Von der Natur geschaffene Polymere faszinieren Polymerforscher durch ihre spezielle auf eine bestimmte Aufgabe ausgerichtete Funktionalität. Diese ergibt sich aus ihrer Bausteinabfolge uber die Ausbildung von Uberstrukturen. Dazu zählen zum Beispiel Proteine (Eiweiße), aus deren Gestalt sich wichtige Eigenschaften ergeben. Diese Struktureigenschaftsbeziehung gilt ebenso für funktionelle synthetische Makromoleküle. Demzufolge kann die Kontrolle der Monomersequenz in Polymeren bedeutend für die resultierende Form des Polymermoleküls sein. Obwohl die Synthese von synthetischen Polymeren mit der Komplexität und der Größe von Proteinen in absehbarer Zeit wahrscheinlich nicht gelingen wird, können wir von der Natur lernen, um neuartige Polymermaterialien mit definierten Strukturen (Sequenzen) zu synthetisieren. Deshalb ist die Entwicklung neuer und besserer Techniken zur Strukturkontrolle von großem Interesse für die Synthese von Makromolekülen, die perfekt auf ihre Funktion zugeschnitten sind. Im Gegensatz zu der Anzahl fortgeschrittener Synthesestrategien zum Design aus- gefallener Polymerarchitekturen – wie zum Beispiel Sterne oder baumartige Polymere (Dendrimere) – gibt es vergleichsweise wenig Ansätze zur echten Sequenzkontrolle in synthetischen Polymeren. Diese Arbeit stellt zwei unterschiedliche Techniken vor, mit denen die Monomersequenz innerhalb eines Polymers kontrolliert werden kann. Gerade bei den großtechnisch bedeutsamen radikalischen Polymerisationen ist die Sequenzkontrolle schwierig, weil die chemischen Bausteine (Monomere) sehr reaktiv sind. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Eigenschaften zweier Monomere (Styrol und N-substituiertes Maleinimid) geschickt ausgenutzt, um in eine Styrolkette definierte und lokal scharf abgegrenzte Funktionssequenzen einzubauen. Uber eine kontrollierte radikalische Polymerisationsmethode (ATRP) wurden in einer Ein-Topf-Synthese über das N-substituierte Maleinimid chemische Funktionen an einer beliebigen Stelle der Polystyrolkette eingebaut. Es gelang ebenfalls, vier unterschiedliche Funktionen in einer vorgegebenen Sequenz in die Polymerkette einzubauen. Diese Technik wurde an zwanzig verschiedenen N-substituierten Maleinimiden getestet, die meisten konnten erfolgreich in die Polymerkette integriert werden. In dem zweiten in dieser Arbeit vorgestellten Ansatz zur Sequenzkontrolle, wurde der schrittweise Aufbau eines Oligomers aus hydrophoben und hydrophilen Segmenten (ω-Alkin-Carbonsäure bzw. α-Amin-ω-Azid-Oligoethylenglycol) an einem löslichen Polymerträger durchgeführt. Das Oligomer konnte durch die geschickte Auswahl der Verknüpfungsreaktionen ohne Schutzgruppenstrategie synthetisiert werden. Der lösliche Polymerträger aus Polystyrol wurde mittels ATRP selbst synthetisiert. Dazu wurde ein Startreagenz (Initiator) entwickelt, das in der Mitte einen säurelabilen Linker, auf der einen Seite die initiierende Einheit und auf der anderen die Ankergruppe für die Anbindung des ersten Segments trägt. Der lösliche Polymerträger ermöglichte einerseits die schrittweise Synthese in Lösung. Andererseits konnten überschüssige Reagenzien und Nebenprodukte zwischen den Reaktionsschritten durch Fällung in einem Nicht-Lösungsmittel einfach abgetrennt werden. Der Linker ermöglichte die Abtrennung des Oligomers aus jeweils drei hydrophoben und hydrophilen Einheiten nach der Synthese. / Polymer scientists are impressed by polymers created by nature. This is caused by their structure which is aimed to fulfill very special functions. The structure is primary built by sequential covalent linking of building units. Secondly, supramolecular aggregation leads to three-dimensional alignment. The sequence of the building blocks has a high influence on the higher molecular