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- International Max Planck Research School Molecular Biology, University of Göttingen, Germany (2)
- Agricultural Center, BASF SE, 67117 Limburgerhof, Germany (1)
- Center for Computational and Theoretical Biology (CCTB), Universität Würzburg (1)
- Center for Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (CNMPB), Göttingen, Germany (1)
- Center for Nanosystems Chemistry (1)
- Center for Nanosystems Chemistry (CNC), University of Würzburg (1)
- Center for Nanosystems Chemistry (CNC), Universität Würzburg, Am Hubland, 97074 Würzburg, Germany (1)
- Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Ke Karlovu 5, 121 16 Prague, Czech Republic (1)
- Chemical Biology Laboratory, National Cancer Institue, Frederick (USA) (1)
- Cluster of Excellence "Multiscale Bioimaging: from Molecular Machines to Networks of Excitable Cells, Göttingen (1)
RNA-catalysed RNA methylation was recently shown to be part of the catalytic repertoire of ribozymes. The methyltransferase ribozyme MTR1 catalyses the site-specific synthesis of 1-methyladenosine (m\(^1\)A) in RNA, using O\(^6\)-methylguanine (m\(^6\)G) as methyl group donor. Here we report the crystal structure of MTR1 at a resolution of 2.8 Å, which reveals a guanine binding site reminiscent of natural guanine riboswitches. The structure represents the postcatalytic state of a split ribozyme in complex with the m1A-containing RNA product and the demethylated cofactor guanine. The structural data suggest the mechanistic involvement of a protonated cytidine in the methyl transfer reaction. A synergistic effect of two 2'-O-methylated ribose residues in the active site results in accelerated methyl group transfer. Supported by these results, it seems plausible that modified nucleotides may have enhanced early RNA catalysis and that metabolite-binding riboswitches may resemble inactivated ribozymes that have lost their catalytic activity during evolution.
Site-specific introduction of biorthogonal handles into RNAs is in high demand for decorating RNAs with fluorophores, affinity labels or other modifications. Aldehydes represent attractive functional groups for post-synthetic bioconjugation reactions. Here, we report a ribozyme-based method for the synthesis of aldehyde-functionalized RNA by directly converting a purine nucleobase. Using the methyltransferase ribozyme MTR1 as an alkyltransferase, the reaction is initiated by site-specific N1 benzylation of purine, followed by nucleophilic ring opening and spontaneous hydrolysis under mild conditions to yield a 5-amino-4-formylimidazole residue in good yields. The modified nucleotide is accessible to aldehyde-reactive probes, as demonstrated by the conjugation of biotin or fluorescent dyes to short synthetic RNAs and tRNA transcripts. Upon fluorogenic condensation with a 2,3,3-trimethylindole, a novel hemicyanine chromophore was generated directly on the RNA. This work expands the MTR1 ribozyme’s area of application from a methyltransferase to a tool for site-specific late-stage functionalization of RNA.
Nearly all classes of coding and non-coding RNA undergo post-transcriptional modification including RNA methylation. Methylated nucleotides belong to the evolutionarily most conserved features of tRNA and rRNA.1,2 Many contemporary methyltransferases use the universal cofactor S-adenosylmethionine (SAM) as methyl group donor. This and other nucleotide-derived cofactors are considered as evolutionary leftovers from an RNA World, in which ribozymes may have catalysed essential metabolic reactions beyond self-replication.3 Chemically diverse ribozymes seem to have been lost in Nature, but may be reconstructed in the laboratory by in vitro selection. Here, we report a methyltransferase ribozyme that catalyses the site-specific installation of 1-methyladenosine (m1A) in a substrate RNA, utilizing O6-methylguanine (m6G) as a small-molecule cofactor. The ribozyme shows a broad RNA sequence scope, as exemplified by site-specific adenosine methylation in tRNAs. This finding provides fundamental insights into RNA’s catalytic abilities, serves a synthetic tool to install m1A in RNA, and may pave the way to in vitro evolution of other methyltransferase and demethylase ribozymes.