Automated Glycan Assembly of Oligomannose Glycans for Sensing Applications

Abstract

Carbohydrates are useful building blocks for supramolecular assemblies offering the possibility of multiple hydrogen bonding. Several carbohydrate- functionalized multivalent scaffolds have been used to study weak carbohydrate-protein (CPIs) and carbohydrate-carbohydrate interactions (CCIs). Simple glycans such as mono or disaccharides have been largely in use to synthesize multivalent scaffolds since until very recently, complex glycans were rarely accessible. Complex and pure saccharides are needed in order to deeply understand the structure and function of the glycans. Chemical synthesis of linear and branched carbohydrates helps to get insights into multivalency, structure-activity relationship and to understand the role of glycans in living organisms. Automated glycan assembly (AGA) offers the possibility to achieve complex and pure structures with relatively little effort. The work presented here covers various glycans starting from the linear mannose monosaccharide construct to longer and branched mannose and arabinose oligosaccharide structures assembled using AGA. A cyclodextrin (CD) based multivalent carbohydrate systems on a graphene surface was developed. Carbohydrate functionalized scaffolds were self-assembled on a two-dimensional (2D) surface to improve the understanding of the mechanisms of multivalent interactions (Chapter 2). Cyclodextrin supramolecular glycoclusters were chosen due to their ability to form stable host-guest complexes permitting to control the orientation, spacing, and shape of the glycoclusters. The formation of a host–guest complex on the carbon surface provides a versatile strategy, not only to increase the intrinsic water solubility of graphene- based materials, but more importantly to facilitate the binding of the desired biofunctional groups on the surface. The resulting glycosylated carbon material is an excellent platform for selectively wrapping and agglutination of E.coli due to the vital recognition role of carbohydrates and the unique 2D large flexible surface area of the graphene sheets. The captured bacteria were partially released by adding a competitive guest such as sodium adamantine carboxylate (AdCNa). The unique thermal IR-absorption properties of graphene derivatives were used to kill the captured bacteria in the graphene–sugar–E.coli complex by IR-irradiation method. To facilitate the synthesis of longer linear and branched oligosaccharides, the automated glycan assembly of lipoglycans (lipomannan and lipoarabinomannan) from the cell wall of Mycobacterium tuberculosis, exploring α-(1→6) and α-(1→2)-glycosidic linkage were designed (Chapter 3). Mannose and arabinose building blocks have been used to assemble the library of lipoglycans fragments on Merrifield resin. Shorter LM structures were easily assembled and the compounds were isolated in short time and high yield, while the syntheses of larger oligosaccharides require further optimization. Assembled linear and branched cell wall fragments will be used in the future to gain molecular-level understanding of the role of lipoglycans in mycobacterial pathogenesis. Synthesized linear mannose structures assembled with AGA are also optimal substrates for the study of structure function relationship of glycans. Moreover, to expand the knowledge on carbohydrate-lectins interaction another self-assembled system such as Janus dendrimers was studied (Chapter 4). Janus glycodendrimers were obtained using mannose oligosaccharides studied for their shape and functions in biological processes. Janus glycodendrimers functionalized with higher and branched mannose oligosaccharides containing α-(1→2)-glycosidic linkage resulted into more binding towards the ConA lectin than linear oligosaccharides containing α-(1→6)-glycosidic linkage.

