Künstliche Metallonucleasen mit Pyrrol- und Pyridinbasierten Ligandensystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für das Design neuer künstlicher DNA-Spalter wurden zwei verschiedene Ligandenplattformen genutzt: Prodigiosin, ein Pyrrolbasiertes Ligandensystem, und Bis(2-picolyl)amin (bpa), ein Pyridinbasiertes Ligandensystem. Deren oxidative bzw. hydrolytische DNA-Spaltaktivität in Anwesenheit von Cu(II) ist literaturbekannt. Die DNA-Spaltung wird im Falle des Prodigiosins auch für seine Cytotoxizität verantwortlich gemacht. Die Modifikation des Prodigiosinsystems geschah durch Einbringen unterschiedlich langer Alkylketten (R = C6H13, C16H33), abweichend von der im natürlich vorkommenden Derivat Undecylprodigiosin (R = C11H23) sowie durch Ersetzen eines Pyrrolrings durch Pyridin mithilfe unterschiedlicher Strategien. An vielen Stellen hat sich die ansonsten meist verwendete Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung zum Verknüpfen der Pyrrolringe als ineffizient erwiesen, sodass auch komplett neue Wege wie der Einsatz von Allenen mit anschließender Cyclisierung erprobt wurden. Aufgrund der Instabilität vieler Intermediate, die die Syntheseroute ursprünglich vorsah, wurde diese letztendlich sehr langwierig, und biologische Untersuchungen konnten hier noch nicht unternommen werden. Es ist aber anzunehmen, dass diese alleine aufgrund der bekannten Eigenschaften des Prodigiosins wie selektive Cytotoxizität gegenüber Krebszellen interessante Ergebnisse liefern werden. Cu(II)-bpa-Komplexe wurden mit unterschiedlichen Alkoholether-Linkern versehen, um deren DNA-Spaltaktivität nach dem hydrolytischen Mechanismus zu optimieren, für den ein Metallgebundenes Wassermolekül aktiviert werden muss. Es konnte ein neues Derivat identifiziert werden, dass zehnmal mehr lineare DNA aus superspiralisierter Plasmid-DNA erzeugen konnte als ein literaturbekanntes mit Ethoxyethanol-Linker. Trotz der planaren Pyridinringe im bpa zeigte die Untersuchung der Wechselwirkung mit CT-DNA im CD-Spektrum, dass die bpa-Cu(II)-Komplexe nicht in die DNA interkalierten, sondern nur über Furchenbindung bzw. elektrostatisch interagierten. Die Kopplung der Östrogene Estron und Estradiol an bpa lieferte unerwartet eindrucksvolle Effekte – und zwar nicht erst in zellulärer Umgebung, wo vorgesehen war, dass die Derivate in Krebszellen mit Östrogenrezeptoren erhöhte Cytotoxizität hervorrufen (in der Tat lagen die IC50-Werte in MCF-7-Zellen unterhalb dessen von Cisplatin). Auch die Spaltung von Plasmid-DNA lief effektiver ab – vermutlich, weil es in Form dieser Derivate im Gegensatz zu den o.g. bpa-Cu(II)-Komplexen doch zur Interkalation kam. Zwar korrelierten DNA-Spaltaktivität und Cytotoxizität, es bleibt jedoch zu klären, ob die erhöhte DNA-Spaltung tatsächlich Ursache für die erhöhte Cytotoxizität ist. Im Rahmen eines Moduls „Öffentlichkeitsarbeit“ konnten wir die bereitgestellten Mittel nutzen, um eine vereinfachte Version des Projekts auch für Schüler anschaulich zu vermitteln. Dieses Angebot stieß auf großes Interesse bei Oberstufenschülern aus Chemie-, aber auch aus Biologie-Kursen von Gymnasien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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DNA und Proteine mit Metallen spalten. GIT Labor-Fachzeitschrift 2013, 57, 448–450
C. Perera, J. Hormann, N. Kulak
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DNA und Proteine schneiden — so geht es mit Metallkomplexen. Nachrichten aus der Chemie 2013, 61, 1003–1006
J. Hormann, C. Perera, N. Kulak
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Copper complexes of N-donor ligands as artificial nucleases. Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 2597–2612
C. Wende, C. Lüdtke, N. Kulak
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Activatable Metallonucleases. In Elsevier Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering (Hrsg.: J. Reedijk), Elsevier, Waltham/MA, 2015
N. F. König, N. Kulak
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Nucleophilic Aromatic Substitution on Pentafluorophenyl-Substituted Dipyrranes and Tetrapyrroles as a Route to Multifunctionalized Chromophores for Potential Application in Photodynamic Therapy. Chem. Eur. J. 2016, 22, 13953–13964
C. S. Gutsche, M. Ortwerth, S. Gräfe, K. J. Flanagan, M. O. Senge, H.-U. Reissig, N. Kulak, A. Wiehe
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Tuning the DNA binding and cleavage of bpa Cu(II) complexes by ether tethers with hydroxyl and methoxy groups. Inorg. Chim. Acta 2016, 452, 159–169 (Sonderheft "Metal-ion nucleic-acid interactions")
A. A. J. Sudarga Tjakraatmadja, C. Lüdtke, N. Kulak
