Naturstoffe: Intricaren erstmals photochemisch synthetisiert

LMU-Forschern ist die photochemische und biomimetische Synthese des Naturstoffes Intricaren gelungen, der aus der karibischen Koralle Pseudopterogorgia kallos isoliert wurde. Dabei klärten sie den komplexen und überraschenden Mechanismus der lichtinduzierten Reaktionskaskade auf.

Über ihre Ergebnisse, die der interdisziplinären Zusammenarbeit im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen“ entstammen, berichten die Forscher aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

„Für einen bereits früher aus der Koralle isolierten Naturstoff wurde Antimalaria-Aktivität und eine signifikante Zytotoxizität gegenüber Lungen- und Nierenkrebszelllinien festgestellt. Intricaren jedoch konnte bislang nicht genauer auf seine biologischen Eigenschaften untersucht werden, weil die Substanz nicht in ausreichender Menge vorhanden war“, sagt Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik vom Department Chemie der LMU.

In Zusammenarbeit mit Regina de Vivie-Riedle, Professor für Theoretische Chemie an der LMU, und Eberhard Riedle, Professor für Experimentalphysik an der LMU, ist es den Forschern erstmals gelungen, Intricaren unter Bedingungen zu synthetisieren, die denen in der Koralle entsprechen und den komplexen Reaktionsmechanismus aufzuklären.

Naturstoffmolekül zeigt alle Facetten der Photochemie

Sonnenlicht ist der entscheidende Faktor bei der Biosynthese. Die photochemischen Reaktionen in der letzten Phase der Biosynthese scheinen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von sogenannten Furanocembranoiden wie Intricaren zu spielen.

Bei der Photosynthese verwandelt sich Licht in chemische Energie und kann komplexe Reaktionsmechanismen auslösen. In der Koralle wird durch direkte Umwandlung der Lichtenergie die Synthese von Intricaren ermöglicht.

Wissenschaftler um Dirk Trauner bestrahlten ein Derivat des Naturstoffes Bipinnatin J, das aus der Koralle isoliert wurde, mit einer Reptilienlampe, deren Emissionsspektrum dem des Sonnenlichts ähnelt. Dadurch konnten sie Intricaren und ein weiteres bisher unbekanntes Produkt synthetisieren. „Diese Naturstoffsynthese ist erstmals unter biomimetischen Bedingungen, also nur durch Verwendung von Licht ohne hohe Temperaturen und reaktive Reaktionspartner gelungen“, sagt Dirk Trauner.

Wie Eberhard Riedle durch photophysikalische Messungen nachwies, ist dabei die Anregung einer schwachen Absorptionsbande des Ausgangsstoffs entscheidend. „Die lange Bestrahlungsdauer im Experiment entspricht den biologischen Bedingungen und ermöglicht die photochemische Initiierung der Reaktion“, erläutert Eberhard Riedle.

Die Arbeitsgruppe von Regina de Vivie-Riedle konnte mithilfe quantenchemischer Rechnungen den komplexen Mechanismus der Reaktionskaskade aufklären. Intricaren entsteht über das Zwischenprodukt Oxidopyrylium und anschließender photochemischer Cycloaddition, bei der ungesättigte Systeme durch Ringschluss miteinander reagieren. Die verschiedenen Reaktionsschritte verlaufen dabei über Triplettzustände, in denen zwei Elektronen ungepaart sind.

„Die lange Lebensdauer der Triplettzustände ermöglicht es, dass die Moleküle die verschiedenen Schritte der Reaktionskaskade im angeregten Zustand durchlaufen und vermeidet damit die im elektronischen Grundzustand vorhandenen hohen Barrieren“, erklärt Regina de Vivie-Riedle. Selbst wenn im Verlauf der langen Reaktionskaskade das Molekül zurück in den Grundzustand fällt, kann sich das Intermediat Oxidopyrylium durch Absorption von Licht erneut in die Reaktionskaskade einfädeln.

„Wir finden in diesem kleinen Naturstoffmolekül alle Facetten der Photochemie von Lichtabsorption und Energieumverteilung“, hebt Regina de Vivie-Riedle die Überraschung des Forscherteams hervor. Photochemische Experimente mit einem weiteren Derivat des Naturstoffes Bipinnatin J bestätigten den Reaktionsmechanismus. „Dessen genaues Verständnis soll es in Zukunft erlauben, Intricaren in größeren Mengen herzustellen und auf seine potenziellen Eigenschaften als Krebsmedikament zu untersuchen“, sagt de Vivie-Riedle.

Die interdisziplinären Arbeiten wurden ermöglicht durch die Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 749 „Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen“ und durch weitere Netzwerke: Dirk Trauner ist Mitglied des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM), Regina de Vivie-Riedle und Eberhard Riedle sind Mitglieder des Exzellenzclusters „Munich Centre of Advanced Photonics“ (MAP).

Publikation:
Desiree Stichnoth, Patrick Kölle, Thomas J. Kimbrough, Eberhard Riedle, Regina de Vivie-Riedle and Dirk Trauner:
„Photochemical Formation of Intricarene“
In: Nature Communications

Ansprechpartner:
Prof. Regina de Vivie-Riedle
Department Chemie der LMU
E-Mail: Regina.de_Vivie@cup.uni-muenchen.de
Tel.: 089 / 2180-77533

Prof. Dirk Trauner
Department Chemie der LMU
Ludwig-Maximilians-Universität München
E-Mail: dirk.trauner@lmu.de
Tel: 089 / 2180-77800