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Bioactivity-guided fractionation of a methanolic extract of the Red Sea cucumber Holothuria spinifera and LC-HRESIMS-assisted dereplication resulted in the isolation of four compounds, three new cerebrosides, spiniferosides A (1), B (2), and C (3), and cholesterol sulfate (4). The chemical structures of the isolated compounds were established on the basis of their 1D NMR and HRMS spectral data. Metabolic profiling of the H. spinifera extract indicated the presence of diverse secondary metabolites, mostly hydroxy fatty acids, diterpenes, triterpenes, and cerebrosides. The isolated compounds were tested for their in vitro cytotoxicities against the breast adenocarcinoma MCF-7 cell line. Compounds 1, 2, 3, and 4 displayed promising cytotoxic activities against MCF-7 cells, with IC\(_{50}\) values of 13.83, 8.13, 8.27, and 35.56 µM, respectively, compared to that of the standard drug doxorubicin (IC\(_{50}\) 8.64 µM). Additionally, docking studies were performed for compounds 1, 2, 3, and 4 to elucidate their binding interactions with the active site of the SET protein, an inhibitor of protein phosphatase 2A (PP2A), which could explain their cytotoxic activity. This study highlights the important role of these metabolites in the defense mechanism of the sea cucumber against fouling organisms and the potential uses of these active molecules in the design of new anticancer agents.
Bioactivity-guided isolation supported by LC-HRESIMS metabolic profiling led to the isolation of two new compounds, a ceramide, stylissamide A (1), and a cerebroside, stylissoside A (2), from the methanol extract of the Red Sea sponge Stylissa carteri. Structure elucidation was achieved using spectroscopic techniques, including 1D and 2D NMR and HRMS. The bioactive extract’s metabolomic profiling showed the existence of various secondary metabolites, mainly oleanane-type saponins, phenolic diterpenes, and lupane triterpenes. The in vitro cytotoxic activity of the isolated compounds was tested against two human cancer cell lines, MCF-7 and HepG2. Both compounds, 1 and 2, displayed strong cytotoxicity against the MCF-7 cell line, with IC\(_{50}\) values at 21.1 ± 0.17 µM and 27.5 ± 0.18 µM, respectively. They likewise showed a promising activity against HepG2 with IC\(_{50}\) at 36.8 ± 0.16 µM for 1 and IC\(_{50}\) 30.5 ± 0.23 µM for 2 compared to the standard drug cisplatin. Molecular docking experiments showed that 1 and 2 displayed high affinity to the SET protein and to inhibitor 2 of protein phosphatase 2A (I2PP2A), which could be a possible mechanism for their cytotoxic activity. This paper spreads light on the role of these metabolites in holding fouling organisms away from the outer surface of the sponge, and the potential use of these defensive molecules in the production of novel anticancer agents.
Thalassodendron ciliatum (Forssk.) Den Hartog is a seagrass belonging to the plant family Cymodoceaceae with ubiquitous phytoconstituents and important pharmacological potential, including antioxidant, antiviral, and cytotoxic activities. In this work, a new ergosterol derivative named thalassosterol (1) was isolated from the methanolic extract of T. ciliatum growing in the Red Sea, along with two known first-reported sterols, namely ergosterol (2) and stigmasterol (3), using different chromatographic techniques. The structure of the new compound was established based on 1D and 2D NMR spectroscopy and high-resolution mass spectrometry (HR-MS) and by comparison with the literature data. The new ergosterol derivative showed significant in vitro antiproliferative potential against the human cervical cancer cell line (HeLa) and human breast cancer (MCF-7) cell lines, with IC\(_{50}\) values of 8.12 and 14.24 µM, respectively. In addition, docking studies on the new sterol 1 explained the possible binding interactions with an aromatase enzyme; this inhibition is beneficial in both cervical and breast cancer therapy. A metabolic analysis of the crude extract of T. ciliatum using liquid chromatography combined with high-resolution electrospray ionization mass spectrometry (LC-ESI-HR-MS) revealed the presence of an array of phenolic compounds, sterols and ceramides, as well as di- and triglycerides.
