Die Nachahmung natürlichen Kollagens stellt aufgrund dessen einzigartiger Struktur erhöhte Anforderungen an die chemische und biochemische Synthese artifizieller kollagenartiger Peptide. In dieser Arbeit wurden Cystein-Knoten und Organo-Template als Konzepte zur Vororganisation vorgestellt, um Peptideinzelstränge in die Anordnung kollagenartiger Dreifachhelices (CTH) zu dirigieren. Zusätzlich wurden diese mit einem schaltbaren DEPSI Struktursegment zur Steuerung der Helixstruktur kombiniert. Die templatbasierte Strategie beruht auf einem dreiarmigen Gerüstmolekül, an welches drei Peptideinzelstränge mittels nativer chemischer Ligation geknüpft werden. Für das Cystein-Knoten-Konzept wurden kollagen-mimetische Peptide entwickelt. Diese bestehen aus einer Cystein-reichen Domäne (wc2-Domäne) und einem Abschnitt, der eine kollagenartige Sequenz von [Gly-Pro-Pro]x aufweist. Die Vororganisation, als auch der Schalterdefekt zeigten maßgebliche Auswirkungen bezüglich der Adaption der Peptide in kollagenartige Dreifachhelices. Abhängig von der Position modulieren die Schalterdefekte die wc2-Organisation, die Nukleierung und den CTH-Faltungsprozess. Die Cystein-Organisationsdomäne wies den Vorteil auf, dass derartige Sequenzen ohne chemische Modifikation direkt im biotechnologischen Prozess in Unimere eingebracht werden konnten. Eine E. coli-basierte Produktionsstrategie ermöglichte den Zugang zu [GPP]50-Konstrukten, die ebenfalls die wc2-Domäne trugen. Weitere Untersuchungen wiesen zudem eine redox-reaktive Schaltbarkeit der Peptide nach. Um die Verwendbarkeit der synthetischen Kollagene als Biomaterial zu testen, wurde die Kompatibilität in zweidimensionalen Adhäsions- und Zytotoxizitätstests überprüft. / Due to its unique structure, the imitation of natural collagen increased the demands on the chemical and biochemical synthesis of artificial collagen mimetic peptides (CMPs). In this thesis, concepts of cysteine knots and organo-templates were presented for the reorganization of peptide single strands into the arrangement of collagenous triple helices (CTHs). These techniques were additionally combined with a switchable DEPSI structure segment to further control the helix structure. The template-based strategy relies on a three-armed scaffold to which three peptide strands are attached by native chemical ligation. For the cysteine-knot concept, collagen mimetic peptides consisting of a cysteine-rich domain (wc2-domain) and a domain with a collagen-like sequence of [Gly-Pro-Pro]x were developed. The preorganization, as well as the switch defect, showed significant effects on the adaptation of the peptides in collagenous triple helices. Depending on the position, the switch defects modulate wc2-organization, nucleation and the CTH folding process. This cysteine organization domain had the advantage that such sequences could be introduced into unimers directly in the biotechnological process without chemical modification. An E. coli-based production strategy allowed access to [GPP]50 constructs, which also carried the wc2-domain. Further investigations also showed a redox-reactive switchability of the peptides. To examine the utility of the synthetic collagen as a biomaterial, compatibility was tested in two-dimensional adhesion and cytotoxicity tests.

