Synthesis of Sequence-defined Glycooligomers for Studying Multivalent Interactions

Abstract

This thesis presents a novel synthetic approach towards sequence defined, monodisperse glycooligomers employing solid phase polymer synthesis and their use as precision glycomimetics. The synthetic principle is based on the stepwise assembly of functional building blocks on a solid support thereby allowing for the control of the overall chain length as well as the positioning of building blocks within the chain. In a first step, two sets of functional building blocks were introduced: First, a functional building block carrying an alkyne side chain allowing for the conjugation with sugar ligands via CuAAC reaction was designed. Secondly, spacer building blocks were synthesized enabling the incorporation of a desired distance between the sugar moieties and modulate polymer backbone properties such as hydrophobicity and flexibility. The building blocks developed in this thesis were then applied for solid phase synthesis of a) homomultivalent glycooligomers b) heteromultivalent glycooligomers, and c) photoswitchable glycooligomers with tunable backbone properties. Homomultivalent glycooligomers were synthesized by simultaneous conjugation of the same type of sugar ligand after backbone assembly. Heteromultivalent glycooligomers were generated by a sequential coupling-conjugation protocol during backbone assembly. Photoswitchable glycooligomers were synthesized by using the synthetic approach of homomultivalent structures but using a different spacer building block. A library of glycooligomers was synthesized varying specific parameters known to influence multivalent binding: Number and spacing of sugar ligands was varied for ten homomultivalent structures. Five heteromultivalent glycooligomers presenting combinations of mannose together with galactose or glucose ligands displaying heterogeneity of sugar ligands were obtained. A change in backbone properties and spacing of sugar ligands was achieved by four photoswitchable structures incorporating a hydrophobic, stiff, azobenzene-moiety containing spacer in contrast to an ethyleneglycol based flexible, hydrophilic spacer used for the homo- and heteromultivalent glycooligomers. With this novel set of precision glycomimetics, fundamental investigations on multivalent ligand- receptor interactions were performed. Different binding assays were employed to study specific effects of multivalent binding towards sugar-recognizing lectin receptors Con A and PA-IL.

Diese Arbeit beschäftigte sich mit einem neuen Ansatz zur Synthese von sequenzdefinierten, monodispersen Glykooligomeren mit Hilfe der Festphasen- Polymersynthese sowie der Untersuchung der erhaltenen Makromoleküle als neuartige Glykomimetika. Das Prinzip basiert auf der schrittweisen Kupplung geeigneter Bausteine an einer Festphase. Durch die Kontrolle der einzelnen Additionsschritte werden so monodisperse Ketten erhalten und durch die Wahl der Bausteine die Positionierung funktioneller Gruppen in der Kette möglich. Im ersten Schritt wurden daher zunächst geeignete funktionelle Bausteine hergestellt: Zum einen wurde ein Baustein mit Alkinseitenkette entwickelt, der die Anbindung von Zuckerliganden mithilfe der CuAAC Reaktion ermöglicht. Zum anderen wurden Spacer Bausteine hergestellt, die sowohl den Abstand der Zuckerliganden entlang der Kette kontrollieren als auch die Eigenschaften des Oligomerrückgrats, etwa Hydrophobizität und Flexibilität, beeinflussen. Diese neu entwickelten Bausteine wurden dann in der Festphasensynthese eingesetzt zur Herstellung von a) homomultivalenten Glykooligomeren, b) heteromultivalenten Glykooligomeren und c) fotoschaltbaren Glykooligomeren mit veränderbaren Eigenschaften des Oligomerrückgrats. Homomultivalente Glykooligomere wurden mithilfe einer simultanen Anbringung des gleichen Zuckerliganden im Anschluss an den Aufbau der Oligomerkette hergestellt. Heteromultivalente Glykooligomere wurden durch einen sequentiellen Kupplungs- Konjugations-Ansatz während der Festphasensynthese erzeugt. Fotoschaltbare Glykooligomere wurden durch den gleichen synthetischen Ansatz wie die homomultivalenten Glykooligomere hergestellt, aber unter Benutzung eines anderen Spacer-Bausteins. Mit Hilfe dieser Syntheseplattform wurde dann eine Bibliothek von Glykooligomeren erzeugt und spezifische strukturelle Parameter variiert, von denen bekannt ist, dass sie multivalente Bindungen beeinflussen: Anzahl und Abstand der Zuckerliganden wurden bei zehn homomultivalenten Strukturen verändert. Fünf verschiedene heteromultivalente Glykooligomere präsentieren Kombinationen aus bindenden (Mannose) und nicht- bzw. schwächer bindenden Liganden (Galaktose- oder Glukoseliganden). Eine Veränderung der strukturellen Eigenschaften des Oligomerrückgrats und Abstand der Zuckerliganden wurde bei vier verschiedenen fotoschaltbaren Strukturen erzeugt durch den Einbau von hydrophoben, steifen AZO-Bausteinen anstelle der zuvor exklusiv verwendeten flexiblen, hydrophilen Ethylenglykol-Spacern. Mit dieser ersten Bibliothek hoch-definierter Glykomimetika wurden dann Studien zur multivalenten Ligand-Rezeptor-Wechselwirkung durchgeführt. Hierzu wurden verschiedene Bindungsassays benutzt, um so spezifische Effekte multivalenter Bindung an Con A und PA IL Lektinen zu erforschen.