We present the rapid biophysical characterization of six previously reported putative G‐quadruplex‐forming RNAs from the 5′‐untranslated region (5′‐UTR) of silvestrol‐sensitive transcripts for investigation of their secondary structures. By NMR and CD spectroscopic analysis, we found that only a single sequence—[AGG]\(_{2}\)[CGG]\(_{2}\)C—folds into a single well‐defined G‐quadruplex structure. Sequences with longer poly‐G strands form unspecific aggregates, whereas CGG‐repeat‐containing sequences exhibit a temperature‐dependent equilibrium between a hairpin and a G‐quadruplex structure. The applied experimental strategy is fast and provides robust readout for G‐quadruplex‐forming capacities of RNA oligomers.
Enzym-Modifikationen finden in der Natur in Form von posttranslationalen Protein-Modifikationen statt und sind ein faszinierender Mechanismus, um die biologische Vielfalt und Funktion von Proteinen um ein Vielfaches zu erhöhen. Daher ist es für ein ganzheitliches Verständnis bestimmter biologischer Prozesse oder enzymatischer Struktur-Funktions-Beziehungen unerlässlich, chemische Methoden zu entwickeln, die in der Lage sind, diese natürliche Diversität nachzuahmen.[61] Die wohl größte Herausforderung der chemischen Protein-Konjugation ist die chemo- und regioselektive Modifikation einer gezielten Aminosäure bei gleichzeitig milden und physiologischen Reaktionsbedingungen. Trotz zahlreich beschriebener Ansätze zur selektiven Protein-Modifikation, bedarf es weiterhin neuer Methoden, da viele bestehende Herangehens¬weisen auf ein spezielles System zugeschnitten sind.[9, 63]
Aus diesem Grund sollte im Rahmen dieser Arbeit eine breit anwendbare Methode zur selektiven chemischen Tyrosin-Modifikation am Modell der Levansucrase aus Bacillus megaterium entwickelt werden. Durch eine zweistufige Protein-Modifikation, bestehend aus einer En-Reaktion im ersten Schritt und einer Click-Reaktion im zweiten Konjugationsschritt, gelang es die Produktspezifität der Bm Levansucrase rational zu beeinflussen. Zunächst wurde die Tyrosin-spezifische En-Reaktion mit der Luminol-Verbindung 1 an natürlich vorkommenden Tyrosin-Seitenketten der Levansucrase erprobt und analysiert. Hierbei zeigte sich durch massenspektrometrische Untersuchungen, dass hauptsächlich zwei der 25 vorhandenen Tyrosin-Reste mit dem Luminol-Tag 1 modifiziert wurden, zu denen die Seitenketten Y247 und Y196 gehörten. Um die Auswirkungen der Tyrosin-Modifikation leichter interpretieren zu können und eine gegenseitige Beeinflussung auszuschließen, wurde vorerst mit der Einzelmutante Y247F gearbeitet. Da nach der ersten Modifikation der Variante Y247F geringe Veränderungen im Produkt¬spektrum beobachtet wurden, insbesondere im hoch-molekularen Bereich, wurde die Click-Reaktion im zweiten Schritt mit der Intention durchgeführt, diesen Effekt zu verstärken. Schließlich bewirkte die Click-Reaktion mit Azidoglucose (AzGlc) bei Variante Y247F-1-AzGlc eine erhebliche Verschiebung der Produktverteilung von kleinen Fructooligosacchariden (ca. 1100 Da) hin zu hoch-molekularem Levan (ca. 2,1∙106 Da).
Drei weitere Positionen, die in der dritten Zone des Enzyms liegen, wurden für die gentechnische Substitution gegen nicht-native Tyrosin-Reste ausgewählt. Dadurch wurden die Varianten E314Y, D248Y sowie F445Y erhalten und anschließend wie zuvor in zwei Schritten chemisch modifiziert. Die Modifikation dieser Varianten führte hinsichtlich der Veränderung des Produktprofils zu ähnlichen Ergebnissen, wie sie mit dem Enzym Y247F erhalten wurden (Übersicht 1, A). Um den Einfluss verschiedener Seitenketten zu analysieren, wurden neben der Azidoglucose vier weitere Azido-Verbindungen in der Click-Reaktion getestet.