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Elektronentransferprozesse in Systemen, die auf Triphenylaminredoxzentren basieren, mit Hilfe spektroskopischer und elektrochemischer sowie spektroelektrochemischer Methoden studiert. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Bistriarylaminsysteme analog zu N,N,N’,N’-Tetra(4-methoxyphenyl)-1,4-phenylendiamin (1) untersucht, deren Radikalkationen eine für gemischtvalente Systeme typische breite und insbesondere bei 1 stark asymmetrische IVCT-Absorptionsbande zeigen. Die Analyse dieser Banden nach Hush sowie einem modifizierten Modell, das der Vibronic coupling-Theorie angelehnt ist, deutet auf die Abnahme der elektronischen Kopplung mit zunehmender Vergrößerung des zentralen Phenylenspacers durch Naphthalin- (2) bzw. Anthracenspacer (3) und damit größerer sterischer Hinderung hin. Gleichzeitig nimmt aber mit der Vergrößerung des -Systems des Spacers auch die Reorganisationsenergie  ab. Insgesamt verhalten sich alle drei Verbindungen sehr ähnlich, was insbesondere das Verhältnis von Absorptionsmaximum der IVCT-Bande zum zweifachen Wert der elektronischen Kopplung betrifft. Legt man vor allem das modifizierte Vibronic coupling-Modell zugrunde, so liegt dieses Verhältnis bei 1+, 2+ und 3+ sehr nahe bei 1, so daß alle drei Systeme sehr nahe am Übergang von Robin-Day-Klasse II zu Klasse III liegen. Weiterhin wurden über einen 1,4-Diethinylphenyl-Spacer verbrückte Bistriarylaminsysteme untersucht, bei denen durch Variation der Spacereinheit (1,4-Diethinylphenyl (5), 1,4-Diethinylnaphthalin (6), 1,4-Diethinyl-2,5-dimethoxyphenyl (10)) die Energie eines Brückenzustandes im Vergleich zu Zuständen, bei denen das Radikal an einem Triarylaminzentrum lokalisiert ist, schrittweise abgesenkt wird. Die auftretenden Elektronentransferprozesse können mit Hilfe eines Dreiniveaumodells mit zwei voneinander unabhängigen Elektronentransferkoordinaten beschrieben werden. Es zeigt sich, daß bei elektronenarmen Spacern, wie z.B. bei 5+, der Elektronentransfer nach einem Superexchange-Mechanismus erfolgt. Bei der Verwendung einer elektronenreichen Dimethoxy-substituierten Brücke wie in 10+ kann der Elektronentransfer neben dem Superexchange- auch nach einem Hopping-Mechanismus erfolgen. Bei Verbindungen, die einen 9,10-Diethinylanthracenspacer (8+ und 9+) enthalten, liegt der Brückenzustand energetisch sogar deutlich tiefer als der Zustand mit einem oxidierten Triphenylaminredoxzentrum. Im zweiten Abschnitt wurden gerichtete Elektronentransferprozesse an Redoxkaskaden und Dendrimeren, die auf Triarylaminredoxzentren basieren, studiert. Die Möglichkeit, die Redoxpotentiale von Triphenylaminzentren durch Substituenten zu beeinflussen, erlaubt die Synthese von Kaskaden mit einem vorgegebenen Redoxgradienten. Innerhalb einer Kaskade, die ein Acridin-Fluorophor, ein 4-Chlor-substituiertes sowie ein 4-Methoxy-substituiertes Triphenylaminredoxzentrum enthält (18), kann nach Anregung des Acridin-Chromophors in polaren Lösungsmitteln ein ladungsgetrennter Zustand erreicht werden, worauf sowohl statische und zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen als auch transientenspektroskopische Untersuchungen hinweisen. Die Lebensdauer kann durch Verlängerung der Redoxkaskade durch ein weiteres Aminzentrum deutlich vergrößert werden. In unpolaren Lösungsmitteln erfolgt dagegen keine Ladungstrennung über die gesamte Kaskade. Ebenso tritt bei 20 (Kaskade aus Acridin, 4 Methoxy-substituiertem Triphenylamin und 4-Chlor-substituiertem Aminzentrum), wo der Redoxgradient entgegen zu 18 gerichtet ist, kein Ladungstransfer auf. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Verbindungen untersucht, die neben 1,4 Phenylendiamineinheiten in para-Position unsubstituierte Triphenylamine enthalten und sich elektrochemisch polymerisieren lassen. Die Eigenschaften der dotierten redoxaktiven Polymere werden durch die enthaltenen p-Phenylendiamin- und Benzidin-Substrukturen dominiert, wofür hauptsächlich die geringe Wechselwirkung der einzelne Redoxzentren untereinander verantwortlich ist. Impedanzspektroskopische Untersuchungen zeigen eine Zunahme der Leitfähigkeit der dotierten Polymerfilme, wobei der Ladungstransfer vermutlich durch Hopping zwischen den p-Phenylendiamin- und Benzidinuntereinheiten erfolgt.
