Gewundene Moleküle

Die physiologischen Funktionen von Proteinen beruhen auf deren Faltung zu einer speziellen räumlichen Struktur (Tertiärstruktur): Enzyme und ihr Substrat müssen zueinander passen wie der viel zitierte Schlüssel zum Schloss. Wie sich inzwischen herausstellte, sind aber nicht nur große Biomoleküle zu einer stabilen, definierten Faltung in der Lage, sondern auch synthetische Moleküle.

Diese so genannten Foldamere können sogar die biologische Funktion der Proteine nachahmen, deren Form sie nachempfunden sind. Ihre Größe und Komplexität waren bisher allerdings recht begrenzt. Französische Forscher haben nun ein komplex gefaltetes, ausschließlich aus nichtnatürlichen Bausteinen aufgebautes Molekül hergestellt, dessen Abmessungen den Tertiärstrukturen kleinerer Proteine entsprechen.

Das Team um Ivan Huc wollte beim Design ihres Foldamers nicht auf das Bauprinzip von Proteinen zurückgreifen, da eine Synthese langer Ketten aus kleinen Einzelbausteinen schwierig ist. Verzweigte Strukturen hieß ihre Alternative. Dabei griffen sie ein wichtiges Strukturelement von Proteinen auf: die Helix. Die Forscher verknüpften acht Chinolin-Einheiten (stickstoffhaltige aromatische Sechsringe mit einer gemeinsamen Kante) zu einer Kette. Ein solches Octamer windet sich zu einer Helix. Je zwei dieser Octamere verbrückten sie über eine spezielle Verzweigungsstelle. Diese fügt sich so gut zwischen die beiden Octamere ein, dass eine durchgehende, stabile Helix entsteht. Über ihre Verzweigungsstellen lassen sich nun zwei solcher helikalen Gebilde seitlich miteinander verknüpfen. Die beiden Helices ordnen sich dabei nicht parallel zueinander an, sondern im rechten Winkel.

Helices können sich rechts oder links herum winden. Bei Peptiden wird der Drehsinn durch die räumliche Struktur der einzelnen Bausteine eindeutig definiert. Bei der Synthese der Vierfach-Octamere entstehen dagegen gleichberechtigt rechts- und linksgewundene Helices. Welche Präferenzen die Helices bei der Paarung zeigen, ist abhängig vom Lösungsmittel: In Aromaten ist die Paarung zweier gleichgerichteter Helices deutlich bevorzugt (70%), in chlorierten Kohlenwasserstoffen entstehen zu 93% Pärchen mit gegengerichtetem Drehsinn. Bei einem Wechsel des Lösungsmittels ändern die Helices ihren Drehsinn, bis die Präferenzen wieder stimmen. „Dies beweist, dass die beiden Helices, genau wie in einem gefalteten Protein, in starke Wechselwirkungen treten,“ sagt Huc. „Unser abiotisches Foldamer ist das erste seiner Art und zeigt, dass es möglich ist, gefaltete Moleküle zu synthetisieren, die von ihrer Größe und strukturellen Komplexität her die Tertiärstruktur von Proteinen nachahmen, aber ausschließlich aus nichtnatürlichen Bausteinen bestehen.“ Ziel ist die Herstellung künstlicher Gebilde mit definierten Bindungsstellen und eindeutig positionierten katalytischen Gruppen für die kontrollierte Reaktion mit spezifischen Substraten.

Angewandte Chemie: Presseinfo 42/2006

Autor: Ivan Huc, Institut Européen de Chimie et Biologie, Pessac (France), http://www.iecb.u-bordeaux.fr/index.php?id=66

Angewandte Chemie, doi: 10.1002/ange.200603390

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