arrangement. Proteins are only one example for supramolecular structures which have special functions because of their supramolecular arrangement. This structure-property relationship is also possible for synthetic polymers. For this reason the control of monomer sequences in synthtic polymers is just as important for the resulting structure of a synthetic polymer molecule. Even though the synthesis of polymers with complex strucures and sizes as in nature is impossible in near future. But the development of new and better techniques for sequence control in synthetic polymers is of high importance to create well defined macromolecular structures which are tailor-made for their function. In contrast to a lot of advanced synthethis strategies for the design of complex polymer architechtures (e.g. brushes, stars, or dendrimers) their are less approaches for a monomer sequence control in synthetic polymers. This work presents two different techniques for controlling the monomer sequence inside a polymer. Especially in technologically significant radical polymerization it is difficult to control the monomer sequence because radical species are very reactive and the addition of a monomer to the radical function is not selective. The first approach makes use of the properties of two monomers (styrene and N-substituted maleimides) to add chemical funtions locally inside a polystyrene chain. By addition of N-functionalized maleimides during the polymerization of styrene chemical functions could be added at any desired position inside the polystyrene chain. This technique was tested on 20 different N-substituted maleimides. Most of them were incorporated successfully into the polymer chain. The second monomer sequence control approach is a stepwise synthesis of an oligomer made of short alternating hydrophobic and hydrophilic segments on a soluble polymer support. Two building blocks were used: ω-alkyne carboxylic acid (A-B) and α-amine-ω-azide oligoethylene glycol (C-D). The linking of the segments was done by applying two very efficient chemical reactions, namely 1,3-dipolar cycloaddition of terminal alkynes (A) and azides (D) and amidification of carboxylic acids (B) with primary amines (C). These two reactions proceed chemoselectively in an ABCD multifunctional mixture without a protection chemistry strategy. The polystyrene support was synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) in the presence of an azido-functionalized ATRP initiator containing a labile p-alkoxybenzyl ester linker. Depending on the choise of solvent, the soluble polymer support was used in solution during the coupling reactions or was precipitated for an easy removal of excessive reagents and by-products. The acid-labile linker could be cleaved by trifluoroacetic acid treatment to obtain a hydrophilic/hydrophobic block copolymer.

Zielstellung der durchgeführten Arbeiten war die Entwicklung neuer hochporöser metall-organischer Gerüststrukturen (engl.: metal-organic frameworks, MOFs) durch die Verwendung aufgeweiteter Linkermoleküle. Hierfür wurden verschiedene Synthesestrategien verfolgt. Zum einen wurde die Ausbildung von Layer-Pillar-Strukturen auf der Basis von Anthracen-Linkern genutzt, um poröse und sehr stabile metall-organische Gerüstverbindungen darzustellen. Außerdem wurden aufgeweitete trigonale Linkermoleküle bzw. eine Kombination von bi- und tridentaten Liganden verwendet, um hochporöse Koordinationspolymere zu synthetisieren. Zudem wurde die Synthese chiraler poröser Koordinationspolymere durch die Nutzung des modifizierten TADDOL-Katalysators als chirale organische Komponente verfolgt, um somit einen heterogenen Katalysator für die enantioselektive Katalyse zu gewinnen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die