In dieser Arbeit wurde eine neue Templat-gesteuerte fluorogene Peptidverknüpfung vorgestellt. Speziell modifizierte Peptidfragmente wurden durch die Bindung an ein Templatmolekül zu einer chemischen Reaktion befähigt, wodurch ein Fluoreszenzsignal erzeugt werden konnte. Das erlaubte eine Reaktionskontrolle in Echtzeit. Die fluorogene Peptidverknüpfung konnte erfolgreich mit einem Coiled-coil Peptid-Model etabliert werden. Dabei wurden Peptidthioester derart modifiziert, dass in räumlicher Nähe zur Thioestergruppe ein Fluorophor platziert wurde und die acetylierte Mercaptogruppe als Fluoreszenzlöscher agierte. Die modifizierten Thioester können nach dem Reaktionsmechanismus der nativen chemischen Peptidverknüpfung (NCL) unter der Bildung einer Amidbindung mit N-terminalen Cysteinylpeptiden reagieren. Die fluoreszenzlöschende Mercaptogruppe verlässt dabei den Peptidthioester als Nukleofug, wodurch ein fluoreszierendes Reaktionsprodukt entsteht. Die Templat-gesteuerte Durchführung dieser fluorogenen nativen chemischen Peptidverknüpfung (fNCL) erlaubte die Reaktionsdurchführung bei sehr geringen Peptidkonzentrationen. Die Synthese der benötigten fluorogenen Thioester gelang zum einem durch die Anwendung der selbstreinigenden Thioestersynthese mit einer Tandem-Entschützungs-Kupplungs-Strategie und zum Anderen mit Hilfe eines synthetisierten fluorogenen Azid-Thioesterbausteins, welches mit einem Alkin-modifizierten Peptid zur Reaktion gebracht wurde. Neben Coiled-coil Peptiden, wurden auch doppelsträngige DNA und Antikörper als Template für die fNCL eingesetzt. Die fNCL konnte zur Durchführung eines Abstandsscreenings angewendet werden. Es wurde eine Abhängigkeit zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und dem Abstand der Bindungsstellen im Templat für zwei reaktive Peptidbindungspartner gezeigt. Durch diese Untersuchung konnte die räumliche Abstandsgrenze zwischen zwei Bindungsstellen in einem Templatmolekül bestimmt werden, die keinen Templat-Effekt mehr beobachten lässt. / In this thesis a new template-controlled fluorogenic peptide linkage was presented. Specially modified peptide fragments were enabled to undergo a chemical reaction by binding to a template molecule, which resulted in a fluorescent signal. This allowed a reaction control in real time. The fluorogenic peptide linkage was successfully established using a coiled coil peptide model. Peptide thioesters were modified in such a way that a fluorophore was placed in close proximity to the thioester group and the acetylated mercapto group acted as fluorescence quencher. These modified thioesters can react with N-terminal cysteinyl peptides according to the reaction mechanism of the native chemical ligation (NCL) under the formation of an petide bond. The fluorescence-quenching mercapto group leaves the peptide thioester as a leaving group, resulting in a fluorescent reaction product. Template-controlled execution of this fluorogenic native chemical ligation (fNCL) allowed the reaction to be performed at very low peptide concentrations. The synthesis of the required fluorogenic thioesters was achieved on the one hand by applying a self-purifying thioester synthesis with a tandem-protective coupling strategy and on the other hand by using a synthesized fluorogenic azide thioester building block which was reacted with an alkine-modified peptide. In addition to the coiled coil peptides, double-stranded DNA and antibodies were used as templates for fNCL. Finally, the fNCL could be used to perform a distance screening. A dependence between the reaction rate and the distance between the binding sites in the template for two reactive peptide binding partners was shown. By this investigation a distance between two binding sites in a template molecule could be determined, which does not show a template effect anymore.

