Assembly of oligosaccharides: from the De novo synthesis of building blocks to the automated solid phase synthesis

Abstract

Besides nucleic acids and proteins, carbohydrates play an essential role in different biological events. Their interaction with lectins and antibodies mediate processes involved in immune response. Carbohydrates like lipopolysaccharides, major components of the outer membrane of Gram negative bacteria, consist of lipid A, core polysaccharide and O-antigen. While the structures of lipid A and the core-polysaccharide are not particularly bacteria specific, the structure of the O-antigen does vary dramatically and often contains rare sugars. These rare sugars are not found in humans and hence presumed as threat by the immune system. The first part of this thesis focuses on the stereocontrolled synthesis of such rare sugars from smaller precursors via carbon-carbon bond forming reactions, referred to as de novo synthesis. These rare sugars are highly desireable as they are required for the assembly of the O-antigen repeating unit of Gram negative bacteria. The second part of this thesis is dedicated to study the upper limits of the automated solid phase synthesis of oligosaccharides, a technique that significantly facilitates the synthetic process of carbohydrates. After an exhaustive introduction on oligosaccharide synthesis in Chapter 1, Chapter 2 describes a practical de novo approach towards fully functionnalized L-colitose (3,6-dideoxy-L-xylo-hexopyranose) glycosylating agent starting from inexpensive, commercially available (S)-ethyl lactate. This rare sugar is specific to the O-antigen of a large spectrum of Gram negative bacteria such as Escherichia coli O111, Salmonella enterica, Salmonella adelaide, Salmonella greenside and Vibrio cholerae. The divergent route allowed for the preparation of two other congeners of L-colitose: a 2-epi-L-colitose building block and a L-rhodinose building block. The synthetic route centered on a diastereoselective Cram-chelated allylation that provided a common homoallylic alcohol intermediate. Oxidation of this common intermediate completed the synthesis of these three monosaccharide building blocks. Taking advantage of the synthetic route established in the second chapter, Chapter 3 describes the assembly of pentasaccharide repeating unit of the O-antigen of Escherichia coli O111, serotype that causes enteropathogenic, enterotoxigenic and enterohemorrhagic disease in humans. Since the excessive use of antibiotic in live stock industry resulted in problems related to multidrug-resistance, a vaccination therapy against E. coli O111 would be desirable. The key step to the synthetic approach was a [3+1+1] glycosylation that introduced the acid- labile colitose residues at a late stage of the synthesis. In anticipation of immunological studies, the pentasaccharide was functionalized at the reducing end with an amino-spacer to provide a handle for subsequent conjugation to a carrier protein. The fourth chapter of this dissertation presents the automated solid phase assembly of a 30mer alpha-(1,6)-oligomannoside, the longest carbohydrate ever made by chemical synthesis. This study was performed in an effort to test whether oligosaccharides that could be required for amplifying the weak carbohydrate-carbohydrate recognition receptor interaction, could be quickly accessed by automated solid phase synthesis. To aid in the purification of the alpha-(1,6)-oligomannosides, a catch-and- release strategy was developed allowing the tagging and selective attachment of the full-length product on magnetic beads. Following magnet-assisted decantation, release of the oligosaccharide from the solid support provided the target compound with a minimum of effort.

Neben Nukleinsäuren und Proteinen spielen Kohlenhydrate eine wichtige Rolle in den verschiedensten biologischen Vorgängen. Durch die Wechselwirkungen mit Lektinen und Antikörpern sind sie zum Beispiel an Immunprozessen beteiligt und wirken als Antigene auf der Oberfläche von Viren und Bakterien. Das Lipopolysaccharid, der Hauptbestandteil der äußeren Membran Gram-negativer Bakterien ist aus drei Teilen aufgebaut: das Lipid A, das Polysaccharid der Kernregion und das O-Antigen. Während Lipid A und Kernregion nicht besonders artenspezifisch sind, zeigt das O-Anitgen eine große strukturelle Vielfalt und enthält sehr oft seltene Zucker, die nicht beim Menschen vorkommen und deshalb durch das menschliche Immunsystem erkannt werden können. Der erste Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf die de novo Synthese von Zuckern durch die stereokontrollierte Herstellung aus kleineren Substraten durch C-C-Verknüpfungsreaktionen. Das Interesse an den seltenen Zuckern erklärt sich durch die Verwendung dieser als Bausteine für die Herstellung der O-Antigene Gram-negativer Bakterien. Der zweite Teil dieser Dissertation widmet sich Machbarkeitsstudien für die automatisierte Festphasensynthese von Oligosacchariden. Diese Methode vereinfacht den Herstellungsprozess synthetischer Kohlenhydrate. Nach dem einleitenden Kapitel 1 über die Oligosaccharidsynthese wird in Kapitel 2 die de novo-Synthese zur Herstellung voll funktionalisierter L-Colitose-Bausteine (3,6-Didesoxy-L-Xylo- Hexapyranose) behandelt. Die Synthese geht von kostengünstigem (S)-Ethyllaktat aus und liefert ein Produkt, das in den O-Antigen Gram-negativer Bakterien, wie Escherichia coli O111, Salmonella enterica, Salmonella adelaide, Salmonella greenside oder Vibrio cholerae vorkommt. Eine divergente Syntheseroute ermöglichte neben der Herstellung von L-Colitose auch die Zugänglichkeit eines 2-epi-L-Colitose und eines L-Rhodinosebausteins. Der zentrale Syntheseschritt war eine Cram-chelatkomplexierte Allylierung die zur gemeinsamen Zwischenstufe eines homoallylischen Alkohols führte. Durch Oxidation dieser Zwischenstufe konnten die drei Monosaccharidbausteine hergestellt werden. Nach der Synthese dieser seltenen Zuckermonomere beschreibt Kapitel 3 die Herstellung einer Pentasaccharid-Widerholungseinheit des O-Antigens von Escherichia coli O111, ein Serotyp der für enteropathogene, enterotoxigene und enterohämorrhagische Krankheiten von Menschen verantwortlich gemacht wird. Die exzessive Anwendung von Antibiotika in der Viehzucht führt zu vielerlei multiresistenter bakterieller Infektionen und lässt deswegen Impftherapien gegen E. coli O111 attraktiv erscheinen. Der Schlüsselschritt der Synthese ist eine [3+1+1]-Glycosylierung das die säaurelabilen Colitosereste auf der letzten Stufe einführt. Zur weiteren immunologischen Untersuchung wurde das Pentasaccharid am reduzierenden Ende mit einem Aminolinker versehen um die Konjugation an Trägerproteine zu erlauben. Im vierten Kapitel dieser Dissertation wird die automatisierte Festphasensynthese eines alpha-1,6-verknüpften Oligomannosids mit 30 Monomeren behandelt. Bei dieser Verbindung handelt es sich um die längste Polysaccharidkette, die bis jetzt durch chemische Synthese erhalten werden konnte. Ziel dieser Studie war es, die Zugänglichkeit von großen Kohlenhydraten durch automatiserte Festphasensynthese zu untersuchen. Diese großen Strukturen können eventuell die schwachen Wechselwirkungen von Rezeptoren mit Kohlenhydraten verstärken. Um die Reinigung dieses Oligomannosids gewährleisten zu können, wurde eine catch-release-Strategie entwickelt, die es erlaubte, das Volllängenkohlenhydrat mit Hilfe einer selektiven Funktionalisierung an magnetische Partikel zu binden. Mit Hilfe eines Magenten konnte die Zielsubstanz mit wenig Aufwand von Nebenprodukten aus der Festphasensynthese getrennt werden.