verschiedenen Synthesestrategien erfolgreich angewendet werden. Durch die Umsetzung des bidentaten Linkers 4,4´-Anthracen-9,10-diyldibenzoesäure und dem Säulenliganden 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (Dabco) mit verschiedenen Metallsalzen konnte eine neue Reihe isotyper, poröser Layer-Pillar-Verbindungen (DUT-30, DUT = Dresden University of Technology) mit einer sehr guten Stabilität gegenüber Luft und Feuchtigkeit dargestellt werden. Die Strukturen zeigen eine äußerst hohe Flexibilität, sodass sieben verschiedene Phasen der Verbindungen gefunden werden konnten. Dadurch sind diese Materialien prädestiniert zur Entfernung von Schadstoffen, wie z.B. organischen Lösungsmitteldämpfen, aus der Luft. Auch die Verwendung von trigonalen Linkern kann zur Synthese hochporöse Koordinationspolymere genutzt werden. Dies wurde anhand des Linkers 1,3,5-Tri-(4´-carboxy(1,1´-biphenyl)-4-yl)benzen erprobt. Die Umsetzung des Linkers mit Zinknitrat bzw. Cobaltnitrat führte zu den hexagonalen Schichtstrukturen DUT-40 und DUT-44. DUT-43 besteht ebenfalls aus einer derartigen hexagonalen Schichtstruktur, wobei hier jedoch die Verwendung von 4,4´-Biphenyldicarbonsäure als Co-Linker eine teilweise Verknüpfung der Schichten ermöglicht. Außerdem konnte durch die Umsetzung des tridentaten Linkers mit Kupfernitrat die Struktur von DUT-54 gebildet werden. In dieser liegen eindimensionale Stränge vor, wobei es zu einer gegenseitigen Durchdringung kommt und damit eine dreidimensionale Kanalstruktur entsteht. Eine weitere Synthesestrategie zur Erzeugung hochporöser Materialien nutzt die Verwendung von Co-Linkern für die Erzeugung der Koordinationspolymere. Hier war in der Vergangenheit vor allem die Kombination von bi- und tridentaten Linkern erfolgreich. Nutzt man als bidentaten Vertreter 9,10-Anthracendicarbonsäure, so eignet sich 4,4´,4´´-Benzen-1,3,5-triyltribenzoesäure als tridentater Co-Linker. Die solvothermale Umsetzung der beiden Linker in verschiedenen Lösungsmittelgemischen führte zu zwei neuen porösen Kooordinationspolymeren, welche beide Linkerarten enthalten. Um jedoch gezielt ein hochporöses und stabiles Material erzeugen zu können wurde eine Struktur simuliert, welche isoretikulär zu der bekannten Struktur DUT-6 ist, welche ebenfalls nach dem Prinzip der Kombination von bi- und tridentaten Liganden dargestellt wurde. Die zu erzeugende Struktur beruht auf dem tridentaten Linker 1,3,5-Tri-(4´-carboxy-(1,1´-biphenyl)-4-yl)-benzen und dem bidentaten Linker 1,4-Bi-p-carboxyphenylbuta-1,3-dien, welcher exakt die richtige Länge aufweist, um in diese Struktur eingebaut zu werden. Die Umsetzung von basischem Zinkacetat mit einem Gemisch der beiden Linker führte zu der zuvor simulierten Struktur. Für diese Verbindung, DUT-60, konnte eine spezifische Oberfläche von 6500 m2g-1 und ein Porenvolumen von 3.5 cm3g-1 berechnet werden, welche zu den höchsten jemals für poröse Koordinationspolymere ermittelten Werte gezählt werden können. Ein weiterer Bereich der vorliegenden Arbeit galt der Entwicklung eines neuen chiralen und porösen Koordinationspolymers, welches in der heterogenen enantioselektiven Katalyse eingesetzt werden kann. Dafür wurde der aus der homogenen Katalyse bekannte TADDOL-Linker modifiziert. Durch die solvothermale Umsetzung dieses Linkers mit Zinknitrat konnte die Verbindung DUT-39 erhalten werden. Diese zeigt hervorragende Werte bezüglich ihres Adsorptionsverhaltens für verschiedene Gase und zählt somit zu den chiralen, metall-organischen Gerüstverbindungen mit den höchsten Porositäten. Außerdem zeigt die Verbindung eine hohe thermische Stabilität sowie eine gute Stabilität gegenüber Luftfeuchte, was sie zu einem attraktiven Kandidaten für die heterogene enantioselektive Katalyse macht.