Die Natur bietet faszinierende Beispiele von Materialien mit besonderen mechanischen Eigenschaften wie Knochen oder Perlmutt. Die Grenzflächen in diesen Materialien scheinen eine der entscheidenden Faktoren zu sein. Die Natur benutzt Proteine als natürliche Kompatibilisatoren – Moleküle, die anorganische Oberfläche erkennen können und damit die Grenzfläche stabilizieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Aufgabe, die Anwendbarkeit des Konzeptes der Kompatibilisatoren aus den Biomaterialien auf synthetische Systeme zu prüfen. Das Konzept der Arbeit basiert auf der Erkenntnis, dass Peptide anorganische Oberflächen erkennen können. Die Peptidsequenzen können biokombinatorisch aus Phagen-Display-Bibliotheken identifiziert werden. Eine adhärierende Peptidsequenz zusammen mit Polymerblock stellt ein Peptid-Polymer Konjugat dar, der als eine vereinfachte Version der Grenzflächenproteinen betrachtet werden kann. Das Einblenden der Konjugate in die Komposite führt zur gleichzeitigen Verbesserung von Steifigkeit und Zähigkeit. Die Analyse der Materialstruktur zeigt die Unterdrückung der Aggregation und den entsprechenden Größeneffekt, der für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verantwortlich ist. Das Konzept der bioinspirierten Kompatibilisatoren wurde auf andere Peptidsequenzen erweitert. Die Evaluierung der sekundären Wechselwirkungen hat gezeigt, dass je kleiner die Affinität zur Peptid-Peptid Wechselwirkung, desto höher ist die Verfügbarkeit der Sequenz für die anorganische Oberfläche. Die Peptidsequenzen mit der geringeren Löslichkeit aufgrund der Aggregation sind weniger effizient in der Erkennung der Oberfläche. Diese Arbeit zeigt, dass die Idee von den Biomolekülen an der Grenzfläche übertragbar auf die synthetischen Systeme ist. Das Konzept von der bioinspirierten Grenzflächenmodifizierung ist ein versatiles Tool für die Entwicklung neuer Materialien. / Nature provides fascinating examples of composite materials with exceptional mechanical properties such as bone or nacre. Bioinspired materials represent a new class of materials build according to architecture principles found in nature. Control of interface properties seems to be one of the key factors towards outstanding mechanical properties. Nature uses proteins as connecting molecules – compatibilizers, which are able to recognize inorganic surfaces and mediate the internal material interface. This thesis aims to evaluate the applicability of interface management derived from nature to synthetic system. The current concept is based on the sequence specific recognition of the inorganic surface by peptides. Specifically binding peptides can be biocombinatorially selected from a phage display library. Peptide-polyethylene oxide (PEO) conjugates, consisting of a previously identified specifically binding peptide sequence and polymer-block, are incorporated in the polymer composite material, composed of MgF2 nanoparticles particles and PEO. Peptide-polymer conjugates can be considered as the simplified version of natural compatibilizers. Incorporation of the conjugates into the composite leads to simultaneous improvement of mutually exclusive properties such as stiffness and toughness. Structural studies revealed suppression of particle aggregation and corresponding structural size effect responsible for improvement in the mechanical performance. Concept of bioinspired compatibilizer was expanded to the implementation of different peptide sequences. Evaluation of secondary interactions revealed that the smaller the affinity for peptide-peptide interaction, the higher the availability of peptide sequences for an inorganic surface. Sequences with low solubility due to aggregation are less efficient in surface recognition. This bioinspired concept of interface modification via peptide-polymer conjugates represents a versatile tool for new material development.