Das Prinzip der Multivalenz ist in der Natur allgegenwärtig, welches auch von Influenza-Viren genutzt wird, um über ihre Oberflächenproteine an epitheliale Wirtszellen zu binden. Diese Interaktion bietet einen interessanten Ansatzpunkt für multivalente Inhibitoren, wenn es gelingt, die Bedingungen für eine effiziente Wechselwirkung mit dem Virus zu entschlüsseln. Hierzu wurde in dieser Arbeit eine Charakterisierung des Hämagglutinin-Trimers (HA) auf viralen Partikeln mittels Kohlenhydrat-Nukleinsäuregerüsten und Kohlenhydrat-Polyethylenglykol (PEG)-Gerüsten vorgenommen. Distanz-Affinitäts-Beziehungen für die Interaktion des trimeren HA mit den bivalenten Präsentationen des Sialyl-LacNAc zeigten, dass bivalente PEG-Konjugate nicht in der Lage sind, eine bivalente Verstärkung der Wechselwirkungen mit der löslichen HA-Ektodomäne oder mit HA auf der viralen Oberfläche herbeizuführen, wobei die räumliche Rasterung mit PNA∙DNA-Gerüsten eine bimodale Distanz-Affinitäts-Beziehung ergab. Ein Affinitätsmaximum in einem Abstand von 52 - 59 Å wurde einer simultanen Bindung an zwei kanonische Bindungsstellen eines HA-Trimers zugeordnet, wobei ein zweites Affinitätsmaximum bei 26 Å auf die Existenz einer sekundären Bindungsstelle hindeutet. In dieser Arbeit wurde erstmals die multivalente Präsentation von Glykoliganden auf langen repetitiven DNA-Templaten demonstriert. Es wurden Nukleinsäure-Komplexe erhalten die eine vollständige Inhibierung der Virus-induzierten Hämagglutination bei einer Konzentration von 10^(-9) M des Templats erzielten, was einer 10^7-fachen Verstärkung bezogen auf den monovalenten Zucker entspricht. Neben einer hochpotenten Inhibition offenbarten distanzoptimierte bivalente und multivalente Binder auf Nukleinsäuregerüsten auch subtypspezifische Inhibition. / The principle of multivalency is omnipresent in nature, which is also used by influenza viruses to bind to epithelial host cells via their surface proteins. This interaction offers an interesting starting point for multivalent inhibitors if the conditions for an efficient interaction with the virus can be deciphered. For this purpose, the hemagglutinin trimer (HA) on viral particles was characterized using carbohydrate-nucleic acid scaffolds and carbohydrate-polyethylene glycol (PEG) scaffolds. Distance-affinity relationships for the interaction of the trimeric HA with the bivalent presentations of the sialyl-LacNAc showed that bivalent PEG conjugates are not capable of a bivalent enhancement of the interactions with the soluble HA ectodomain or with HA on the viral surface, whereby the spatial screening with PNA∙DNA scaffolds resulted in a bimodal distance-affinity relationship. An affinity maximum at a distance of 52 - 59 Å was assigned to simultaneous binding to two canonical binding sites of an HA trimer, with a second affinity maximum at 26 Å indicating the existence of a secondary binding site. In this work the multivalent presentation of carbohydrate ligands on long repetitive DNA templates was demonstrated for the first time. Nucleic acid complexes were obtained which achieved a full inhibition of the virus-induced hemagglutination at a concentration of 10^(-9) M of the template, which corresponds to a 10^7-fold increase in relation to the monovalent sugar. In addition to a highly potent inhibition, distance-optimized bivalent and multivalent binders on nucleic acid structures also revealed subtype-specific inhibition.

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass enzymresponsive Peptid-Poly(ethylenglycol)-Konjugate (Peptid-PEG-Konjugate) effizient biotransformiert und proteinresistente Beschichtungen ausbilden können. Die oberflächenspezifische Haftung eines linearen Biokonjugates auf Basis einer literaturbekannten Adhäsionsdomäne für Titandioxid-Oberflächen wurde durch Verlängerung mit einer proteolytisch spaltbaren Erkennungssequenz und einer Suppressionsdomäne temporär unterbunden. Aus einer Serie unterschiedlich modifizierter Biokonjugate wurde eine anionische Suppressionsdomäne als besonders leistungsfähige haftungsunterdrückende Einheit identifiziert. Die Prozessierung des nicht-bindenden Vorläufers mit einer spezifischen Cysteinprotease hervorgehend aus dem Tabakätzvirus (TEV Protease) bewirkte die Abtrennung der eingeführten Modifikation. Durch die Biotransformation wurden die Haftungseigenschaften der polymergebundenen Adhäsionsdomäne zurückgebildet. Das aktivierte Biokonjugat ermöglichte die nicht-kovalente PEGylierung der Metalloxid-Oberfläche. Das Konzept wurde auf divalente Peptid-PEG-Konjugate unter Verwendung verzweigter Adhäsionsdomänen und verlängerter Suppressionsdomänen übertragen. Die proteolytisch aktivierte Dimer-Beschichtung zeigte eine erhöhte Stabilität im Vergleich zum linearen Biokonjugat und demonstrierte vielversprechende Antifouling-Eigenschaften gegenüber der unspezifischen Adsorption eines Modellproteins für Serumproteine des menschlichen Blutes auf Titandioxid-Oberflächen. / The present thesis has shown that enzyme-responsive peptide-poly(ethylene glycol) (peptide-PEG) conjugates can be efficiently biotransformed to create protein-resistant coatings. The surface-specific adsorption of a linear bioconjugate is temporarily suppressed by extending a titanium dioxide adhesion domain known from literature with a proteolytically cleavable recognition site and a suitable interfering domain. From a series of differently modified bioconjugates, an anionic interfering domain was identified as particularly effective to suppress adhesive functions. The enzymatic processing of the non-binding precursor with a specific cysteine protease derived from tobacco etch virus (TEV protease) resulted in the separation of the introduced modification. The adhesive properties of the polymer-bound binding sequence were reproduced by the biotransformation process. The activated bioconjugate allowed the non-covalent PEGylation of the metal oxide surface. The concept was applied to divalent peptide-PEG conjugates using branched adhesion domains and extended interfering domains. The proteolytically activated dimer coating showed increased stability against dilution compared to the linear bioconjugate and demonstrated promising antifouling properties against the non-specific adsorption of a model protein for human blood serum proteins to titanium dioxide surfaces.

