Biopolymers self-assemble to generate dynamic and complex functional materials that carry out sophisticated tasks. Inspired by nature, chemists have sought to create artificial analogs that mimic biopolymer self-assembly. Unlike peptides and nucleic acids, carbohydrates are less understood at the molecular level and have rarely been employed as scaffolds to construct self-assembling materials. Consequently, the potential of carbohydrates in supramolecular chemistry remains largely untapped. The primary objective of my doctoral research was to establish structure-property correlations for oligosaccharides and apply this understanding to develop design principles for creating carbohydrate foldamers and self-assembling materials. Molecular dynamic (MD) simulations played a central role in elucidating the structure, function, and stability of both natural and artificial oligosaccharide systems. In Chapter 2 of the thesis, I demonstrated that synthetic chitin oligomers self-assemble into platelets, which then aggregate into higher-order structures. Environmental humidity significantly affects their morphologies, emphasizing water's role in shaping chitin-based architectures. Different humidity levels produced various shapes, from undefined assemblies to well-defined chiral bundles, suggesting the potential to create multiple architectures on- demand. In Chapter 3, I conducted a systematic analysis of the factors affecting the conformational stability of a synthetic glycan hairpin. The modular design of the synthetic hairpin enabled the investigation of the effect of various chemical modifications, showing that longer strands enhance conformational stability and that the turn motif's intrinsic conformational proclivity is crucial for hairpin folding. These findings challenge the perception of glycans as flexible molecules, suggesting they can be designed to adopt rigid conformations. In Chapter 4, I developed a platform to screen the conformational space of glycans. By using a novel MD-based approach, multiple turn sequences were identified that fold into the unique conformation of an anti-parallel glycan hairpin, showcasing the platform's potential. The insights gained from studying carbohydrate materials and glycan foldamers culminated in the rational design of the world's first prototype for de novo glycan design. This work provides a foundation for the future design of oligosaccharides with potential applications in material science, medicine, and catalysis.
Biopolymere haben die Eigenschaft sich selbst zu organisieren und dadurch dynamische und funktionale Materialien zu bilden, die in einer Vielzahl von komplexen Aufgaben involviert sind. Inspiriert von diesem Einfallsreichtum der Natur haben Chemiker versucht künstliche Analoga zu erschaffen, welche die Selbstorganisation von Biopolymeren nachahmen. Im Gegensatz zu Peptiden und Nukleinsäuren wurden Kohlenhydrate, wegen ihrer Komplexität auf molekularer Ebene, weniger erforscht und sind deshalb bisher nur selten als Gerüste zur Konstruktion selbstorganisierender Materialien verwendet worden. Das Potenzial von Kohlenhydraten im Bereich der supramolekularen Chemie ist daher noch weitestgehend ungenutzt. Das Hauptziel meiner Dissertation bestand darin, Struktur-Eigenschafts-Korrelationen für Oligosaccharide zu ergründen und diese Erkenntnisse für die Entwicklung von Designprinzipien zur Herstellung von Kohlenhydrat-Foldameren und selbstorganisierenden Materialien zu nutzen. Dabei spielten molekulardynamische (MD) Simulationen eine zentrale Rolle bei der Aufklärung von Struktur, Funktion und Stabilität von sowohl natürlichen als auch künstlichen Oligosaccharidsystemen. In Kapitel 2 der Dissertation wird gezeigt, dass sich synthetische Chitin-Oligomere zu Plättchen anordnen, die dann wiederum Strukturen höherer Ordnung bilden. Die resultierenden Morphologien wurden dabei erheblich von der Umgebungsfeuchtigkeit beeinflusst. Unterschiedliche Feuchtigkeitsniveaus führten zu verschiedenen Anordnungen, die von undefinierten bis hin zu wohldefinierten chiralen Gruppierungen reichten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich diese unterschiedlichen Architekturen nach Bedarf erzeugen lassen. In Kapitel 3 wurde die Konformationsstabilität einer synthetischen Glykan-Haarnadel systematisch analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass längere Stränge die Stabilität erhöhen und dass die Geometrie des Turn-Motivs entscheidend für die Haarnadelfaltung ist. Diese Erkenntnisse stellen die Vorstellung von Glykanen als flexible Moleküle in Frage und legen nahe, dass auch diese starre Konformationen annehmen können. In Kapitel 4 wurde eine Plattform entwickelt, die das Erforschen des konformationellen Raums von Glykanen ermöglicht. Mithilfe eines neuartigen MD-basierten Ansatzes wurden mehrere Turn-Sequenzen identifiziert, die sich zu der einzigartigen Konformation einer anti-parallelen Glykan-Haarnadel falten. Die gewonnenen Erkenntnisse aus der Untersuchung von Kohlenhydratmaterialien und Glykan-Foldameren gipfelten im rationalen Design des weltweit ersten Prototyps für das de novo Glykan-Design. Diese Arbeit bietet eine Grundlage für das zukünftige Design von Oligosacchariden mit wohldefinierter Form, mit potenziellen Anwendungen im Bereich der Materialwissenschaft, Medizin und Katalyse.