Das Ceramid Transfer Protein (CERT) ist einer der geschwindigkeitsbestimmenden Proteine in der de novo Biosynthese von Sphingomyelin. Es ist verantwortlich für den nicht-vesikulären Transfer von Ceramid vom Endoplasmatischen Retikulum zum Golgi-Apparat. Die Inhibition von CERT wird als potenzielle Behandlung für Krankheiten wie Infektionen, Krebs oder Gain-of-Function-Mutationen des CERT Gens diskutiert. Kürzlich, wurde Lomitapide als potenter Inhibitor des CERT-vermittelten intermembran-Transfers identifiziert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Synthese von Lomitapide Derivaten mit verbesserter Wirksamkeit und Selektivität präsentiert. Die synthetisierten Analoga wurden in vitro mithilfe eines liposomalen Transferassays auf ihre Inhibition der CERT-Transferaktivität getestet. Zusätzlich konnte durch die Messung des Ceramid-Sphingomyelin-Verhältnisses nach Inhibitor Behandlung die Aktivität in cellulo bestätigt werden. Die Selektivität gegenüber dem Mikrosomalen Triglycerid Transfer Protein (MTP) wurde durch Messung der MTP-vermittelten Sekretion von apoB ermittelt. Unter den synthetisierten Analoga zeigten einige verbesserte CERT-Transfer Inhibition und niedrigere Inhibition der apoB Sekretion, sogar bei fünffacher Konzentration verglichen mit Lomitapide. Obwohl die Bewertung der biologischen Aktivität noch im Gange ist, wurde eine vorläufige Struktur-Aktivitäts-Beziehung etabliert. Es wurden strukturelle Bestandteile identifiziert, die wichtig für die CERT-Inhibition sind und andere welche variabel sind, um die Wirksamkeit und Selektivität in Zukunft noch weiter zu steigern. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Synthese von Lomitapide-basierten proteolysis targeting chimeras (PROTACs) für CERT. PROTACs haben sich im letzten Jahrzehnt zu einem vielversprechenden therapeutischen Ansatz entwickelt und mehrere potenzielle Wirkstoffe hervorgebracht. PROTACs sind heterobifunktionale Moleküle, die sich den zellulären Weg der Proteinzersetzung zunutze machen, indem sie das gewünschte Protein zur Zersetzung markieren. Es wurde eine erste Serie von CERT PROTACs mit vielversprechender Abbauwirkung synthetisiert, welche eine bevorzugte Zersetzung von CERT aber nicht CERTL andeuten. CERTL ist eine längere Spleiß-Variante, welche vornehmlich im Herz, Gehirn und den Skelettmuskeln exprimiert wird. Eine zweite Serie von PROTACs mit variierter Linker Kettenlänge wurde synthetisiert. Untersuchung des Einflusses auf die apoB Sekretion aus HepG2 Zellen zeigte sogar bei 50-facher Konzentration einen niedrigeren Einfluss auf diese als Lomitapide. / The ceramide transfer protein (CERT) is one of the rate-limiting proteins in the de novo biosynthesis of sphingomyelin, facilitating the non-vesicular transfer of ceramide from the Endoplasmic Reticulum to the Golgi-apparatus. Inhibition of CERT has been proposed as a potential treatment for pathogenesis like infectious diseases, cancer, or disease-causing gain-of-function mutations within the CERT gene. Recently Lomitapide has been identified as a potent inhibitor of CERT-mediated intermembrane transfer. In the first part of this thesis, the synthesis of Lomitapide derivatives with improved potency and selectivity is presented. The synthesized analogs were tested in vitro for their inhibition of CERT-transfer using a liposomal transfer assay. Additionally, the activity could be confirmed in cellulo by monitoring the ceramide-sphingomyelin-ratio after inhibitor treatment. Selectivity against the microsomal triglyceride transfer protein (MTP) has been determined by monitoring the MTP-mediated cellular secretion of apoB. Among the synthesized analogs, several showed improved CERT-transfer inhibition and lower inhibition of apoB secretion even at five-fold higher concentrations compared to Lomitapide. Although the biological evaluation is still underway, a preliminary structure-activity-relationship has been established and identified structural motifs important for CERT inhibition and modifiable moieties to increase potency and selectivity even further in the future. The second part of the thesis describes the synthesis of Lomitapide-based proteolysis targeting chimeras (PROTACs) for CERT. PROTACs have evolved in the last decade as a promising therapeutic technique and resulted in the development of several drugs which are currently in clinical trials. PROTACs are heterobifunctional small molecules that mediate the degradation of the target protein by hijacking the cellular proteasomal pathway. A first series of synthesized CERT PROTACs showed promising preliminary results for CERT degrader activity and indicated a preferred degradation of CERT over CERTL, a longer splicing variant expressed in the heart, brain, and skeletal muscles. Motivated by this a second generation of PROTACs with varying linker chain lengths was synthesized. Investigation of their inhibition of apoB secretion from HepG2 cells revealed lower activity on secretion than Lomitapide even at 50-fold concentrations for a set of CERT PROTACs.