Photoschalter sind Moleküle, die eine reversible lichtgesteuerte Umwandlung zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlichen Eigenschaften durchlaufen. In den letzten zehn Jahren hat der Einbau dieser photochromen Moleküle in intelligente, auf Stimuli ansprechende Materialien zunehmende Aufmerksamkeit erregt, da sie die einzigartige Fähigkeit bieten, makroskopische Eigenschaften mit einem externen optischen Stimulus reversibel zu verstärken und zu verändern. Die begrenzte Leistung von Photoschaltern in festen Medien bleibt eine Herausforderung. In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit zwei wichtige Aspekte näher untersucht. Erstens der Prozess der Entwicklung neuer Photoschalter mit maßgeschneiderten Eigenschaften und zweitens die Implementierung von Photoschaltern in feste Materialien und die damit verbundenen Herausforderungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde Dynamisch-kovalente Chemie (DCC) verwendet, um die Entdeckung und Entwicklung einer neuartigen Klasse von Photoschaltern mit drei Zuständen zu beschleunigen. Die dynamische Natur der zentralen Doppelbindung von α-Cyanodiarylethenen wurde genutzt, um ein thermodynamisches Gleichgewicht mit anderen Arylacetonitrilen herzustellen. Die entwickelte Methode kombiniert eine schnelle Diversifizierung mit einer Rasterung auf spezifische Eigenschaften, die durch einen externen Stimulus aufgedeckt werden, und ermöglicht die effiziente Untersuchung der Beziehung zwischen Struktur und den zugehörigen Eigenschaften. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Entwicklung und die Synthese eines Zweikomponenten-Kern-Schale-MOFs mit einem internen nicht-funktionalisierten Kompartiment, das von einer dünnen photoschaltbaren Außenschale bedeckt ist, vorgestellt. Diese Strategie ermöglicht ein effizientes Schalten des Chromophors und die resultierende dünne „intelligente“ Schale fungiert als modulare kinetische Barriere für die molekulare Gastdiffusion in das Material, die durch Licht gesteuert werden kann. / Photoswitches are molecules that undergo a reversible light-triggered conversion between two states with different properties. In the past decade, the incorporation of these photochromic molecules in smart stimuli-responsive materials has gained increased attention as it offers the unique ability to reversibly amplify and change macroscopic properties with an external optical stimulus. The limited performance of photoswitches in solid mediums remains a challenge. In this context two important aspects are studied in more detail in this thesis. First, the process of developing new photoswitches with tailored properties and second, the implementation of photoswitches in solid materials and the challenges associated with it. In the first part of this thesis dynamic covalent chemistry (DCC) was used to accelerate the discovery and development of a novel three-state photoswitch class. The dynamic nature of the central double bond of α-cyanodiarylethenes was exploited to establish a thermodynamic equilibrium with other arylacetonitriles. The developed DCC tool combines fast and efficient diversification with screening for specific photochemical properties revealed by an external stimulus, enabling the rapid study of the relationship between structure and the associated properties. The second part of this thesis summarizes the design and synthesis of a two-component core-shell MOF with an internal non-functionalized compartment covered by a thin photoswitchable outer shell. This strategy allows efficient switching of the chromophore and the resulting thin “smart” shell acts as a modular kinetic barrier for molecular guest diffusion into the material that can be controlled by light.