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Les stratégies thérapeutiques mises en place contre le cancer ont de nos jours besoin de nouveaux médicaments, à la fois plus actifs que ceux déjà existants et induisant moins d’effets secondaires. Ces nouvelles stratégies visent à cibler spécifiquement les cellules cancéreuses. Parmi ces stratégies, ces travaux de thèse concernent la vectorisation active, à l’aide d’un vecteur protéique dérivé de la toxine de Shiga, STxB. STxB reconnait spécifiquement son récepteur biologique Gb3, surexprimé à la surface des cellules cancéreuses humaines. Ce projet de recherche porte sur la conception et la synthèse de conjugués, combinant STxB et un agent cytotoxique. Le linker chimique, qui relie ces deux espèces, a été soigneusement conçu pour respecter les deux critères suivants : être suffisamment stable et néanmoins pouvoir être clivé pour libérer l’agent cytotoxique une fois les cellules cancéreuses atteintes. Un premier linker a été construit autour du motif mercaptoethanol, lié au vecteur STxB par une liaison disulfure. La libération de l’agent cytotoxique peut donc être initiée par un réducteur biologique comme le glutathion, puis par une étape d’auto-immolation. Ce linker a été appliqué à deux composés cytotoxiques très puissants, dérivés de l’auristatine, et a conduit à des résultats prometteurs in vitro. La labilité de la liaison ester à pH acide a également été mise à profit dans l’élaboration de deux linkers, conçus autour de motifs glutamate et thréoninate. L’utilisation d’un agent cytotoxique modérément puissant a été l’occasion de développer une stratégie de multivalence, consistant à augmenter la charge d’agents cytotoxiques sur STxB. Une autre option a été de considérer les nano-batônnets d’or comme une plate-forme nanométrique multimodale, capable de lier plusieurs milliers d’agents cytotoxiques et STxB. Enfin l’incorporation d’une séquence peptidique, connue pour être substrat d’une protéase, a donné lieu à une troisième étude, reposant sur un linker clivable plus sélectivement. Plusieurs linkers ont été étudiées, selon qu’ils libèrent l’agent cytotoxique sous sa forme native ou non. / We need new therapeutic strategies to treat cancerous patients by the discovery of new drugs that would be more active than those existing and especially assigning fewer side effects. These new therapies aim to specifically target cancer cells. Among the strategies for cancer targeting, we investigated drug-targeted strategies using a proteic carrier, STxB, derived from Shiga toxin. This protein recognizes specifically its biological receptor Gb3, which is over-expressed on human cancer cells. This work consisted in the design and synthesis of conjugates combining STxB and a cytotoxic drug. The chemical linker binding these two moieties was carefully designed in order to fit requirements of both stability and ability to trigger a drug-delivery. A first linker was designed around a mercaptoethanol core, able to be conjugated to STxB by a disulfide bond. This constitutes a drug-delivery trigger, activated by a biological reducing agent such as glutathion, and followed by a self-immolative step. Two highly potent conjugates of auristatin derivatives were obtained and showed promising results in vitro. The ester bonds lability in acidic pH was exploited for the design of two amino acid based linker. With the aim of increasing the ratio of drug on STxB, we investigated several multivalent linkers. Another option was to consider gold nanorods as a nanometric platform, able to carry thousands of drugs and STxB. The incorporation of a protease substrate to produce an enzyme-cleavable linker was investigated. Several spacers, which induced release of the drug under native form or under prodrug form, were designed and tested.