Die vorliegende Arbeit beschäftigen sich mit Azobenzol-Photoschaltern zur Steuerung (makro)molekularer Prozesse. Aufgrund ihrer lichtinduzierten geometrischen Strukturänderung hat diese Substanzklasse als Steuereinheit Einzug in mehrere Bereiche der Lebens- und Materialwissenschaften gehalten. Vorteile wie die hohe Stabilität, gute Ansprechbarkeit und etablierte Synthesemethoden werden von einer großen Vielfalt an Derivaten vervollständigt. Als eines der populärsten photochromen Systeme bieten Azobenzole eine zuverlässige Grundlage für die Entwicklung neuer molekularer Maschinen. Der erste Teil dieser Arbeit hat die Vergrößerung der geometrischen Änderung des Schaltvorgangs zum Ziel. Dafür werden Azobenzole in starre Makromoleküle und makromolekulare Aggregate eingebaut, die der Bewegung der kleinen Wiederholungseinheiten aufgrund der gewählten Architektur folgen und somit idealerweise die Umwandlung der aufgenommenen Energie in mechanische Arbeit erhöhen. Dabei werden die Grundlagen der Photochromie, der Azobenzol-Photochemie sowie allgemeine Strategien zur Steigerung geometrischer Änderungen in molekularen Systemen vorgestellt. Des Weiteren wird das Design, die Synthese und die Charakterisierung eines durch Licht ansprechbaren Polymeraggregats beschrieben. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der reversiblen Bildung von ionischen Substanzen. Geladene Spezies sind von großer Wichtigkeit für die Aufrechterhaltung verschiedener Körperfunktionen in Lebewesen, können jedoch auch Adsorptions- und bakterizide Eigenschaften auf Oberflächen regulieren. Basierend auf dem Modell des Spiropyrans wird der theoretische Hintergrund für die Herstellung eines Azobenzol-Äquivalents vorgestellt. Daten aus DFT-Rechnungen werden in Modellverbindungen umgewandelt, die mittels NMR-Analyse untersucht werden. Abschließend wird eine vielversprechende Zielstruktur eines durch Licht steuerbaren dynamisch kovalenten Zwitterions vorgestellt. / The present thesis employs azobenzene photoswitches to control (macro)molecular processes. As a light-responsive molecule undergoing a large geometrical change upon E/Z photoisomerization, azobenzenes have found their way into multiples areas of life and material sciences. Advantages such as high stability, good addressability, and well-established synthesis methods are accompanied by a large variety of derivatives. Being one of the most popular photochromic compounds, azobenzenes provide a reliable basis for the development of new responsive systems. The first part of this work is aimed at the amplification of the switching dimensions by incorporating azobenzene into rigid macromolecules and macromolecular aggregates. Based on the polymer architecture, the motion of the small responsive repeating units is transferred to the entire macromolecule, which ideally helps to increase the conversion of consumed energy into mechanical work. Following a small overview about the basics of photochromism and azobenzene photochemistry, general strategies to increase geometrical changes in molecular systems are presented. Furthermore, the design and synthesis as well as the characterization of a light-responsive polymer aggregate that exhibits a large geometrical change upon isomerization is described. The second part of this work deals with the reversible formation of ions. Besides their great importance for vital functions in living organisms, adsorption characteristics as well as bactericidal properties can be regulated by ionic modifications on surfaces. Based on the model of spiropyran, the theoretical background for the preparation of an azobenzene equivalent is presented. The computational data is converted into model compounds that were investigated by means of NMR analysis. Based on these combined theoretical and experimental data, a promising target structure for a light-responsive dynamic covalent zwitterion is described.

