Bioorthogonale zeitgesteuerte Elimination in Mitochondrien

Unter bioorthogonalen Reaktionen versteht man chemische Umsetzungen, die kontrolliert in biologischen Systemen durchgeführt werden können. Die miteinander reagierenden Stoffe müssen daher nicht nur biokompatibel sein und keinerlei Auswirkungen auf das biologische System haben, sondern unter diesen Bedingungen auch äußerst selektiv und schnell miteinander reagieren. Auf diese Weise können zum Beispiel zwei Verbindungen im Inneren einer lebenden Zelle miteinander verbunden und dadurch markiert werden. In den letzten Jahren ist es zudem möglich geworden, Verbindungen auch bioorthogonal zu spalten, wodurch Substanzen selektiv an bestimmten Orten eines lebenden Systems bzw. eines Organismus freigesetzt werden können. Dies wird zum Beispiel mehr und mehr für die selektive Freisetzung von Wirkstoffen in Krebszellen verwendet. Im Rahmen dieses Projektes sollen derartige Reaktionen zur Spaltung von Bindungen entwickelt und untersucht werden, die eine zeitkontrollierte Freisetzung von Verbindungen im Inneren von Zellen ermöglichen. Dadurch soll es erreicht werden, im Inneren von Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, eine modifizierte Substanz selektiv in die mitochondriale DNA (mtDNA) einzubauen. Diese Substanz kann in weiterer Folge verwendet werden, um die mtDNA sichtbar zu machen und dieses wichtige Biomolekül damit besser untersuchen zu können. Die gezielte Freisetzung im Inneren der Mitochondrien verhindert den Einbau in die DNA im Zellkern, was in normalen Verfahren eine Visualisierung der mtDNA erheblich erschwert.

Im Rahmen dieses Projekts ist es gelungen, das Gebiet der bioorthogonalen Chemie entscheidend weiterzuentwickeln, insbesondere um chemische Spaltungsreaktionen präzise in lebenden Zellen durchführen zu können. Ausgehend von einer neuen Strategie zur effizienten Freisetzung von aromatischen Alkoholen, ausgelöst durch eine Click-Reaktion, konnte die kontrollierte Aktivierung von Wirkstoffvorstufen demonstriert werden. Darüber hinaus wurden neue bioorthogonale Werkzeuge entwickelt, insbesondere eine Reihe von Tetrazinen, die als äußerst wirksame chemische 'Scheren' fungieren. Dadurch konnten frühere Limitierungen bioorthogonaler Spaltungsreaktionen umgangen und somit die click-ausgelöste Freisetzung erheblich beschleunigt werden. Die gesteigerte Reaktivität und Effizienz dieser Tetrazine ermöglichen eine präzisere Kontrolle über chemische Reaktionen in lebenden Zellen und eröffnen neue Wege für die Forschung und zukünftige Anwendungen. Des Weiteren wurden neue Methoden zur Synthese von modifizierten trans-Cyclooctenen entwickelt. Diese click-spaltbaren Linker dienen als vielseitige Werkzeuge für verschiedene bioorthogonale Anwendungen. Neue Ansätze zur Einbindung von Strukturelementen, die nach Aktivierung in einer vorprogrammierten Zeit zerfallen, in bioorthogonal spaltbare Verbindungen ermöglichen die präzise, zeitgesteuerte Freisetzung von Molekülen nach einer click-ausgelösten Bindungsspaltung. Diese Kontrollebene ist für Anwendungen wie die Untersuchung dynamischer Zellprozesse von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus wurde eine gezielte bioorthogonale Click-Freisetzung innerhalb von Mitochondrien erreicht, wodurch die spezifische Aktivierung von Substanzen in diesen zellulären Kraftwerken ermöglicht wurde. Obwohl das Projekt erfolgreich abgeschlossen wurde, bauen laufende Studien unverändert auf den erzielten Resultaten und entwickelten Methoden auf. Derzeit wird der selektive Einbau von modifizierten Substanzen in die mitochondriale DNA (mtDNA) unter Verwendung einer zeitgesteuerten bioorthogonalen Freisetzung untersucht, um die Rolle der mtDNA in zellulären Prozessen weiter erforschen zu können. Zusammenfassend repräsentieren die erzielten Ergebnisse signifikante Fortschritte in der bioorthogonalen Chemie. Die entwickelten chemischen Werkzeuge und molekularen Strategien ermöglichen eine zeitgesteuerte chemische Bindungsspaltung, ausgelöst durch eine Click-Reaktion in lebenden Zellen. Dadurch konnte nicht nur das Repertoire an Techniken zur Untersuchung zellulärer Prozesse erweitert, sondern auch vielseitige Methoden für verschiedene Herausforderungen in den Bereichen der bioorthogonalen Chemie und chemischen Biologie realisiert werden.