In this thesis will be described research towards the development of bioorthogonal bond-cleavage reactions, and their applications in targeted drug delivery (Figure 1). The first project relates to the development of a palladium mediated bond-cleavage or "decaging" reaction which can cause a propargyl carbamate to decompose and release an amine. This was further developed by the incorporation of a protein modification handle which allowed an amine-bearing drug to be covalently ligated to a protein by a palladium-cleavable linker. This chemistry was demonstrated by the conjugation of the anticancer drug doxorubicin to a tumour targeted anti-HER2 nanobody. The drug could then be delivered to cancer cells upon addition of a palladium complex. The second project relates to the development of a platinum mediated bond-cleavage reaction. This was developed with the aim of using platinum-containing anticancer drugs - such as cisplatin - as a catalyst to cause drug release reactions in tumours. In this reaction an alkyne-containing amide can decompose to release an amine upon addition of platinum complexes, and was applied to the release of prodrugs of the cytotoxins monomethylauristatin E and 5-fluorouracil in cancer cells. A cisplatin-cleavable antibody-drug conjugate was designed and synthesised, and progress towards its biological evaluation will be discussed.

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Zielstellung der durchgeführten Arbeiten war die Entwicklung neuer hochporöser metall-organischer Gerüststrukturen (engl.: metal-organic frameworks, MOFs) durch die Verwendung aufgeweiteter Linkermoleküle. Hierfür wurden verschiedene Synthesestrategien verfolgt. Zum einen wurde die Ausbildung von Layer-Pillar-Strukturen auf der Basis von Anthracen-Linkern genutzt, um poröse und sehr stabile metall-organische Gerüstverbindungen darzustellen. Außerdem wurden aufgeweitete trigonale Linkermoleküle bzw. eine Kombination von bi- und tridentaten Liganden verwendet, um hochporöse Koordinationspolymere zu synthetisieren. Zudem wurde die Synthese chiraler poröser Koordinationspolymere durch die Nutzung des modifizierten TADDOL-Katalysators als chirale organische Komponente verfolgt, um somit einen heterogenen Katalysator für die enantioselektive Katalyse zu gewinnen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die verschiedenen Synthesestrategien erfolgreich angewendet werden. Durch die Umsetzung des bidentaten Linkers 4,4´-Anthracen-9,10-diyldibenzoesäure und dem Säulenliganden 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (Dabco) mit verschiedenen Metallsalzen konnte eine neue Reihe isotyper, poröser Layer-Pillar-Verbindungen (DUT-30, DUT = Dresden University of Technology) mit einer sehr guten Stabilität gegenüber Luft und Feuchtigkeit dargestellt werden. Die Strukturen zeigen eine äußerst hohe Flexibilität, sodass sieben verschiedene Phasen der Verbindungen gefunden werden konnten. Dadurch sind diese Materialien prädestiniert zur Entfernung von Schadstoffen, wie z.B. organischen Lösungsmitteldämpfen, aus der Luft. Auch die Verwendung von trigonalen Linkern kann zur Synthese hochporöse Koordinationspolymere genutzt werden. Dies wurde anhand des Linkers 1,3,5-Tri-(4´-carboxy(1,1´-biphenyl)-4-yl)benzen erprobt. Die Umsetzung des Linkers mit Zinknitrat bzw. Cobaltnitrat führte zu den hexagonalen Schichtstrukturen DUT-40 und DUT-44. DUT-43 besteht ebenfalls aus einer derartigen hexagonalen Schichtstruktur, wobei hier jedoch die Verwendung von 4,4´-Biphenyldicarbonsäure als Co-Linker eine teilweise Verknüpfung der Schichten ermöglicht. Außerdem konnte durch die Umsetzung des tridentaten Linkers mit Kupfernitrat die Struktur von DUT-54 gebildet werden. In dieser liegen eindimensionale Stränge vor, wobei es zu einer gegenseitigen Durchdringung kommt und damit eine dreidimensionale Kanalstruktur entsteht. Eine weitere Synthesestrategie zur Erzeugung hochporöser Materialien nutzt die Verwendung von Co-Linkern für die Erzeugung der Koordinationspolymere. Hier war in der Vergangenheit vor allem die Kombination von bi- und tridentaten Linkern erfolgreich. Nutzt man als bidentaten Vertreter 9,10-Anthracendicarbonsäure, so eignet sich 4,4´,4´´-Benzen-1,3,5-triyltribenzoesäure als tridentater Co-Linker. Die