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Nukleinsäuren und Peptide erlauben es, Kontrolle über molekulare Prozesse auszuüben. In dieser Arbeit werden strukturgebende Elemente wie Coiled-Coil-Peptide oder PNA∙DNA-Strukturen genutzt, um Rezeptoren auf lebenden Zellen zu markieren und in ihrem Verhalten zu modulieren, oder cytosolische Proteine in ihrem Bindungsverhalten zu steuern. Im ersten Konzept wird die Interaktion des Coiled-Coil-Paars K3/E3 genutzt, um eine Transferreaktion, in welcher eine PNA-Sequenz vom K3-Donor auf den E3-Akzeptor übertragen wird, zu induzieren. Durch die Fusion des Akzeptorpeptids mit einem Rezeptor werden kovalente PNA-Rezeptorkonjugate auf der Oberfläche lebender Zellen geschaffen. Die Reaktion zwischen Thiol und Thioester erlaubt dabei einen schnellen Transfer. So wurden Rezeptoren aus der Familie der GPCR sowie der EGFR mit einem PNA-Strang versehen und durch fluoreszente PNA oder DNA selektiv markiert. Zusätzlich wurden verzweigte DNA-Architekturen mit mehreren Fluorophoren genutzt, um die Helligkeit der Markierung quantitativ zu erhöhen. Die PNA-EGFR-Konjugate wurden durch eine zwei Rezeptoren verbrückende Cy3-DNA adressiert und so zeitgleich markiert und dimerisiert. Dadurch wurde die Rezeptoraktivität gesteigert, was über Western Blot-, Immunofluoreszenz- und Fluoreszenzmikroskopieanalyse belegt wurde. In weiteren Ansätzen wurden Coiled-Coil-Systeme genutzt, um i) parallel zwei verschiedene Akzeptorpeptide mit verschiedenen Fluorophoren zu markieren und ii) Coiled-Coil-Peptide schaltbar zu machen. Durch die asymmetrische Verlängerung von K3/E3-Paaren mit Coiled-Coil-Sequenzen kann die Interaktion der Peptide an und aus geschaltet werden. Dies wurde sowohl in einem Fluoreszenzassay als auch in einer direkten Anwendung an der Syk-Kinase demonstriert. Die Liganden der Kinase wurden an den schaltbaren Peptiden angebracht und so die Affinität zur Syk-Kinase kontrolliert. / Nucleic acids and peptides can be used to obtain control over molecular processes within living cells. In this work, structural elements as coiled-coil peptides or PNA∙DNA-structures were used to label and modulate receptor behavior on living cells and to control ligand binding of cytosolic proteins. For the first concept the K3/E3-coiled-coil peptide pair was used to establish a proximity-guided, covalent transfer of a PNA strand from a K3-donor peptide onto the complementary E3-acceptor peptide. By fusion of the acceptor peptide to a receptor, PNA-receptor-conjugates were generated selectively on living cells. The native chemical ligation type of reaction allowed a fast PNA-transfer within minutes. Receptors from the family of GPCRs and the EGFR were tagged with a PNA-sequence and subsequently labeled by the addition of a fluorescent DNA or PNA. By recruiting branched DNA architectures which were decorated with several fluorophores, the total brightness of the labeling was increased quantitatively. A twice complementary Cy3-DNA was used to simultaneously label and dimerize the EGFR. Thereby, an artificially induced increase in receptor activity could be achieved, which was shown in Western Blot and immunofluorescence analysis as well as in fluorescence microscopy. In two other approaches coiled-coil peptides were used to i) label two different acceptor peptides simultaneously with two different dyes and ii) introduce coiled-coil peptides as part of a dynamic switchable system. Using an asymmetric coiled-coil elongation on the K3/E3 pair the interaction of both can be turned on and off. This was demonstrated in a fluorescence assay and applied to the Syk kinase, were Syk ligands were attached to the switchable peptides. Those ligands were changed from a bi- to a monovalent presentation status and thus the affinity of the Syk kinase towards its ligands can be controlled.

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