Every plant cell is enclosed by a cell wall that controls its volume and shape. It provides structural support, tissue elasticity, and protection against pathogenic organisms. The sophisticated network of biomolecules that form the plant cell wall consists of proteins, lignin, and primarily of polysaccharides. The polysaccharides are structurally highly diverse, which makes the analysis of individual functions and interactions challenging. Well-defined probes of oligo- or polysaccharides would greatly facilitate these analyses but they are difficult to obtain from natural sources. Chemical synthesis is a powerful alternative to prepare these probes. One of the main components of plant cell wall polysaccharides is the hemicellulose xylan. Xylans possess a common backbone consisting of Beta-1,4-linked xylopyranoses which may be partially acetylated and substituted with arabinofuranosyl or (4-O-methyl)glucuronosyl residues. In chapter 2.1 a collection of oligosaccharides related to plant arabino- and glucuronoxylans was synthesized by automated glycan assembly, which is a powerful tool for the synthesis of oligosaccharide libraries. By iterative addition of different monosaccharide building blocks (BB) to a linker-functionalized resin, xylan oligosaccharides of different length and complexity have been obtained. Among these were Alpha-1,2- and Alpha-1,3-substituted arabino- and glucuronoxylan oligosaccharides. To enable selective substitution of the xylan backbone with arabinose and glucuronic acid units the xylose BBs were equipped with 2-(methyl)naphthyl (Nap) and 2-(azidomethyl)benzoyl (AZMB) groups that were used for the first time as protecting groups in automated glycan assembly. The glucuronoxylan oligosaccharides were obtained by using a glucose BB during oligosaccharide assembly that was afterwards converted in a two-step-oxidation procedure into the corresponding glucuronic acid. The synthetic oligosaccharides served as excellent tools for the characterization of binding epitopes of plant cell wall glycan-directed monoclonal antibodies and for determining the substrate specificities of cell wall-degrading enzymes. Monoclonal antibodies are used for high resolution imaging of plant cell walls, providing important information on the structure and function of cell wall polysaccharides. Using glycan microarray technology many binding epitopes were determined that were previously unknown with the help of the synthetic oligosaccharides. Cell wall-degrading enzymes are crucial for the deconstruction of lignocellulosic biomass, making the hydrolysis products available for various industrial applications. The substrate specificities of xylanases and arabinofuranosidases were determined by analyzing the digestion products after incubation of the synthetic oligosaccharides with these enzymes. In chapter 2.2 the synthesis of artificial arabinoxylan polysaccharides with defined substitution patterns is described. Polysaccharides from plant biomass are explored extensively as renewable resources for the production of materials and fuels. However, the heterogeneous nature of non-cellulosic polysaccharides such as arabinoxylan makes it difficult to correlate molecular structure with macroscopic properties. To study the impact of specific structural features of the polysaccharides on e.g. crystallinity or affinity to other cell wall components, collections of polysaccharides with defined repeating units are required. A collection of artificial arabinoxylan polysaccharides with systematically altered branching patterns was obtained by glycosynthase-catalyzed polymerization of glycosyl fluorides derived from arabinoxylan oligosaccharides that were procured either chemically, chemo-enzymatically, or from a commercial source. These artificial arabinoxylan polysaccharides, that are not accessible by other means, represent ideal probes for structure-property relationship studies. The crystallinity of the polysaccharides was qualitatively determined by powder X-ray diffraction, revealing that the specific substitution pattern has a higher impact on crystallinity of xylans than the degree of substitution. Experiments using quartz crystal microbalance with dissipation (QCMD) on a cellulosic surface indicated that polysaccharides carrying arabinose substituents, which are evenly spaced, adsorb more strongly to cellulose than arabinoxylans with other substitution patterns.