solvothermale Umsetzung der beiden Linker in verschiedenen Lösungsmittelgemischen führte zu zwei neuen porösen Kooordinationspolymeren, welche beide Linkerarten enthalten. Um jedoch gezielt ein hochporöses und stabiles Material erzeugen zu können wurde eine Struktur simuliert, welche isoretikulär zu der bekannten Struktur DUT-6 ist, welche ebenfalls nach dem Prinzip der Kombination von bi- und tridentaten Liganden dargestellt wurde. Die zu erzeugende Struktur beruht auf dem tridentaten Linker 1,3,5-Tri-(4´-carboxy-(1,1´-biphenyl)-4-yl)-benzen und dem bidentaten Linker 1,4-Bi-p-carboxyphenylbuta-1,3-dien, welcher exakt die richtige Länge aufweist, um in diese Struktur eingebaut zu werden. Die Umsetzung von basischem Zinkacetat mit einem Gemisch der beiden Linker führte zu der zuvor simulierten Struktur. Für diese Verbindung, DUT-60, konnte eine spezifische Oberfläche von 6500 m2g-1 und ein Porenvolumen von 3.5 cm3g-1 berechnet werden, welche zu den höchsten jemals für poröse Koordinationspolymere ermittelten Werte gezählt werden können. Ein weiterer Bereich der vorliegenden Arbeit galt der Entwicklung eines neuen chiralen und porösen Koordinationspolymers, welches in der heterogenen enantioselektiven Katalyse eingesetzt werden kann. Dafür wurde der aus der homogenen Katalyse bekannte TADDOL-Linker modifiziert. Durch die solvothermale Umsetzung dieses Linkers mit Zinknitrat konnte die Verbindung DUT-39 erhalten werden. Diese zeigt hervorragende Werte bezüglich ihres Adsorptionsverhaltens für verschiedene Gase und zählt somit zu den chiralen, metall-organischen Gerüstverbindungen mit den höchsten Porositäten. Außerdem zeigt die Verbindung eine hohe thermische Stabilität sowie eine gute Stabilität gegenüber Luftfeuchte, was sie zu einem attraktiven Kandidaten für die heterogene enantioselektive Katalyse macht.

Triazoles have been widely used as amide bond isosteres in chemical biology as linkers and to enhance proteolytic stability. The use of triazoles has grown exponentially since the discovery of the copper (I) catalysed alkyne azide cycloaddition reaction in 2002 as the reaction is solvent and functional group tolerant, and usually high yielding. The reaction is also orthogonal to reactions used in nature, meaning it has become a powerful coupling tool. In post-translational modification (PTM), proteins are modified by covalent attachment of functional groups to amino acid side chains. These PTM processes are generally thought to be dynamic and highly regulated by cell machinery, controlling protein function in response to stimuli. The ability to control function post protein synthesis allows organisms to have a smaller genome, which is advantageous as it reduces the energy required for DNA replication and repair. Research into the function of PTMs has been limited by the difficulty in generating recombinant proteins that bear a single PTM in a specific location. Although many elegant methods have been proposed that solve this problem, to date cysteine alkylation is one of the most successful techniques. For lysine PTMs, thia-lysine II (sLys) derivatives have been shown to be excellent mimics of lysine, where the only perturbation between the native lysine-containing analogue is the switch of a CH2 for S in the side chain. Biotin is a well-known PTM in biotin dependent carboxylases, where biotin is involved in CO2 transfer. Recently biotinylation has also been shown to be a PTM on many other proteins, however the role of biotinylation is not well understood. Biotin triazole III has been shown to be a good mimic of the biotin amide bond and retains excellent affinity to Avidin (Av). In Chapter 1 the effects of modification to the valeryl side chain, and orientation of the biotin triazole bond affect affinity to Av using ITC are investigated. Compounds III, V and VI are shown to have a KD < 120 pM, but further information on the binding affinity of these compounds could not be assessed by ITC. Biotin triazoles III-VI were also shown to be resistant to hydrolysis in serum, unlike the native biotin amide bond, which is hydrolysed by the enzyme biotinidase (BTD). Generation of amide sLys derivatives has been shown to be synthetically challenging. In Chapter 2, the synthesis and applications of