New Tools for Stereoselectivity and Orthogonality in Automated Glycan Assembly for Conjugate Vaccine Development

Abstract

Carbohydrates represent the most diverse and prevalent class of biomolecules in nature and are essential in a wide variety of biological processes. Antigenic glycans at the surface of microbes have the potential to be developed into glycoconjugate vaccines. The Automated Glycan Assembly (AGA) approach can provide those glycans rapidly in a solid-supported synthesis. Challenges in the synthesis of glycans by AGA arise from their complex structures, which require both strict regio- and stereocontrol, but also from technical limitations of the current AGA synthesizer. The goal of my research was to expand capabilities of AGA by introducing new orthogonal protecting groups and developing new strategies for 1,2-cis stereoselective glycosylations to give access to materials for research on infectious diseases. The first part of this dissertation focuses on orthogonality and the expansion of the protecting group portfolio in AGA (Chapter 3). The introduction of microwave-assistance to the AGA synthesizer enabled a larger temperature range (-40 to 100 °C) and the development of a mannose building block with four orthogonal protecting groups. When utilized in the microwave-assisted platform, this building block allowed 1) on-resin global deprotection and 2) the synthesis of glycan structures with up to four branches. In parallel, photo-labile 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene (BODIPY) protecting groups were developed. A BODIPY protecting group bearing a boron difluoride unit provided the optimal compromise between glycosylation-stability and photo-lability by green light irradiation. This protecting group enabled a solution-phase consecutive glycan assembly without intermediate purification up to a trisaccharide. The second part of this dissertation describes studies on factors that influence the stereoselectivity for 1,2-cis glycosylations (Chapter 4). The influence of positional and electronic effects in acyl and ether groups on the efficacy for remote participation were investigated. An array of uniquely substituted building blocks was synthesized followed by the evaluation in model glycosylations and cold-ion IR spectroscopy. The obtained mechanistic insights helped to design building blocks for the formation of α-(1→3)-galactosidic linkages. In Chapter 5, the new knowledge and developed methods were utilized to synthesize a conjugation-ready glycan library of the Porphorymonas gingivalis lipopolysaccharide (LPS). P. gingivalis has an immense social and medical impact as it is the major cause of chronical periodontitis and is associated with several systemic diseases. The improvement of our basic understanding of interactions between human immune system and LPS may allow for treatment and prevention strategies. Twelve LPS fragments of P. gingivalis were screened for IgG and IgA binding in human saliva and serum using glycan microarray studies, which enabled the identification of 5-amino-pentyl α-D-Galp-(1→6)-α-D-Glcp-(1→4)-α-L-Rhap-(1→3)-2-β-D-GalNAc as a potential glycoconjugate vaccine candidate against P. gingivalis.

Kohlenhydrate sind die vielfältigsten und verbreitetsten Biomoleküle in der Natur und sind essentiell für eine Vielzahl an Abläufen in Organsimen. Oberflächen-Glykane von Pathogenen können als Antigene dienen und haben Potential für die Entwicklung von Glykokonjugatimpfstoffen. Die automatische Festphasensynthese (engl. Automated Glycan Assembly, AGA) kann diese Glykane schnell bereitstellen. Syntheseschwierigkeiten von Glykanen im AGA kommen vor allem durch ihre Komplexität, die strenge Einhaltung von Regio- und Stereokontrolle voraussetzt, aber auch durch technische Grenzen der AGA-Synthesemaschinen zustande. Das allgemeine Ziel meiner Forschung war die Verbesserung des AGA-Repertoire durch die Einführung von orthogonalen Schutzgruppen und die Entwicklung von neuen Strategien für 1,2-cis-stereoselektive Glykosylierungen. Der erste Teil dieser Dissertation fokussiert sich auf die Orthogonalität und die Erweiterung des Schutzgruppen-Portfolios (3. Kapitel). Die Einführung von Mikrowellen-assistenz in die AGA-Synthesemaschine ermöglichte eine größere Temperaturspanne (-40 bis 100 °C) und die Entwicklung eines komplett orthogonalen Mannose-Bausteines. Dieser Baustein erlaubte zum einen die globale Entschützung am Harz und zum anderen den Aufbau von Strukturen mit bis zu vier Verzweigungen. Außerdem wurden photo-labile BODIPY-Schutzgruppen entwickelt. Eine BODIPY-Schutzgruppe mit einer Bordifluorid-Einheit bot einen guten Kompromiss zwischen Glykosylierungs-Stabilität und Photoreaktivität bei grünem Licht. Dies ermöglichte eine fortlaufende Glykan-Herstellung ohne intermediäre Aufreinigungen bis zum Trisaccharid. Der zweite Teil der Dissertation beschreibt Studien zu Einflussfaktoren auf die Stereoselektivität von 1,2-cis-Glykosylierungen (4. Kapitel). Es wurden elektronische Effekte von Acyl- und Ether-Gruppen und der Effekt ihrer Position auf die Effizienz von Fern-Beteiligung untersucht. Dies wurde durch die Synthese einer Vielzahl an substituierten Bausteinen, ihrer Evaluation in Test-Glykosylierungen und Kalt-Ionen-Spektroskopie verwirklicht. Die so erhaltenen mechanistischen Einblicke halfen dabei, Bausteine für die Bildung von α-(1→3)-galactosidischen Bindungen zu entwickeln. Das erlernte Wissen und die entwickelten Methoden wurden im 5. Kapitel für die Synthese einer Glykan-Bibliothek aus konjugations-bereiten Teilen der LPS-Wiederholungseinheit von Porphyromonas gingivalis verwendet. P. gingivalis hat einen großen sozialen und medizinischen Impakt, da es der Hauptauslöser von chronischer Parodontitis ist und mit verschiedenen systemischen Krankheiten in Verbindung steht. Mikroarray-Studien zur Überprüfung von IgG- und IgA-Bindung aus Speichel und Serum ermöglichten die Identifizierung eines potentiellen Glykokonjugat-Impfstoff-Kandidaten (-D-Galp-(1→6)-α-D-Glcp-(1→4)-α-L-Rhap-(1→3)-2-β-D-GalNAc) gegen P. gingivalis.