Jede Pflanzenzelle ist von einer Zellwand umschlossen, die ihr Volumen und ihre Form bestimmt. Sie sorgt für strukturelle Stabilität, Elastizität des Gewebes und Schutz vor Krankheitserregern. Das hochentwickelte System aus Biomolekülen, das die Pflanzenzelle bildet, besteht aus Proteinen, Lignin und zum größten Teil aus Polysacchariden. Die Polysaccharide sind strukturell sehr vielfältig, was die Untersuchung ihrer individuellen Funktionen und Interaktionen erschwert. Strukturell klar definierte Oligo- und Polysaccharide würden diese Analysen stark vereinfachen, aber sie sind nur schwer aus natürlichen Quellen zu gewinnen. Die chemische Synthese ist daher eine vielversprechende Alternative, um diese herzustellen. Eine der Hauptkomponenten der pflanzlichen Polysaccharide in der Zellwand ist die Hemizellulose Xylan. Xylane besitzen ein Rückgrat, das aus Beta-1,4-verknüpften Xylopyranosen besteht, welche partiell acetyliert und mit Arabinofuranose oder (4-O-Methyl)glucuronsäure substituiert sein können. In Kapitel 2.1 wurde eine Bibliothek von Oligosacchariden, die strukturell mit pflanzlichen Arabino- und Glucuronoxylanen verwandt sind, mittels automatisierter Oligosaccharidsynthese hergestellt, welche eine leistungsstarke Technik für die Synthese von Oligosaccharid-Bibliotheken ist. Durch die iterative Verknüpfung von Monosaccharid-Bausteinen an ein Harz, das mit einem Linker funktionalisiert wurde, konnten Xylanoligosaccharide mit verschiedener Länge und Komplexität erhalten werden. Darunter waren Alpha-1,2- und Alpha-1,3-substituierte Arabino- und Glucuronoxylanoligosaccharide. Um die selektive Substitution des Xylan-Rückgrats mit Arabinose- und Glucuronsäure-Substituenten zu ermöglichen, wurden die Xylose-Bausteine mit 2-(Methyl)naphthyl- (Nap) und 2-(Azidomethyl)benzoyl- (AZMB) Gruppen ausgestattet, die das erste Mal als Schutzgruppen in der automatisierten Oligosaccharidsynthese benutzt wurden. Die Glucuronoxylanoligosaccharide wurden durch die Verwendung eines Glucose-Bausteins in der Oligosaccharid-Synthese erhalten. Die Glucose-Einheit wurde dann in einem zweistufigen Prozess in die entsprechende Glucuronsäure überführt. Die synthetischen Oligosaccharide fanden Anwendung in der Charakterisierung von monoklonalen Antikörpern, die Zellwandpolysaccharide erkennen und bei der Bestimmung von Substratspezifitäten von Enzymen, die Pflanzenzellwände zersetzen. Monoklonale Antikörper werden in hochauflösenden bildgebenden Verfahren eingesetzt, um wichtige Informationen über die Struktur und Funktion von pflanzlichen Zellwandpolysacchariden zu erhalten. Durch die Verwendung der Glykan-Microarray-Technologie wurden mit Hilfe der synthetischen Oligosaccharide zahlreiche Bindungsepitope von monoklonalen Antikörpern bestimmt, die bisher unbekannt waren. Zellwand-zersetzende Enzyme sind für den Abbau von lignozellulosischer Biomasse von Bedeutung, der wichtige Hydrolyseprodukte für viele industrielle Anwendungen zugänglich macht. Die Substratspezifitäten von Xylanasen und Arabinofuranosidasen wurden bestimmt, indem nach der Inkubation der Oligosaccharide mit den jeweiligen Enzymen die Abbauprodukte analysiert wurden. In Kapitel 2.2 wird die Synthese von artifiziellen Arabinoyxlanpolysacchariden mit definiertem Substitutionsmuster beschrieben. Polysaccharide aus pflanzlicher Biomasse werden intensiv als erneuerbare Ressourcen für die Produktion von Materialien und Kraftstoffen genutzt. Die heterogene Beschaffenheit nicht-zellulosischer Polysaccharide wie Arabinoxylanen erschwert es jedoch, die molekulare Struktur mit makroskopischen Eigenschaften zu korrelieren. Um den Einfluss von speziellen strukturellen Merkmalen der Polysaccharide auf z.B. Kristallinität oder die Affinität zu anderen Zellwandkomponenten zu untersuchen, wird eine Bibliothek von Polysacchariden mit definierten Wiederholungseinheiten benötigt. Eine solche Bibliothek von artifiziellen Polysacchariden mit systematisch verändertem Substitutionsmuster wurde in dieser Arbeit durch Glykosynthase-katalysierte Polymerisation von Glykosylfluoriden erzeugt. Diese wurden aus Arabinoxylanoligosacchariden hergestellt, die wiederum entweder chemisch, chemo-enzymatisch oder auf kommerziellem Weg erhalten wurden. Diese artifiziellen Arabinoxylanpolysaccharide, die nicht auf anderem Weg erhältlich sind, stellen ideale Werkzeuge für die Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dar. Die Kristallinität der Polysaccharide wurde qualitativ mittels Pulver-Röntgendiffraktometrie bestimmt, was ergab, dass das spezifische Substitutionsmuster einen größeren Einfluss auf die Kristallinität von Xylanen hat als der Substitutionsgrad. Experimente mittels Quarzkristall-Mikrowaage mit Dissipation (QCMD) auf einer zellulosischen Oberfläche weisen zudem darauf hin, dass Polysaccharide, die Arabinose-Substituenten in geraden Abständen tragen, stärker an Zellulose binden, als Arabinoxylane mit anderen Substitutionsmustern.