chloromethyl-triazole biotin as a sulfhydryl selective alkylation reagent are investigated. The electron withdrawing nature of the triazole was proposed to give a ‘pseudo-benzylic’ halide α to the triazole, thus increasing reactivity. The controlled alkylation of peptides and proteins has shown that chloromethyl-triazole biotin shows enhanced reactivity over many commercial alkylation reagents and also gives good selectivity for cysteine. Alkylation of histone H4K12C gave the singly alkylated product, accompanied by low amounts of double alkylation. Biotinylation was confirmed by Western blot with anti-biotin. Due to the wide range of readily available functional azides, it was envisaged that halomethyltriazoles could be incorporated into other PTM mimics. In Chapter 3, efforts to expand the range of PTMs accessible using halomethyl-triazoles and further enhance the reactivity of chloromethyl triazoles by preparation of bromo- and iodomethyl triazoles are detailed. Synthesis of reagents to mimic malonylation, succinylation and GlcNAcylation PTMs is described and the reactivity of these halomethyl-triazole reagents is assessed. An alternate approach to the development of PTM mimics through cysteine propargylation and subsequent CuAAC coupling is also described in chapter 3. In conclusion, a series of new reagents have been developed to mimic protein PTMs through alkylation of cysteine. The reagents, which include biotin, GlcNAc, succinyl and malonyl mimics, are based on a halomethyl-triazole scaffold and have been successfully reacted with cysteine containing peptides and proteins.

The conjugation of a small organic molecule to synthetic polypeptides from a designed set has been shown to give rise to binders with high affinity and selectivity for the phosphorylated model proteins α-casein and β-casein but not for ovoalbumin. The small organic molecule that was used for this purpose is comprised of two di-(2-picolyl)amine groups assembled on a dimethylphenyl scaffold, and is capable of complexing two Zn2+ ions to form chelates that bind the phosphate ion. The designed polypeptides used for binder construction have no precedence in nature and do not show any prior selectivity favouring any single protein. The polypeptide conjugate binders showed high affinity towards the model protein α-casein, the binder molecule 4C15L8-PP1 bound α-casein with a dissociation constant KD of 17 nM, although the di-(2-picolyl) amine based chelate in the presence of Zn2+ bound phosphate ion with dissociation constants in the low mM range. The observed affinity is due to interactions between the Zn2+ chelate and the phosphate groups of α-casein and also to interactions between the polypeptide scaffold and α-casein. The binder was found to selectively extract α-casein from buffer, bovine milk and human serum spiked with α-casein. The flexible construction of the binder permits for flexible modifications like attachment of fluorophores for titrations and quantifications. The binders were shown to efficiently capture α-casein from human serum when immobilized on solid support in a continuous flow system and to release the captured α-casein upon a simple change of pH using 0.1% acqueous trifluoroacetica acid. The developed technology brings new opportunities in investigating posttranslational phosphorylation events that are involved in signaling cascades and triggering many biologically relevant functions. A new chemical linker technology has also been developed for the purpose of conjugating biomolecules taking advantage of amino groups for the conjugation. By combining two esters with different reactivities, separated by an aliphatic chain, a molecular tool was developed that allows for controlled conjugation of biomolecules. The two esters react at different rates and can therefore be separated and allowed to react under different conditions in each step, thereby allowing for selective linkage formation between the subunits. The size of the spacer can be varied by selecting the appropriate dicarboxylic acid. The developed technology was shown to provide specificity in heteroconjugate formation in the assembly of a variety of heteroconjugates where polypeptides were combined with other peptides, carbohydrates and proteins.