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Frage wie thermische und photochemische Gleichgewichte verbunden werden können und sich gegenseitig beeinflussen. Dazu wurden zwei Projekte bearbeitet, zum einen das Konzept der „säure-katalysierten Zykloreversion“ und zum anderen das Konzept der „licht-induzierten pKs Veränderung“. Im ersten Konzepte wurde eine extern steuerbare, thermische Rückreaktion genutzt, um die Zusammensetzung im photostationären Zustand zu kontrollieren. Durch Zugabe von katalytischen Mengen einer starken Säure wurde die Ringöffnung eines Diarylethens, welches mit einem Flurenol substituiert ist, eingeleitet. Der zugrundeliegende Prozess wurde kinetisch und thermodynamisch, sowohl durch Experimente als auch durch computergestützte Rechnungen beschrieben. Eine säure-induzierte Dehydratation öffnet einen neuen Reaktionspfad, wodurch die normalerweise sehr hohe Reaktionsbarriere der Ringöffnung umgangen werden kann. Die quantitative Umsetzung mit Säure führt zu einer kompletten Löschung der photochemischen Reaktivität. Dieses Konzept kann in der Speicherung von Lichtenergie in photochromen metastabilen Systemen genutzt werden. Durch die Nutzung von 3-H-Thiazol-2-on als Rest im Diarylethen konnte eine signifikante pKs Änderung von 2.8 Einheiten in wässriger Umgebung erreicht werden. Dabei wurden zwei Säure-Base Gleichgewichtssysteme miteinander gekoppelt, welche an der thermischen Umwandlung gehindert sind, jedoch photochemisch ineinander überführt werden können. Des Weiteren wurde eine hohe Abhängigkeit der Quantenausbeute von dem Protonierung festgestellt. Diese wurde genutzt um die Performance der Photoreaktion zu beeinflussen. Die Beeinflussung der Photoreaktion erfolgt nicht durch Veränderung der Energetik des Grundzustandes, sondern durch Veränderung der Potentialhyperfläche des angeregten Zustandes. Durch neue molekulare Designs konnte eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu bekannter Molekülen und Konzepten in beiden Projekten erreicht werden. / Two projects are implemented in this work, which share the goal to interconnect acid-base equilibria with the photoreactions of diarylethene (DAE) photoswitches. This task can be divided into two logic questions: How can photochemical equilibria be controlled or rather influenced via an acidic or basic stimulus and how can a photoreaction induce control over an acid-base equilibrium? In the first project, “Acid-Catalyzed Cycloreversion”, an externally tunable thermal back reaction was designed to influence a photochemical equilibrium. Upon addition of catalytic amounts of acid, a closed DAE carrying a fluorenol moiety undergoes facile thermal ring opening. The underlying thermodynamics and kinetics of the entire system have been analyzed experimentally as well as computationally. Appling an excess of acid leads to a complete inhibition of the photoreaction through the introduction of a charge-transfer. My work suggests that acid catalysis provides a useful tool to bypass thermal barriers, potentially usable to efficiently trigger the release of light energy stored in photoswitches. In the second project, entitled “Light-induced pKa Modulation”, a significant pKa change of 2.8 units in an aqueous medium was achieved by connecting two different acid-base equilibria. These thermodynamic equilibria are separated by a high activation barrier, overcome by a photoreaction. The developed system which is based on the incorporation of a 3 H thiazol 2 one moiety into a DAE, shows a strong dependency of the quantum yield and hence, of the photoconversion on the protonation state. Adjusting the pH within the range of the pKa change, a substantial enhancement of the photoconversion is achievable as well as a distinct alteration of the performance of the photoreaction. This effect does not originate from different reaction paths on the ground state potential energy surface (PES), but results presumably from a protonated state dependent difference in the excited PES.

