Neue Entdeckung in Richtung Zucker-Origami

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von Max-Planck-Gesellschaft

Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPICI) haben eine Kohlenhydratsequenz entwickelt, die sich in eine stabile Sekundärstruktur falten kann.

Bisher wurden solche selbstfaltenden Biopolymere nur für DNA und Proteine entwickelt, und Zucker galten bisher als zu flexibel, um eine stabile Konformation anzunehmen. Gefaltete Kohlenhydrate könnten völlig neue Perspektiven in der Biomedizin und Materialwissenschaft eröffnen.

Kohlenhydrate machen etwa 80% der Biomasse der Erde aus - die Hälfte an Land und die Hälfte im Meer. Dennoch sind ihre materiellen Eigenschaften noch weitgehend unverstanden. Die von Dr. Martina Delbianco geleiteten Forscher aus dem Bereich Biomolekulare Systeme sind daran interessiert, wie Polysaccharide, also lange Zuckerketten, sich zu Materialien falten und zusammenbauen. Sie haben zum Beispiel entdeckt, wie einzelne Glukoseketten zusammenkommen, um Cellulose zu erzeugen, den Hauptbestandteil von Pflanzen.

Aufbauend auf diesem Wissen entwerfen sie nun nicht natürliche Kohlenhydrate. Ihre Arbeit lässt sich von der Peptidforschung (kurze Proteine) inspirieren. Wissen über natürliche Proteine wurde genutzt, um synthetische Peptidsequenzen zu entwerfen, die programmierbare 3D-Formen annehmen und spezifische Funktionen erfüllen können. Dieser Ansatz eröffnete viele Möglichkeiten, zum Beispiel in der Arzneimittelproduktion und Nanotechnologie. Kohlenhydrate bieten noch mehr Chancen aufgrund ihrer höheren Fülle und Vielfalt im Vergleich zu Peptiden.

In ihrer in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlichten Studie haben Dr. Delbianco und ihr Team gezeigt, dass es möglich ist, Glykane zu entwerfen, die in wässriger Lösung eine spezifische stabile Konformation annehmen. Sie verknüpften natürliche Zuckermotive miteinander, um eine Form zu erzeugen, die in der Natur nicht existiert, eine Haarnadel. In einem Lego-ähnlichen Ansatz verbanden sie zwei lineare Cellulosestangen (in Blau) mit einer starren Glykanschleife (in Grün), um eine neue nicht natürliche Form zu erhalten.

"Kohlenhydrate können mit programmierbaren Formen erzeugt werden, was die Möglichkeit eröffnet, ihnen neue Eigenschaften und Funktionen zu verleihen", sagt Dr. Martina Delbianco. Die Struktur wurde schnell mithilfe von "Automated Glycan Assembly" (AGA) erstellt, einem Prozess, bei dem Monosaccharide in einem automatisierten Synthesizer verbunden werden, um maßgeschneiderte Polysaccharidsequenzen zu erzeugen. Um die 3D-Struktur zu enthüllen, verwendete die Gruppe von Dr. Delbianco eine Vielzahl analytischer Techniken.

Darüber hinaus haben internationale Forscher wie Prof. Jesús Jiménez-Barbero von CIC BioGUNE mit Dr. Martina Delbianco zusammengearbeitet. "Die 3D-Struktur eines Biomoleküls bestimmt seine Funktion. Dies könnte bedeuten, dass wir in Zukunft zum Beispiel gefaltete Zucker als Medikamente, als Katalysatoren für chemische Reaktionen oder als Baueinheiten für die Schaffung von Nanomaterialien verwenden könnten", sagt Dr. Martina Delbianco.

Journalinformationen: Nature Chemistry

Bereitgestellt von: Max-Planck-Gesellschaft