Synthesis of asymmetric glycoclusters to investigate the nature of carbohydrate recognition

Löw, Jasna ORCID

A modern aspect in the investigation of carbohydrate-protein interactions is the study of the influence of relative carbohydrate orientation on carbohydrate recognition. Apparently, carbohydrate-specific proteins, in particular the lectins, distinguish between different spatial and relative arrangements of specific carbohydrate ligands. Here, tailor-made glycomimetics were prepared to investigate such phenomena. Hence, the focus of this thesis is based on the synthesis of enantiomeric scaffold molecules for the asymmetric assembly of homo- and heterovalent glycoclusters. Two main synthetic approaches were used; asymmetric synthesis and chiral pool synthesis to stereoselectively prepare tri- and tetrafunctional scaffold molecules. The synthesis of a pair of diasteromeric glycoclusters with altered configuration at the central scaffold stereocenter allows the variation of the orientation of the ligated carbohydrate in space. In the first project, SHARPLESS epoxidation of a primary allylic alcohol was employed to access enantiomeric tetrafunctional scaffold molecules. Different analytical validation methods were applied to determine the enantioselectivity of this reaction. However, only one of three potential glycosylation steps was accomplished so far as further optimizations of the glycosylation reactions are still needed. However, with the described synthetic route, a promising entry into the stereoselective synthesis of heterotrivalent diastereomeric glycoclusters has been introduced. The second project of this thesis refers to the synthesis of trifunctional enantiomeric scaffolds from the chiral pool to achieve a focused library of “pseudoenantiomeric” heterobivalent glycoclusters. The enantiomeric amino acids L- and D-serine were used as chiral pool starting materials. Carbohydrate recognition was then investigated in an adhesion-inhibition study with type 1-fimbriated E. coli bacteria and additionally, with the plant lectin concanavalin A. The inhibitory potencies of pseudoenantiomeric glucose- mannose glycoclusters revealed striking differences in FimH-mediated bacterial adhesion. Building on this striking result, glycoarrays were fabricated with spacer-functionalized variations of the same diastereomeric glycoclusters, which were mounted onto N-hydroxysuccinimide-prefunctionalized surfaces. The prepared glycoarrays were then tested in adhesion assays with E. coli bacteria under static and dynamic flow conditions. Here, the results supported the previous finding but especially the testings under flow have to be further validated. In conclusion, the biological tests revealed the importance of carbohydrate orientation on ligand recognition as well as a heterocluster effect. In a final subproject, the chiral pool synthetic approach was applied for the synthesis of isomeric homotrivalent glycoclusters. Trifunctional enantiomeric scaffolds were successfully synthesized in analogy to previous work, however, the following glycosylation steps to achieve homotrivalent mannosides were hampered by anomerization and orthoester formation. In conclusion, pseudoenantiomeric glycoclusters were achieved, thereby introducing a novel type of multivalent glycoarchitecture for the investigation of ligand orientation in carbohydrate orientation. Some of these new molecular tools clearly showed the importance of relative scaffolding on carbohydrate recognition. This opens a door into a new regime of glycobiological studies.

Ein moderner Aspekt bei der Untersuchung von Kohlenhydrat-Protein-Wechselwirkungen ist die Untersuchung des Einflusses der relativen Kohlenhydratorientierung auf die Kohlenhydraterkennung. Offensichtlich unterscheiden kohlenhydratspezifische Proteine, wie Lektine, zwischen unterschiedlichen räumlichen und relativen Anordnungen spezifischer Kohlenhydratliganden. Hierbei wurden maßgeschneiderte Glycocluster hergestellt, um solche Phänomene zu untersuchen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Synthese enantiomerer Scaffoldmoleküle für die asymmetrische Bildung von homo- und heterovalenten Glycoclustern. Mit der asymmetrischen Synthese und der chiralen Poolsynthese wurden zwei Hauptsyntheseansätze verwendet, um tri- und tetra-funktionelle Scaffoldmoleküle stereoselektiv herzustellen. Die Synthese eines Paares diastereomere Glycocluster mit veränderter Konfiguration am zentralen Scaffoldstereozentrum ermöglicht die Variation der Orientierung des ligierten Kohlenhydrats im Raum. Im ersten Projekt wurde die SHARPLESS -Epoxidierung eines primären Allylalkohols eingesetzt, um Zugang zu enantiomeren tetrafunktionellen Scaffoldmolekülen zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt konnte nur eine von drei Glykankomponenten eingebaut werden und eine weitere Glykolisierungsoptimierung ist erforderlich. Mit dem beschriebenen Syntheseweg wurde jedoch ein vielversprechender Einstieg in die stereoselektive Synthese heterotrivalenter diastereomerer Glycocluster eingeführt. Das zweite Projekt dieser Arbeit bezieht sich auf die Synthese trifunktioneller enantiomerer Scaffolds aus dem chiralen Pool von L- und D-Serin Aminosäuren, um eine eine fokussierte Bibliothek von "pseudoenantiomeren" heterobivalenten Glycoclustern zu erhalten. Die Kohlenhydraterkennung wurde durch eine Adhäsionshemmungsstudie mit Typ 1-fimbrierten E. coli bakterien und zusätzlich mit dem Pflanzenlektin Concanavalin A untersucht. Die Hemmpotenzen des pseudoenantiomeren Glucose-Mannose-Glycocluster-Paares zeigten bemerkenswerte Unterschiede bei FimH-vermittelter Bakterienadhäsion. Aufbauend auf diesem Ergebnis wurden Glycoarrays mit Spacer-funktionalisierten Variationen desselben diastereomeren Paares von Glycoclustern hergestellt, die auf mit N-Hydroxysuccinimid vorfunktionalisierten Oberflächen montierten wurden. Die hergestellten Glycoarrays wurden folgend unter statischen und flussdynamischen Bedingungen mittels Adhäsionstests mit E. coli Bakterien untersucht. Hier stützten die Ergebnisse den vorherigen Befund, wobei die Tests unter Durchflussbedingungen weiter validiert werden müssen. Die biologischen Tests zeigen die Wichtigkeit der Kohlenhydratorientierung sowie einen Heteroclustereffekt für die Ligandenerkennung. Im letzten Teilprojekt wurde der Syntheseansatz aus chiralen Pools für die Synthese trifunktionaler enantiomerer Scaffolds angewendet. Die folgenden Glykosylierungsschritte zur Erzielung homotrivalenter Mannoside wurden jedoch durch Anomerisierung und Orthoesterbildung verhindert. Zusammenfassend wurden pseudoenantiomere Glycocluster erzielt, wodurch ein neuartiger Typ einer multivalenten Glycoarchitektur zur Untersuchung der Ligandenorientierung in der Kohlenhydratorientierung eingeführt wurde. Diese neuen molekularen Werkzeuge zeigen deutlich die Bedeutung der relativen Orientirung für die Erkennung von Kohlenhydraten. Dies öffnet neue Regime glykobiologischer Studien.

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Löw, Jasna: Synthesis of asymmetric glycoclusters to investigate the nature of carbohydrate recognition. 2020.

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