Mucins are heavily glycosylated proteins, with carbohydrates comprising up to 80% of their weight. They form the primary component of mucus, a complex protective hydrogel that covers all biointerfaces in mammals. Mucins play important biological roles in our body, e.g. protection against pathogens, yet the role of the glycans is still poorly understood. The primary objective of my doctoral research was to deconstruct mucin complexity by generating well-defined, fully synthetic mucin-like glyco-hydrogels using self-assembling systems. I worked on two approaches to create supramolecular mucin mimetics capable of forming hydrogels, which serve as models to study mucus and explore relationships between composition, structure, and properties. By mimicking natural mucin structures with previously established coiled-coil peptides or self-assembling oligosaccharides as backbones, and decorating them with carbohydrates, I aimed to understand the rules governing hydrogel formation to create tuneable and responsive synthetic mucin-like hydrogels. In Chapter 2 of the thesis, I synthesized various mucin-relevant well-defined oligosaccharides with Automated Glycan Assembly (AGA). I designed a novel building block (BB) for the installation of α-GalNAc with complete stereoselectivity, aiding access to mucin core structures. I also developed chemoenzymatic synthesis strategies to access sialylated structures, expanding the scope of this work. Five synthesized structures were used by the group of Prof. Dr. Koksch to decorate a hydrogel-forming peptide, hFF03, to generate simple mucus models. Regardless of the type of carbohydrate substitution, the hydrogels maintained similar secondary structures and exhibited consistent fiber morphology. In contrast, small differences in the carbohydrate composition affected the viscoelastic behavior. In Chapter 3 I analyzed how parameters connected to the solid-support affect the AGA outcomes for three model glycan sequences. The study showed that, while loading and reaction scale did not significantly influence the AGA outcome, the chemical nature of the linker dramatically altered the isolated yields. I identified that the major determinants of AGA yields are cleavage from the solid-support and post-AGA steps. The study suggests that loading and reaction scale don't significantly affect AGA, therefore offering insights for scaling up mucin-related glycan synthesis. In Chapter 4 I focused on cellulose-based (A8) supramolecular hydrogels with tunable properties to mimic native mucus. I synthesized three XA8C analogues carrying a 3,6-methylated glucose residue (C) and a saccharide epitope (X). Furthermore, I developed a chemoenzymatic method to create a sialylated analogue, Sia6GA8C, adding complexity to the toolbox of mucus-inspired hydrogels. In this thesis, I deconstructed the complexity of mucins by developing well-defined, artificial mucin-like glyco-hydrogels through innovative self-assembling systems. The established synthetic platforms and methodologies offer a versatile toolkit for further investigations into the biological roles of mucin-type glycosylation and the development of novel therapeutic strategies.
Muzine sind stark glycosylierte Proteine, deren Gewicht zu 80% von Kohlenhydraten bestimmt wird. Sie bilden die Hauptkomponente von Mucus, einem komplexen, schützenden Hydrogel, das alle Biooberflächen in Säugetieren bedeckt. Muzine spielen eine wichtige biologische Rolle im menschlichen Körper, wie z. B. der Schutz vor Krankheitserregern, wobei die genaue Funktion der Kohlenhydrate noch nicht geklärt ist. Das Hauptziel meiner Doktorarbeit war es, Muzine mithilfe von wohldefinierten, synthetischen, kohlenhydratbasierten Hydrogelen mit selbstorganisierenden Eigenschaften zu untersuchen. Ich arbeitete an zwei Ansätzen, um supramolekulare Mucin-Mimetika zu erschaffen. Diese Hydrogele dienen als Modelle, mit denen die Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften von Mucus erforscht werden können. Durch das Nachahmen natürlicher Mucinstrukturen mit Coiled-Coil-Peptiden oder selbstorganisierenden Oligosacchariden als Rückgrat und deren Dekoration mit Kohlenhydraten wollte ich die zugrundeliegenden Regeln der Hydrogelbildung erforschen. Mit diesen Erkenntnissen wollte ich anpassbare und reaktionsfähige Hydrogele darstellen. In Kapitel 2 der Dissertation habe ich mithilfe der automatisierten Glykan-Synthese (AGA) verschiedene, für Muzine relevante, wohldefinierte Oligosaccharide synthetisiert. Ich entwarf einen neuartigen Baustein (BB) zur Installation von α-GalNAc mit vollständiger Kontrolle über die Stereoselektivität, um den Zugang zu Mucin-Kernstrukturen zu ermöglichen. Außerdem entwickelte ich chemoenzymatische Synthesestrategien, mit denen sialylierte Strukturen erschlossen werden konnten. Fünf synthetisierte Strukturen wurden von der Gruppe von Prof. Dr. Koksch zur Dekoration eines Hydrogel-bildenden Peptids (hFF03) verwendet. Diese einfachen Mucusmodelle wurden anschließend analysiert. Unabhängig von der Art der Kohlenhydrat-Substitution behielten die Hydrogele ähnliche Sekundärstrukturen bei und zeigten eine konsistente Faser-Morphologie. Zudem beeinflussten kleine Unterschiede in der Kohlenhydrat-Zusammensetzung das viskoelastische Verhalten der synthetischen Hydrogele. In Kapitel 3 analysierte ich, wie die Beschaffenheit der Festphase die AGA-Ergebnisse für drei Modell-Glykan-Sequenzen beeinflusste. Die Studie zeigte, dass zwar die Beladung und der Reaktionsmaßstab das AGA-Ergebnis nicht signifikant beeinflussten, jedoch die chemische Natur des Linkers die isolierten Ausbeuten drastisch veränderte. Ich stellte fest, dass die Hauptfaktoren für die AGA-Ausbeuten die Abspaltung von der Festphase und die weiteren Syntheseschritte nach der AGA sind. Damit legt die Studie nahe, dass die Mucin-bezogene Glykan-Synthese skaliert werden kann. In Kapitel 4 konzentrierte ich mich auf supramolekulare Hydrogele auf Cellulosebasis (A8) mit anpassbaren Eigenschaften, um nativen Mucus nachzuahmen. Ich synthetisierte drei XA8C-Analoga, die einen 3,6-methylierten Glucoserest (C) und ein Saccharid-Epitop (X) tragen. Darüber hinaus entwickelte ich eine chemoenzymatische Methode zur Herstellung eines sialylierten Analogons, Sia6GA8C, um die Komplexität der mucusinspirierten Hydrogele zu erhöhen. In dieser Dissertation habe ich wohldefinierte, künstliche, mucinähnliche, kohlenhydratbasierte Hydrogele durch innovative, selbstorganisierende Systeme entwickelt. Diese neu etablierten Methoden bieten eine vielseitige Toolbox für die Untersuchung der biologischen Rolle der Mucin-Typ-Glykosylierung und für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien.