Die Verwendung von nukleinsäuretemplatgesteuerten Reaktionen stellt einen innovativen Ansatz zur Therapie von Krankheiten dar, deren Ursprung in einer genetischen Veränderung von Zellen liegt. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit erfolgte eine Weiterentwicklung der RNA-templatgesteuerten Acyltransferreaktion nach Seitz et al. hinsichtlich des Aufbaus von aromatischen Amidbindungen, wie sie in vielen niedermolekularen Wirkstoffen vorkommen. Als Modellverbindungen dienten die Bcr-Abl-Tyrosinkinaseinhibitoren Nilotinib, Ponatinib und GZD824, die durch zentrale Benzanilidmotive charakterisiert sind und zur Therapie der chronischen myeloischen Leukämie eingesetzt werden. Das konzipierte Reaktionssystem beruht auf dem Mechanismus der nativen chemischen Ligation, weswegen die Bcr-Abl-Inhibitoren durch die Einführung einer Thiolgruppe modifiziert werden mussten. Es wurde gezeigt, dass diese Modifikation in den meisten Fällen nur zu einer geringen Beeinträchtigung der biologischen Aktivität führt. Der RNA-templatgesteuerte Aufbau der Benzanilidstrukturen konnte sowohl mit PNA- als auch mit DNA-verknüpften Inhibitorfragmenten basierend auf Ponatinib und GZD824 erzielt werden. In Gegenwart eines komplementären RNA-Templats erfolgte die benachbarte Hybridisierung der reaktiven Konjugate, infolgedessen ein Benzoyltransfer von einem thioestermodifizierten Donor auf ein ortho-Mercaptoanilinderivat als Akzeptor stattfand. Mit PNA/PNA-Reaktionssystemen wurde auch in Abwesenheit des RNA-Templats eine signifikante Produktbildung beobachtet, was auf hydrophobe Wechselwirkungen der Konjugate zurückgeführt wurde. Unter Verwendung von DNA/DNA- bzw. PNA/DNA-Konjugatpaaren blieb die templatunabhängige Produktbildung hingegen ausreichend gering. Die entsprechenden Reaktionssysteme wurden hinsichtlich der erzielten Produktausbeuten optimiert, wobei sowohl die Linkerlänge bzw. -struktur der reaktiven Konjugate als auch die Templatarchitektur variiert wurde. / The use of nucleic acid-templated reactions represents an innovative approach to the therapy of diseases that originate in genetic alterations of cells. In this work, the RNA-templated acyl transfer reaction invented by Seitz et al. was extended towards the formation of aromatic amide bonds which occur in a variety of small molecule drugs. The Bcr-Abl tyrosine kinase inhibitors nilotinib, ponatinib, and GZD824 were used as model compounds, as they are characterized by central benzanilide motifs and find application in the treatment of chronic myeloid leukemia. The designed reaction system is based on the mechanism of native chemical ligation which required the modification of the Bcr-Abl inhibitors by introducing a thiol group. It was shown that thiolation affected the biological activity only moderately. The RNA-templated formation of the benzanilide structures was achieved with both PNA- and DNA-linked inhibitor fragments of ponatinib and GZD824. The presence of a complementary RNA template enabled adjacent binding of the reactive conjugates, triggering a rapid benzoyl transfer from a thioester-linked donor to an ortho-mercaptoaniline derivative as an acceptor. With PNA/PNA reaction systems, significant product formation was observed in absence of the RNA template, which was attributed to hydrophobic interactions between the conjugates. However, the template-independent product formation remained low when DNA/DNA or PNA/DNA conjugate pairs were used. The product yields of the corresponding reaction systems were optimized by varying the linker length and structure of the conjugates as well as the template architecture.

Posttranslationale Modifikationen sind chemische Veränderungen, die ein Protein nach der Translation durchläuft. Sie sind wichtig für die Regulierung der Funktion, Struktur und Interaktion von Proteinen. Die Einführung von Modifikationen in Biomoleküle ist zudem ein Hilfsmittel in der Chemischen Biologie, um neue Informationen über ihr Verhalten zu erlangen und ihre Aktivität zu verändern. Die Fehlregulierung von posttranslationalen Modifikationen steht häufig in direkter Verbindung zum Ausbruch von Krankheiten. Ein Beispiel ist das Tau Protein welches eine Schlüsselrolle in der Alzheimer Erkrankung hat. Im Laufe der Krankheit wird Tau hyperphosphoryliert, was zu einem Funktionsverlust des Proteins und zur Bildung von nicht-löslichen Aggregaten führt. Die Mechanismen hinter dieser Fehlregulierung zu eluieren gehört zu einer der großen Herausforderungen der Alzheimerforschung. Diese Doktorarbeit hat sich mit der Entwicklung einer neuen semi-synthetischen Ligationsstrategie beschäftigt, die es ermöglichen soll die Rolle einzelner Phosphorylierungen in der Prolin-reichen Region des Tau Proteins zu untersuchen. Hierfür wurden geeignete Ligationsstellen identifiziert, Ligationsmöglichkeiten geprüft und die Synthese der einzelnen Fragmente optimiert. Desweiteren wurde in dieser Dissertation eine neuartige Anwendung der Staudinger-Phosphonit Ligation entwickelt, die es ermöglicht mit Boran-geschützten