Synthesis of oligosaccharides related to plant rhamnogalacturonan-II

Abstract

Pectins are abundant polysaccharides in plant-derived biomass, with a plethora of possible applications such as usage as food preservative, formulation for cancer treatment and corrosion inhibitors for steels among many others. These acidic polysaccharides of high structural complexity have important biological functions in the plant cell wall. One domain of pectin, rhamnogalacturonan-II (RG-II) is the most complex oligosaccharide known to date. It is constructed from at least 13 different monosaccharides and at least 21 distinct glycosidic linkages. Despite its complexity, it is widely conserved in the plant kingdom. RG-II molecules form borate diesters with each other, an essential structure in the cell wall for plant growth. However, very little is known about the biosynthesis, the structure-function relationships and the three-dimensional structure of RG-II. Synthetic oligosaccharides that are well-defined and of high purity are very valuable tools to study RG-II. Here, a synthetic approach to a highly complex side chain A nonasaccharide equipped with an aminoalkyl linker for later immobilization on surfaces or fuctionalization with fluorescent dyes was developed. The main challenges were to design a retrosynthetic approach for the branched target nonasaccharide with a highly orthogonal protective group strategy, to find suitable glycosylation strategies to construct all nine glycosidic bonds, including four 1,2-cis-glycosidic bonds between monosaccharides, and the 1,2-cis-selective installation of an aminoalkyl linker at the reducing end. Using this strategy, small amounts of a protected version of the full side chain A analogue containing one backbone galacturonic acid were succesfully synthesized in 89 steps. Key transformation was a final [4+5]-glycosylation that requires further optimization. The results demonstrate that even the most complex oligosaccharides become synthetically accessible if modern synthetic glycochemistry methods are applied and further developed. Additionally, three linear side chain A fragments were synthesized. The obtained side chain A fragments are important tools for the investigation of RG-II biosynthesis. Furthermore, they may be useful to investigate structure-function relationships and the three-dimensional structure of the highly complex RG-II structure, which remain currently elusive. With the developed synthetic methods further RG-II fragments can be synthesized, expanding the molecular toolbox for studying RG-II biology.

Pektine sind in pflanzlicher Biomasse reichlich vorhandene Polysaccharide, die eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten bieten, z. B. als Konservierungsmittel für Lebensmittel, in der Formulierung von Medikamenten für die Krebsbehandlung, als Korrosionsschutzmittel für Stähle und vieles mehr. Diese sauren Polysaccharide von hoher struktureller Komplexität haben wichtige biologische Funktionen in der pflanzlichen Zellwand. Eine Domäne des Pektins, Rhamnogalacturonan-II (RG-II), ist das komplexeste bisher bekannte Oligosaccharid. Es besteht aus mindestens 13 verschiedenen Monosacchariden und mindestens 21 verschiedenen glykosidischen Bindungen. Trotz seiner Komplexität ist es im Pflanzenreich weitgehend konserviert. RG-II-Moleküle bilden miteinander Boratdiester, eine für das Pflanzenwachstum unerlässliche Struktur in der Zellwand. Über die Biosynthese, die Struktur-Funktions-Beziehungen und die dreidimensionale Struktur von RG-II ist jedoch nur sehr wenig bekannt. Synthetische Oligosaccharide, die strukturell definiert und von hoher Reinheit sind, sind äußerst wertvolle Werkzeuge zur Untersuchung von RG-II. Hier wurde ein synthetischer Ansatz für ein hochkomplexes Nonasaccharid der Seitenkette A von RG-II entwickelt, das mit einem Aminoalkyl-Linker zur späteren Immobilisierung auf Oberflächen oder zur Funktionalisierung mit Fluoreszenzfarbstoffen ausgestattet ist. Die wichtigsten Herausforderungen bestanden darin, einen retrosynthetischen Ansatz für das verzweigte Ziel-Nonasaccharid mit einer hoch orthogonalen Schutzgruppenstrategie zu entwickeln, geeignete Glykosylierungsstrategien zu finden, um alle neun glykosidischen Bindungen, einschließlich vier 1,2-cis-glykosidischen Bindungen, zu konstruieren, und in der 1,2-cis-stereoselektiven Installation eines Aminoalkyl-Linkers. Mit der entwickelten Strategie wurden kleine Mengen eines geschützten Analogons der Seitenkette A, das eine Galakturonsäure aus dem Rückgrat der RG-II-Struktur enthält, in 89 Schritten erfolgreich synthetisiert. Die wichtigste Transformation war die abschließende [4+5]-Glykosylierung, die noch weiter optimiert werden muss. Außerdem wurden drei lineare Seitenkette-A-Fragmente synthetisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst die komplexesten Oligosaccharide synthetisch zugänglich sind, wenn moderne Methoden der synthetischen Glykochemie angewendet und weiterentwickelt werden. Die hergestellten Fragmente sind ein wichtiges Werkzeug für die Untersuchung der RG-II-Biosynthese. Darüber hinaus sind sie sehr nützlich, um Struktur-Funktionsbeziehungen und die dreidimensionale Struktur der hochkomplexen RG-II-Struktur zu untersuchen, die derzeit noch nicht bekannt sind. Mit den entwickelten Synthesemethoden können weitere RG-II-Fragmente synthetisiert werden, wodurch der molekulare Werkzeugkasten für die Forschung im Bereich der RG-II-Biologie deutlich erweitert werden kann.