Kohlenhydrate sind nützliche Bausteine für supramolekulare Strukturen, die Möglichkeiten zur Ausbildung multipler Wasserstoffbrückenbindungen bieten. Verschiedene Kohlenhydrat-funktionalisierte multivalente Gerüste stehen zur Verfügung, um schwache Kohlenhydrat-Protein- (CPIs) und Kohlenhydrat- Kohlenhydrat-Interaktionen (CCIs) zu untersuchen. Hauptsächlich wurden dabei bis vor kurzem einfache Glykane wie Mono- oder Disaccharide für die Synthese multivalenter Gerüste verwendet; komplexe Glykane waren selten verfügbar. Komplexe und reine Saccharide sind aber vonnöten, um ein tiefes Verständnis der Struktur und Funktion der Glykane zu erlangen. Die chemische Synthese linearer und verzweigter Kohlenhydrate hilft dabei, Einblicke in die Multivalenz, Struktur-Aktivität-Beziehungen und die Rolle von Glykanen in lebenden Organismen zu erlangen. Automated Glycan Assembly (AGA) bietet die Möglichkeit, komplexe und reine Strukturen mit relativ wenig Aufwand zu erhalten. Die hier präsentierte Arbeit umfasst unterschiedliche Glykane, beginnend mit einem linearen Mannose-Monosaccharid-Konstrukt bis hin zu längeren und verzweigten Mannose- und Arabinose-Oligosaccharid-Strukturen, welche mit Hilfe von AGA erzeugt wurden. Es wurde ein Cyclodextrin (CD)-basiertes mulitvalentes Kohlenhydrat-System auf einer Graphen-Oberfläche entwickelt. Um das Verständnis der Mechanismen multivalenter Interaktionen zu verbessern, wurden Kohlenhydrat-funktionalisierte Gerüste auf einer zwei- dimensionalen Oberfläche selbst-assembliert (Kapitel 2). Supramolekulare Cyclodextrin-Glyco-Cluster wurden wegen ihrer Fähigkeit ausgewählt, stabile Wirt-Gast-Komplexe zu bilden, die eine Kontrolle der Orientierung, des Abstandes und der Form der Glyco-Cluster erlauben. Die Bildung von Wirt-Gast- Komplexen auf der Karbon-Oberfläche bietet eine vielseitig einsetzbare Strategie, um nicht nur die intrinsische Wasserlöslichkeit Graphen-basierter Materialien zu verbessern, sondern vor allem auch um die Bindung der gewünschten biofunktionalen Gruppen an die Oberfläche zu ermöglichen. Das resultierende glykosylierte Carbon-Material ist aufgrund seiner wichtigen Rolle in der Kohlenhydrat-Erkennung und der einzigartigen großen, flexiblen 2D-Oberfläche der Graphen-Flächen eine ausgezeichnete Plattform für die selektive Ummantelung und Agglutination von E. coli-Zellen. Die eingefangenen Bakterien wurden durch die Zugabe eines kompetitiven Gastes wie z.B. Natrium- Adamantin-Karboxylat (AdCNa) partiell freigelassen. Die einzigartigen thermalen IR-Absorptionseigentschaften von Graphene-Derivativen wurden genutzt, um die eingefangenen Bakterien im Graphen-Zucker-E. coli-Komplex mittels IR-Bestrahlung abzutöten. Um die Synthese von längeren linearen und verzweigten Oligosacchariden zu erleichtern, wurde die Automated Glycan Assembly von Lipoglykanen (Lipomannan und Lipoarabinomannan) aus der Zellwand von Mycobacterium tuberculosis, die α- (1 → 6) und α- (1 → 2) -Glycosidische Verknüpfung untersuchte entworfen. Für die Synthese einer Bibliothek von Lipoglykan-Fragmenten auf Merrifield-Resin wurden Mannose- und Arabinose- Bausteine genutzt. Kürzere LM-Strukturen konnten leicht assembliert werden und die Verbindungen wurden in kurzer Zeit mit hoher Ausbeute isoliert, während die Synthese längerer Oligosaccharid-Fragmente weiterer Optimierung bedarf. Assemblierte lineare und verzweigte Zellwand-Fragmente werden in der Zukunft genutzt werden, um auf der molekularen Ebene Einblicke in die Rolle von Lipoglykanen in der mycobaktierellen Pathogenese zu erlangen. Um das Wissen um Kohlenhydrat-Lektin-Interaktionen zu erweitern, wurde ein weiteres selbst- assemblierendes System wie die Janus-Dendrimere untersucht (Kapitel 4). Es wurden Janus-Glykodendrimere hergestellt und mit langen und verzweigten Mannose-Oligosacchariden funktionalisiert, welche α-(1→2) und α-(1→6)-glycosidische Bindungen enthalten. Die Wichtigkeit der α-(1→2)-glycosidischen Bindung gegenüber ihrem α-(1→6)-Analog konnte in Bindungsstudien mit dem Lektin ConA gezeigt werden.