P(III) Verbindungen azidhaltige Moleküle zu lichtspaltbaren Phosphonamidaten zu modifizieren. Die P(III) Bausteine beinhalteten dabei nicht nur zwei lichtspaltbare 2-Nitrobenzyl-Substituenten, sondern erlauben zudem über eine Alkingruppe eine vielfältige Funktionalisierung. Die Bestrahlung durch UV Licht induziert die Spaltung der P-N Bindung der Phosphonamidate und setzte das Ursprungsmolekül mit einer zusätzlichen Aminfunktion frei. Dahingehend wurden erste Schritte unternommen, damit die Lichtspaltung keine Modifikation mehr am Ursprungsmolekül hinterlässt. / Post-translational modifications are essential in the regulation of the function, folding and interaction of proteins. Similarly, the modification of biomolecules is a main tool in chemical biology to gain new insights into their molecular mechanisms and to alter and fine-tune their activity. The dysregulation of post-translational modifications is often associated with disease. An example are the abnormally hyperphosphorylated tau proteins that are the main component of neurofibrillary tangles, one of the pathological hallmarks of the neurodegenerative disease Alzheimer‘s disease. The origin of these hyperphosphorylations, which render a soluble and mostly unstructured protein into insoluble aggregates, is a key question in Alzheimer research. First steps towards a tau semi-synthesis that allow for the site-specific introduction of phosphorylations in the proline-rich domain were taken by identifying suitable ligation sites, finding the ideal sequential ligation strategy, providing reliable protein expression protocols and optimizing the synthesis of the synthetic peptides equipped with phosphorylated residues. Furthermore, this thesis explored the use of the Staudinger-phosphonite reaction in the synthesis of photo-cleavable phosphonamidates to modify biomolecules in a reversible manner. This conjugation method allowed for the chemoselective modification of an azido-containing target molecule with a borane-protected P(III) reagent that was equipped with photo-cleavable 2-nitrobenzyl substituents and one alkyne for functionalization. UV irradiation induced the phosphonamidate P-N bond cleavage and resulted in the release of the target molecule with an additional amine functionality. In this regard, first steps were undertaken to develop a traceless variant of this cleavage. The application of the photo-cleavable phosphonamidates was demonstrated in streptavidin-mediated immobilization assays, which is just one example for the use of this valuable methodology.

Die Detektion von Nukleinsäuren ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Erkennung von viralen und bakteriellen Spezies in biologischen Proben. Oligonukleotid-vermittelte Reaktionen (OVR), die die Zielsequenz als Katalysator der chemischen Reaktion zwischen reaktiven Sonden verwenden, bieten gegenüber den enzymatischen Methoden viele Vorteile, wie z.B. Simplizität und Kosteneffizienz. Normalerweise besitzt das Produkt der OVR deutliche fluoreszierende Eigenschaften, die durch Fluoreszenzspektroskopie gemessen werden können. Die Haupteinschränkung solcher Systeme ist die nur moderate Helligkeit von organischen Farbstoffen, die meistens zur Markierung von reaktiven Sonden genutzt werden. Um dieses Problem zu lösen, sind Fluorophore mit höherer Helligkeit erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Methode zur Detektion von RNA durch Templat-vermittelten Transfer des Fluorophors auf den Quantum Dot (QD). Das System besteht aus zwei reaktiven Peptide Nucleic Acid (PNA)-basierten Antisense-Sonden. Die Label Akzeptor PNA (LAPNA) Sonde ist auf dem QD immobilisiert und enthält eine Cysteineinheit am N-terminus. Die Label Donor PNA (LDPNA) Sonde trägt eine Cy5-Einheit, die als Thioester gebunden ist. Durch die benachbarte Hybridisierung der Sonden am RNA-Templat nimmt die effektive Molarität der reaktiven Gruppen zu, und führt somit durch das Prinzip von Native Chemical Ligation zum Transfer des Cy5 auf den QD. Dies resultiert in Förster−Resonanzenergietransfer (FRET) zwischen dem QD und den Cy5-Molekülen, der durch die Löschung der Emission des QDs sowie die Verstärkung der Fluoreszenz des Cy5 beobachtet werden kann. Die Verwendung von sehr hellen QDs als FRET-Donor ermöglicht die Umsetzung von Sonden bei geringen Konzentrationen und ermöglicht die Erkennung von RNA mit Nachweisgrenzen im Bereich von weniger pikomolar. / Detection of nucleic acids is one of the most reliable methods for the identification of bacterial and viral species in biological samples. Oligonucleotide-templated reactions (OTRs) that exploit an RNA or DNA target to catalyze a chemical reaction hold great promise for the development of enzyme-free and low-cost detection schemes. Commonly, these strategies rely on organic dyes and are designed so that the product of OTR exhibits distinct fluorogenic properties. The main constraint of such schemes is the moderate brightness of organic fluorophores, which limits the read-out when the probes are used at low concentrations. To tackle