Two dipolar merocyanines consisting of the same π‐conjugated chromophore but different alkyl substituents adopt very different packing arrangements in their respective solid state with either H‐ or J‐type exciton coupling, leading to ultranarrow absorption bands at 477 and 750 nm, respectively, due to exchange narrowing. The social self‐sorting behavior of these push‐pull chromophores in their mixed thin films is evaluated and the impact on morphology as well as opto‐electronical properties is determined. The implementation of this well‐tuned two‐component material with tailored optical features allows to optimize planar heterojunction organic photodiodes with fullerene (C\(_{60}\)) with either dual or single wavelength selectivity in the blue and NIR spectral range with ultranarrow bandwidths of only 11 nm (200 cm\(^{-1}\)) and an external quantum efficiency of up to 18% at 754 nm under 0 V bias. The application of these photodiodes as low‐power consuming heart rate monitors is demonstrated by a reflectance‐mode photoplethysmography (PPG) sensor.
Tropische Infektionskrankheiten sind noch immer die Haupttodesurache in vielen Ländern der Dritten Welt. Unter ihnen ist Malaria neben der Immunschwächekrankheit AIDS und Tuberkulose am weitesten verbreitet. Laut WHO erkrankten allein im Jahr 2016 rund 216 Millionen Menschen an Malaria und weltweit verstarben 445.000 Menschen an den Folgen dieser Infektion. Solange die Wirksamkeit des Impfstoffs RTS,S/AS01 gegen Malaria noch Schwachstellen aufweist und andere Impfstoff-Kanditaten sich noch in präklinischen Testphasen befinden, ist vor allem die Entwicklung neuer Wirkstoffe, auch im Hinblick auf die rasante Ausbreitung von Resistenzen gegen herkömmliche Medikamente, weiterhin eine dringende Aufgabe.
Eine vielversprechende Wirkstoffklasse mit interessanten strukturellen Eigenschaften und einer ungewöhnlichen Biosynthese aus Acetat-Einheiten sind die Naphthylisochinolin-Alkaloide aus den beiden paläotropischen Pflanzenfamilien der Dioncophyllaceae und Ancistrocladaceae. Die Naphthylisochinolin-Alkaloide sind hervozuheben aufgrund ihrer exzellenten Aktivität gegen Plasmodium falciparum, den Erreger der Malaria tropica, sowie wegen ihrer Wirksamkeit gegen Erreger weiterer Krankheiten wie beispielsweise AIDS, Leishmaniose und Afrikanische Trypanosomiasis. Auch im Kampf gegen maligne Erkrankungen wie Leukämie und pankreatischen Krebs werden sie aufgrund ihrer cytotoxischen Eigenschaften als vielversprechende Leitstrukturen betrachtet.
Die strukturell beeindruckendsten Naphthylisochinolin-Alkaloide sind die dimeren Mbandakamine, die von unserer Arbeitsgruppe vor einiger Zeit aus einer kongolesischen Ancistrocladus-Liane isoliert wurden. Sie besitzen sieben stereogene Elemente und sind die ersten natürlich vorkommenden Dimere mit einer höchst unsymmetrischen 6',1''-gekuppelten zentralen Biarylachse. Diese impliziert eine außergewöhnlich hohe sterische Hinderung an der zentralen Achse, wie sie noch in keinem anderen dimeren Naphthylisochinolin-Alkaloid gefunden wurde. Verbunden mit ihren bemerkenswerten und vielseitigen pharmakologischen Wirkeigenschaften sind sie ausgesprochen interessante Moleküle für eine synthetische Erschließung.
Ziel dieser Arbeit war die erstmalige Totalsynthese von Mbandakamin A und B sowie die Synthese ihrer monomeren Hälften 5-epi-Korupensamin E und 8-O-Methylkorupensamin A. Zudem sollten weitere Naphthylisochinolin-Dimere, die bei der Synthese der Mbandakamine anfallen, isoliert und charakterisiert werden. Alle neuen mono- und dimeren Naphthylisochinoline sollten abschließend am Schweizerischen Tropen- und Public-Health-Institut auf ihre biologische Aktivität getestet werden.