Die Resultate aus den genannten Untersuchungen und die Einbeziehung molekular¬-dynamischer Simulationen ließen erste Rückschlüsse auf die mechanistischen Prozesse der Bm Levansucrase und deren gezielte Manipulation zu: Die Größe der eingeführten Seitenkette sowie die Fähigkeit des Tags polare Wechselwirkungen auszubilden, spielen eine entscheidende Rolle zur rationalen Modulation der Produkt¬spezifität. Insbesondere die räumliche Orientierung und Bewegung der Seitenkette 1 AzGlc und die damit einhergehende sterische Hinderung trugen dazu bei, eine vorzeitige Dissoziation der wachsenden Fructane zu verhindern und ermöglichten dadurch die prozessive Polymersynthese.
Weitere Erkenntnisse über den Levan-Elongationsmechanismus wurden durch die Modifikation der Varianten N126Y und S125Y erhalten. Diese lagen im Gegensatz zu den zuvor untersuchten Tyrosin-Resten nicht im Wachstumsverlauf des Substrats und besaßen zudem eine kürzere Distanz zum aktiven Zentrum. In beiden Fällen führte bereits die erste Modifikation mit Luminol-Derivat 1 zu völlig unter¬schiedlichen Produktprofilen im Vergleich zu den zuvor untersuchten Enzym-Varianten. Während mit der Variante N126Y-1 eine signifikante Akkumulation (bis zu 800 % Zunahme) verschiedener Oligosaccharide erzielt wurde, synthetisierte die Variante S125Y-1 schon nach dem ersten Modifikationsschritt Levan-Polymer (Übersicht 1, B/C). Die zugrunde-liegenden Interaktionen und Trajektorien der eingeführten Seitenkette wurden ebenfalls mit Hilfe von MD Simulationen analysiert und bestätigten die zuvor getroffenen Annahmen. Durch die räumliche Nähe zur Substrat-Bindungstasche reichte bei Variante S125Y 1 bereits die Luminol-Verbindung aus, um die Substrat-Dissoziation zu verhindern und damit die Polymer¬synthese zu induzieren. Hingegen dazu ergaben die Simulationen eine sehr dynamische und fluktuierende Seitenkette für N126Y-1, was vermutlich zur Destabilisierung initialer Wechselwirkungen zwischen Substrat und der Protein¬oberfläche führte und dadurch die Freisetzung und Akkumulation kurzer Oligo-saccharide begünstigte.
Durch die bioorthogonale chemische Einführung einer artifiziellen Seitenkette war es schließlich möglich, das Produktspektrum der Bm Levansucrase sowohl in Richtung Polymersynthese als auch in Richtung kurzer Oligosaccharide zu lenken. Unter Verwendung der Tyrosin-spezifischen En-Reaktion wurden dafür gezielt native und nicht-native Tyrosin-Reste selektiv modifiziert und in einer Folge¬reaktion mittels Click-Chemie zusätzlich derivatisiert. Die Auswirkungen der Modifikations-Reaktionen auf den Elongationsmechanismus des Substrats konnten durch MD-Simulationen aufgeklärt werden. Das Ziel, die Produktspezifität der Levansucrase rational zu beeinflussen und in eine gezielte Richtung zu steuern, wurde damit erfolgreich umgesetzt.