this obstacle, significantly brighter fluorophores are needed. This work describes the development of an RNA detection scheme that relies on target-templated fluorophore transfer onto a semiconductor quantum dot (QD). The approach uses two reactive peptide nucleic acid (PNA) antisense probes. Label acceptor peptide nucleic acid (LAPNA) probe is immobilized on a QD and bears a cysteine at the N-terminus; label donor peptide nucleic acid (LDPNA) probe is equipped with a Cy5 dye, attached as a thioester. The adjacent annealing of these recognition elements following binding to target RNA triggers the transfer of Cy5 onto a QD in a native chemical ligation manner. This leads to a detectable fluorescence signal brought about by FRET from QD to the Cy5. The use of unprecedentedly bright QDs that can act as FRET donors for several Cy5 functionalities allows application of probes at very low concentrations (pM range) and achieves enhanced sensitivity of target-templated RNA detection. The method enabled RNA detection in the low pM range using a conventional microtiter plate reader.

Inositolpyrophosphate (PP-InsPs) sind eine wichtige Gruppe eukaryotischer Botenstoffe, die mit verschiedenen Prozessen wie Apoptose, Phosphathomeostase und Insulinsignalkaskaden verknüpft sind. Trotz ihrer Entdeckung vor mehr als 20 Jahren bleibt es eine Herausforderung, die Signalmechanismen dieser Moleküle zu verstehen. Ursachen dafür sind der limitierte Zugang zu synthetischen PP-InsPs und ein Mangel an allgemein zugänglichen analytischen Methoden. Daher wurden in dieser Arbeit chemische und analytische Verfahren entwickelt, um unser Verständnis von diesen Molekülen sowohl auf ein biochemischer als auch auf zelluläre Ebene zu verbessern. Um der Knappheit an synthetischen PP-InsPs entgegen zu wirken, wurde eine hocheffiziente chemoenzymatische Synthese entwickelt, bei der mehr als 100 mg aller wesentlichen PP-InsPs aus Säugern hergestellt werden konnten. Parallel wurde ein neues analytisches Werkzeug entwickelt, dass Konzentrationen von PP-InsPs in komplexen Proben quantifizieren konnte. Mittels Enzymkatalyse konnten 13C-markiertes myo-inositol und 13C-markierte PP-InsPs hergestellt werden und niedrige Konzentrationen mit nuklearer Magnetresonanzspektroskopie detektiert werden. In vitro waren diese Verbindungen sehr nützlich, um PP-InsP Kinasen von Pflanzen und Säugern zu charakterisieren. Endogene Konzentrationen von PP-InsPs konnten durch metabolisches Markieren mit 13C-markiertem myo-inositol in humanen Zelllinien quantifiziert werden. Letztendlich wurde mittels eines neuen entwickelten proteomischen Ansatzes endogene Proteinpyrophosphorilierung, eine von PP-InsP eingebaute posttranslationale Proteinmodifikation, in menschlichen Zelllinien zum ersten Mal nachgewiesen. Zusammenfassend haben die aufgelisteten chemischen und analytischen Werkzeuge ein hohes Potenzial unser Verständnis der Signalmechanismen hinter den diversen Phänotypen der PP-InsPs zu stärken und Forschungsarbeit in dieser Richtung zu beschleunigen. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are an important group of second messengers that intersect with a wide range of processes in eukaryotic cells including phosphate homeostasis, insulin signaling and apoptosis. Despite their discovery more than two decades ago, elucidating the underlying signaling mechanisms remains a significant challenge. Therefore, a new set of chemical and analytical methods was developed here to improve our understanding of these intriguing molecules on the biochemical and cellular level. To overcome the shortage of synthetic PP-InsPs, a highly efficient and scalable chemoenzymatic approach was designed and the major mammalian PP-InsPs could be obtained in hundreds of milligram quantities and in high purity. In parallel, a new analytical tool was developed to quantify levels of PP-InsPs in complex samples. Chemoenzymatic access to 13C-labeled myo-inositol and 13C-labeled PP-InsPs enabled the detection of low concentrations of PP-InsPs using nuclear magnetic resonance spectroscopy. In vitro, these compounds were of great use for the biochemical characterization of PP-InsPs kinases from mammals and plants. Endogenous pools of PP-InsPs from human cell lines were identified and quantified by metabolic labeling with 13C-labeled myo-inositol. Finally, a new proteomics workflow towards the detection of protein pyrophosphorylation, a posttranslational modification mediated by PP-InsPs, using mass spectrometry was optimized and endogenously modified mammalian proteins could be identified for the first time and with high confidence. Taken together, the chemical and analytical tools presented here have great potential to accelerate the understanding of PP-InsP signaling and metabolism. Access to large amounts of PP-InsPs together with a reliable quantification method and the detection of endogenous protein pyrophosphorylation sites will be essential to unravel the signaling mechanisms underlying the diverse phenotypes associated with these metabolites.