Zusätzlich gelang im Rahmen eines Kooperationsprojekts erstmals die stereochemische Charakterisierung des strukturell ganz neuartigen, inhärent chiralen Wolframbiscorrols durch online HPLC-ECD-Analyse in Kombination mit quantenchemischen Rechnungen.
In terms of the need of environmentally benign renewable and storable energy sources, splitting of water into hydrogen and oxygen by using sunlight is a promising approach. Hereby, water oxidation catalysts (WOCs) are required to perform the water oxidation comprising the transfer of four electrons to provide the reducing equivalents for producing hydrogen. The class of Ru(bda) (bda = 2,2'-bipyridine-6,6'-dicarboxylate) catalysts has proven to be efficient for this reaction.
In this thesis, ligand exchange processes in Ru(bda) complexes have been analyzed and the formation of multinuclear macrocyclic WOCs was studied. Based on the knowledge acquired by these studies, new multinuclear cyclic Ru(bda) complexes have been synthesized and their catalytic efficiencies in homogeneous water oxidation have been investigated. Going one step further for setting up functional devices, molecular WOCs have been immobilized on conducting or semiconducting supporting materials. Direct anchoring on carbon nanotubes generated a promising materials for further applications.
Catalytic water splitting is a viable process for the generation of renewable fuels. Here it is reported for the first time that a trinuclear supramolecular Ru(bda) (bda: 2,2′‐bipyridine‐6,6′‐dicarboxylate) catalyst, anchored on multi‐walled carbon nanotubes and subsequently immobilized on glassy carbon electrodes, shows outstanding performance in heterogeneous water oxidation. Activation of the catalyst on anodes by repetitive cyclic voltammetry (CV) scans results in a catalytic current density of 186 mA cm\(^{−2}\) at a potential of 1.45 V versus NHE. The activated catalyst performs water oxidation at an onset overpotential of 330 mV. The remarkably high stability of the hybrid anode is demonstrated by X‐ray absorption spectroscopy and electrochemically, revealing the absence of any degradation after 1.8 million turnovers. Foot of the wave analysis of CV data of activated electrodes with different concentrations of catalyst indicates a monomolecular water nucleophilic attack mechanism with an apparent rate constant of TOFmax (turnover frequency) of 3200 s\(^{−1}\).
Two di- and tetranuclear Ru(bda) (bda: 2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate) macrocyclic complexes were synthesized and their catalytic activities in chemical and photochemical water oxidation investigated in a comparative manner to our previously reported trinuclear congener. Our studies have shown that the catalytic activities of this homologous series of multinuclear Ru(bda) macrocycles in homogeneous water oxidation are dependent on their size, exhibiting highest efficiencies for the largest tetranuclear catalyst. The turnover frequencies (TOFs) have increased from di- to tetranuclear macrocycles not only per catalyst molecule but more importantly also per Ru unit with TOF of 6 \(^{-1}\) to 8.7 \(^{-1}\) and 10.5 s\(^{-1}\) in chemical and 0.6 s\(^{-1}\) to 3.3 \(^{-1}\) and 5.8 \(^{-1}\) in photochemical water oxidation per Ru unit, respectively. Thus, for the first time, a clear structure–activity relationship could be established for this novel class of macrocyclic water oxidation catalysts.
Poorly water-soluble drugs frequently solubilize into bile colloids and this natural mechanism is key for efficient bioavailability. We tested the impact of pharmaceutical polymers on this solubilization interplay using proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, dynamic light scattering, and by assessing the flux across model membranes. Eudragit E, Soluplus, and a therapeutically used model polymer, Colesevelam, impacted the bile-colloidal geometry and molecular interaction. These polymer-induced changes reduced the flux of poorly water-soluble and bile interacting drugs (Perphenazine, Imatinib) but did not impact the flux of bile non-interacting Metoprolol. Non-bile interacting polymers (Kollidon VA 64, HPMC-AS) neither impacted the flux of colloid-interacting nor colloid-non-interacting drugs. These insights into the drug substance/polymer/bile colloid interplay potentially point towards a practical optimization parameter steering formulations to efficient bile-solubilization by rational polymer selection.