Ein weiterer Fokus dieser Arbeit lag darin, eine effiziente und einfache Methode zur Reinigung eines Fructan-Gemisches zu entwickeln, um damit den Zugang zu Oligo-sacchariden definierter Größen zu vereinfachen. Die Verfügbarkeit bestimmter Oligosaccharide in ausreichender Menge und Reinheit würde die Untersuchung von Fructanen auf ihre präbiotischen Eigenschaften erleichtern und zum Verständnis der Korrelation zwischen dem Darmmikrobiom und verschiedenen Krankheits¬bildern beitragen.[125] Mit Hilfe der Levansucrase-Variante K373L wurde ein Fructan-Gemisch synthetisiert, das im Vergleich zum Produkt¬profil des Wildtyps einen höheren Anteil kurzkettiger Oligosaccharide aufwies. In einem dreistufigen Reinigungsprozess wurde das Produktgemisch im ersten Schritt von den Monosacchariden Glucose und Fructose sowohl fermentativ durch den Hefe¬stamm H. polymorpha als auch chromatographisch per Silicagel separiert. Anschließend erfolgte eine grobe Trennung der Oligosaccharide nach dem Größen¬ausschlussprinzip mit einer Bio-Gel®P2-Säule. Im letzten Schritt wurde die Oligosaccharidfraktion, die hauptsächlich Tri- und Tetrasaccharide enthielt, schließlich mittels Umkehrphasen-Säulenchromatographie (RP18-HPLC) in die gewünschten Produkte aufgetrennt. Auf diese Weise gelang es, die Oligosaccharide 1 Kestose (28 %), 6 Kestose (56 %) und 6 Nystose (20 %) in hoher Reinheit (> 95 %) und moderaten Ausbeuten zu isolieren (Übersicht 2).
Der letzte Teil dieser Arbeit sollte die verschiedenen Disziplinen der Biokatalyse, chemischen Protein-Modifikation und Click-Reaktion mit einer neuen Kompontente, der Photokatalyse, verbinden und in einem innovativen Konzept die Grundlage für die Kombination dieser Forschungsbereiche schaffen. In diesem Kontext wurde einerseits eine lineare photo-biokatalysierte Kaskaden-Reaktion entworfen und vorbereitet, während andererseits die Synthese eines clickbaren Photokatalysators durchgeführt wurde (Übersicht 3). Für den enzymatischen Teil der Kaskaden-Reaktion wurden die Halogenasen RebH und RadH mit den zugehörigen Regenerationssystemen Fre und GDH erfolgreich in E. coli exprimiert, gereinigt und deren Aktivität nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein aktiver Alkin-funktionalisierter Photokatalysator synthetisiert, dessen Aktivität auch nach der Click-Reaktion mit einer Aminosäure und einem Peptid erhalten blieb. Damit wurden die Grundlagen geschaffen, um z. B. photoaktive Bausteine in ein Enzym einzubringen und somit neue lichtabhängige Reaktionszentren oder sogenannte Designer-Enzyme zu erzeugen.
Expansion microscopy (ExM) enables super-resolution imaging of proteins and nucleic acids on conventional microscopes. However, imaging of details of the organization of lipid bilayers by light microscopy remains challenging. We introduce an unnatural short-chain azide- and amino-modified sphingolipid ceramide, which upon incorporation into membranes can be labeled by click chemistry and linked into hydrogels, followed by 4x to 10x expansion. Confocal and structured illumination microscopy (SIM) enable imaging of sphingolipids and their interactions with proteins in the plasma membrane and membrane of intracellular organelles with a spatial resolution of 10-20nm. As our functionalized sphingolipids accumulate efficiently in pathogens, we use sphingolipid ExM to investigate bacterial infections of human HeLa229 cells by Neisseria gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis and Simkania negevensis with a resolution so far only provided by electron microscopy. In particular, sphingolipid ExM allows us to visualize the inner and outer membrane of intracellular bacteria and determine their distance to 27.6 +/- 7.7nm. Imaging of lipid bilayers using light microscopy is challenging. Here the authors label cells using a short chain click-compatible ceramide to visualize mammalian and bacterial membranes with expansion microscopy.