Die Fortschritte bei synthetischen Polymeren konzentrieren sich in erster Linie auf die Bemühungen, Kunststoffe auf molekularer Ebene zu entwickeln, um vielversprechende Eigenschaften und Funktionen auf makroskopischer Ebene zu erreichen. Daher sind die Verbesserung der Materialsynthese sowie die Zunahme der Komplexität des makromolekularen Designs zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt geworden. Es wurden bemerkenswerte synthetische Strategien zur Entwicklung von sequenzgesteuerten Oligomeren entwickelt, die durch eine präzise Mikrostruktur eine anschließende Faltung zu kontrollierten multizyklischen Origamis ermöglichten. Allerdings bleiben die derzeitigen synthetischen Methoden für die Herstellung von Präzisionspolymeren mit hohem Molekulargewicht bis zu einem gewissen Grad statistisch. Daher ist es nach wie vor schwierig, große synthetische Makromoleküle zu entwerfen, die sich zu präzisen und einheitlichen zyklischen Strukturen zusammenfügen können. Sind parallele Fortschritte bei der Charakterisierung von großen multizyklischen makromolekularen Strukturen sehr gefragt, da die meisten der derzeitigen Techniken nur in der Lage sind, Indizien für die Strukturorganisation zu liefern. Die vorliegende Arbeit untersucht dabei die Synthese und die Morphologie von dynamischen und kontrollierten zyklischen Polymeren. Das synthetische Konzept basiert auf der Herstellung von sequenzgesteuerten Makromolekülen mittels regulierten Einbaus von reaktiven Selenol- oder Thiolgruppen an gewünschten Positionen innerhalb einer Polymerkette. Die kontrollierte oxidative Dimerisierung der funktionellen Gruppen führt zu Diselenid- bzw. Disulfidbrücken und bewirkt eine intramolekulare Vernetzung zur Erzeugung einer dynamischen einkettigen Zyklisierung. Um Einblicke auf molekularer Ebene zu gewinnen und den Grad an struktureller Kontrolle aufzuzeigen, wird eine synthetische Strategie entwickelt, die eine direkte Visualisierung der erhaltenen Polymerkonformation ermöglicht. / The field of material science has evolved drastically in the last decades. Progress in synthetic polymers primarily focuses on efforts to design materials at a molecular level to reach promising properties and functions. Improving material synthesis and increasing the complexity of macromolecular design have become a major research focus. Remarkable synthetic strategies have been developed toward the elaboration of sequence-defined oligomers, in which the precise microstructure can allow subsequent folding into controlled and precise multi-cyclic origamis. However, current synthetic routes toward precision polymers with high molecular weight remain statistical to some degree, which reflects a loss of structural control. Thus, designing large synthetic macromolecules that can fold into precise and uniform cyclic-shape structures remains difficult to reach. Parallel progress in characterization of large multi-cyclic macromolecular designs are highly demanded since most of the current techniques are only capable of providing circumstantial evidence of structural organization. Macromolecules with dynamic intramolecular crosslinks have become relevant due to their ability to potentially reach equilibrium structures in response to external stimuli. In this study, controlled synthetic route and morphology characterization of dynamic cyclic polymers are investigated. The synthetic concept is based on the preparation of sequence-controlled macromolecules to guide the insertion of reactive selenol or thiol groups at desired positions within a polymer chain. Controlled oxidative dimerization of the functional groups leads to diselenide or disulfide bridges respectively and induces intramolecular crosslinking to generate dynamic cyclization. To gain insight into the molecular level to reveal the degree of structural control, a synthetic strategy is developed to access an additional analytic tool and enable direct visualization of the obtained polymer conformations.