. In einer Selektion nach Photoredox-Ribozymen wurden statt RNA-Molekülen, die eine Photospaltung katalysieren, autokatalytische Phosphodiesterasen isoliert. Mit der Entwicklung von Primer-Konjugaten konnte die Strategie der linkergekoppelten Reaktanten erstmals auch auf DNA-Selektionsexperimente erweitert werden. In einem direkten Vergleich von DNA zu RNA konnte dabei für eine Diels-Alder- Reaktion zwischen Anthracen und Biotinmaleimid nach 10 Selektionsrunden keine wesentliche Beschleunigung durch DNA erreicht werden. Damit erhärtet sich die These, dass DNA im Vergleich zu RNA nicht nur strukturell sondern auch funktionell eingeschränkt ist. Mit der Entwicklung von photospaltbaren Linkern kann erstmals der Reaktionsort regiospezifisch in den Selektionsprozess miteinbezogen werden.

SUMMARY Besides for an active cellular function of RNA, the investigation of the catalytical potential of ribozymes has important implications for many postulated prebiotic processes. Catalytic nucleic acids also offer new perspectives for the use as tailored enzymes in organic chemistry. By the use of in vitro selection, very large nucleic acid libraries (> 1015 species) can be screened directly for intermolecular, catalytical activity. To expand the catalysis to reactions between two small organic molecules, oligonucleotide conjugates have to be used with one of the reactants already attached to the nucleic acid. Towards this end, various multifunctional linkers where synthesized and functionally characterized. They contain a phosphorylated dinucleotide for the ligation to RNA transcripts and a polyethylene glycol spacer ensuring the optimal positioning of the coupled reactants. A photocleavage site further allows a selective partitioning of the desired reaction products. The universal applicability of the dinucleotide analogs was shown by coupling the linker to various potential reactants. With these methods, most reactants of interest are amenable to in vitro selection experiments, either activated as phosphoramidites or as NHS esters or via a primary amino group present in the target reactant. The compatibility of the photocleavable linkers with the overall selection scheme was shown by a mock selection cycle. In a selection for photoredox ribozymes, self-cleaving phosphordiesterases were isolated instead of RNAs catalysing the photoreaction. With the preparation of photocleavable primer-conjugates the strategy of linker-coupled reactants was extended to DNA selection experiments. In a direct comparison of DNA with RNA, no significant acceleration by the conjugated DNA was found within ten selection cycles for the investigated Diels-Alder reaction between anthracene an biotin maleimide. This supports the arguments, that besides structural and chemical limitations DNA is also functionally inferior with respect to RNA. The development of photocleavable linkers for the first time allows an in vitro selection with regioselective control of the reactions.