A new perylene bisimide (PBI), with a fluorescence quantum yield up to unity, self‐assembles into two polymorphic supramolecular polymers. This PBI bears four solubilizing acyloxy substituents at the bay positions and is unsubstituted at the imide position, thereby allowing hydrogen‐bond‐directed self‐assembly in nonpolar solvents. The formation of the polymorphs is controlled by the cooling rate of hot monomer solutions. They show distinctive absorption profiles and morphologies and can be isolated in different polymorphic liquid‐crystalline states. The interchromophoric arrangement causing the spectral features was elucidated, revealing the formation of columnar and lamellar phases, which are formed by either homo‐ or heterochiral self‐assembly, respectively, of the atropoenantiomeric PBIs. Kinetic studies reveal a narcissistic self‐sorting process upon fast cooling, and that the transformation into the heterochiral (racemic) sheetlike self‐assemblies proceeds by dissociation via the monomeric state.
Alzheimer′s disease (AD) is a neurological disorder with still no preventive or curative treatment. Flavonoids are phytochemicals with potential therapeutic value. Previous studies described the flavanone sterubin isolated from the Californian plant Eriodictyon californicum as a potent neuroprotectant in several in vitro assays. Herein, the resolution of synthetic racemic sterubin (1) into its two enantiomers, (R)‐1 and (S)‐1, is described, which has been performed on a chiral chromatographic phase, and their stereochemical assignment online by HPLC‐ECD coupling. (R)‐1 and (S)‐1 showed comparable neuroprotection in vitro with no significant differences. While the pure stereoisomers were configurationally stable in methanol, fast racemization was observed in the presence of culture medium. We also established the occurrence of extracted sterubin as its pure (S)‐enantiomer. Moreover, the activity of sterubin (1) was investigated for the first time in vivo, in an AD mouse model. Sterubin (1) showed a significant positive impact on short‐ and long‐term memory at low dosages.
In this work the catalytic activity of nanodiamond particles with different dopants and surface terminations and of diamond nanomaterials funtionalized with ruthenium-based photocatalysts was investigated, illustrating materials application in photoredox chemistry and the photo(electro)catalytic reduction of CO2. Regarding the application of diamond nanomaterials in photocatalysis, methods to fabricate and characterize several (un)doped nanoparticles with different surface termination were successfully developed. Various photocatalysts, attached to nanodiamond particles via linker systems, were tested in photoredox catalysis and the photo(electro)catalytic reduction of CO2.
The initial goal was the conversion of Bifidobacterium adolescentis Sucrose Phosphorylase (BaSP) into a polyphenol glucosidase by structure based enzyme engineering. BaSP was chosen because of its ability to utilize sucrose, an economically viable and sustainable donor substrate, and transfer the glucosyl moiety to various acceptor substrates. The introduction of aromatic residues into the active site was considered a viable way to render it more suitable for aromatic acceptor compounds by reducing its polarity and potentially introducing π-π-interactions with the polyphenols. An investigation of the active site revealed Gln345 as a suitable mutagenesis target. As a proof of concept BaSP Q345F was employed in the glycosylation of (+)-catechin, (-)-epicatechin and resveratrol. The variant was selective for the aromatic acceptor substrates and the glucose disaccharide side reaction was only observed after almost quantitative conversion of the aromatic substrates. A crystal structure of BaSP Q345F in complex with glucose was obtained and it displayed an unexpected shift of an entire domain by 3.3 Å. A crystal structure of BaSP D192N-Q345F, an inactive variant in complex with resveratrol-3-α-D-glucosid, the glucosylation product of resveratrol, synthesized by BaSP Q345F was solved. It proved that the domain shift is in fact responsible for the ability of the variant to glycosylate aromatic compounds. Simultaneously a ligand free crystal structure of BaSP Q345F disproved an induced fit effect as the cause of the domain shift. The missing link, a crystal structure of BaSP Q345F in the F-conformation is obtained. This does not feature the domain shift, but is in outstanding agreement with the wildtype structure. The domain shift is therefore not static but rather a step in a dynamic process. It is further conceivable that the domain shifted conformation of BaSP Q345F resembles the open conformation of the wild type and that an adjustment of a conformational equilibrium as a result of the Q345F point mutation is observed. An investigation into the background reaction, the formation of glucose-glucose disaccharides of BaSP Q345F and three further variants that addressed the same region (L341C, D316C-L341C and D316C-N340C) revealed the formation of nigerose by BaSP Q345F.