SFB 749:  Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Biologie ; Physik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 27112786

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Chemische Reaktionen sind Prozesse, bei denen sich Stoffe in andere Stoffe umwandeln. Solche Stoffumwandlungsreaktionen sind die Grundlage des Lebens auf der Erde. Sie dienen aber auch in der chemischen Industrie zur Herstellung ganz neuer Materialien, die auf der Erde so nicht vorkommen. Beispiele hierfür sind die vielen Kunststoffe, ohne die unsere moderne Zivilisation nicht mehr denkbar wäre. Farbstoffe und Arzneimittel sind weitere Substanzen, die in der Regel in der Natur nicht gefunden werden und von Chemikern durch Stoffumwandlungsprozesse hergestellt werden. Bei der Stoffumwandlung werden chemische Bindungen gebrochen und neue Bindungen werden geknüpft. Die Details dieser Umformungsreaktionen auf kurzen Zeitskalen waren vor 15 Jahren, vor Beginn des SFBs, in wesentlichen Teilen unverstanden. Bekannt war nur, dass viele Reaktionen sehr schnell verlaufen. Mit Hilfe der neuen Femtosekundenspektroskopie, die zu Beginn des Sonderforschungsbereiches gerade entwickelt worden war, gelang es Chemikern damals ultraschnelle Elementarprozesse zeitlich zu verfolgen. Diese neuen Methoden erlaubten es in den letzten 15 Jahren im SFB, völlig neuartige Einblicke zu gewinnen, wie Moleküle miteinander reagieren und wie sich exakt die Bindungsknüpfungen und Bindungslösungen auf der zeitlichen Schiene entwickeln. Ein erstes zentrales Thema des SFB war die Frage, wie Licht an solchen Transformationsprozessen teilnimmt, bzw. diese beeinflusst. So war bekannt, dass in der DNA eines jeden Organismus, der sich dem UV-Licht aussetzt, spezielle DNA-Schäden entstehen. Diese Schäden sind für Mutageneseprozesse in Hautzellen entscheidend und sie führen so in letzter Konsequenz zur Bildung des Hautkrebses. Interessanter Weise werden die Schäden durch UV-Licht nicht nur gebildet, sondern Licht wird von der Natur auch verwendet, um solche Schäden zu reparieren. Das Enzym, die DNA-Photolyase, erkennt die Schäden und mit Hilfe langwelliger Lichtwellen (blaues Licht) kann anschließend die DNA-Läsion beseitigt werden. Im Bereich der lichtabhängigen Reaktionen hat sich der SFB zunächst die Bildung und Reparatur von UV-Schäden als Beispiel genommen, um mit Hilfe der Femtosekundenspektroskopie die Mechanismen der Bindungsbildung und der reparierenden Bindungsbrüche aufzuklären. Es gelang in bahnbrechenden Arbeiten, die Reaktionsmechanismen auf der zeitlichen Skala aufzulösen. Anschließend wurden Reparaturproteine im SFB zugänglich gemacht und es gelang uns, Kristallstrukturen der Komplexe aus Proteinen mit DNA-Schäden anzufertigen. Fundamental wichtige Elektronentransferprozesse über Kofaktoren und Aminosäureseitenketten wurden in den Proteinen entdeckt und durch theoretische Betrachtungen anschließend simuliert. Die Forschung im Bereich „Licht und Chemie“ wurde dann im Verlauf des SFB 749 systematisch weiter aufgebaut durch die Berufung von Prof. Trauner. Das kulminierte in der Entwicklung licht-steuerbarer Schalter von biomolekularen Prozessen und nachfolgend sogar in der Entwicklung lichtgetriebener molekularer Motoren. Auch im Bereich der metallorganischen Chemie, welche zur Entwicklung neuer Substanzen eingesetzt wird, wurden mit Hilfe neuer zeitauflösender Betrachtungen neue mechanistische Einblicke, vor allen Dingen in die Reaktionsweise Magnesium- und Zink-organischer Verbindungen, gewonnen. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse gelang es, ganz neue Reagenzien (Turbo-Grignard) zu entwickeln, mit denen heute die Funktionalisierung heterozyklischer Verbindungen hochselektiv und mit niedrigstem Energieeinsatz möglich ist. Neue, effizientere Reagenzien und Katalysatoren wurden entwickelt, mit denen pro Stoffumsatz sehr viel Energie eingespart werden kann. Im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Selektivitätsregeln im SFB gelang es uns, nachfolgend sogar Selektivitäten ambidenter Nukleophile, d. h. von Teilchen, die an zwei unterschiedlichen Stellen reagieren können, mechanistisch detailliert aufzuklären. Ein wesentliches Ergebnis des Sonderforschungsbereiches ist es, dass das Konzept der harten und weichen Nukleophile zur Erklärung ambidenter Reaktivitätaufgegeben werden muss. Es kann ersetzt werden durch ein Konzept, welches kinetische und thermodynamische Kontrolle von Reaktionen und die Rolle Marcus-intrinsischer Barrieren in den Vordergrund stellt. In diesem Bereich des Sonderforschungsbereichs wurde die Vorhersagbarkeit von Reaktivitäten ganz wesentlich verbessert, was Chemikern Zeit spart sowie den Energieaufwand bei Herstellungsprozessen verringert. Weiterhin wird durch die Steigerung der Effizienz die Menge an Abfällen reduziert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Nature 2007, 450, 705. “Visualizing single molecule diffusion in mesoporous materials“
  Zürner A., Kirstein J., Döblinger M., Bräuchle C., Bein T.
  
• Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104 (40), 15729-15734. “Light triggered β-hairpin folding and unfolding”
  T. E. Schrader, W. J. Schreier, T. Cordes, F. O. Koller, G. Babitzki, R. Denschlag, C. Renner, S.-L. Dong, M. Löweneck, L. Moroder, P. Tavan, and W. Zinth
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 10076-10080. “Crystal Structure and Mechanism of a DNA (6-4) Photolyase”
  M. J. Maul, T. R. M. Barends, A. F. Glas, M. J. Cryle, T. Domratcheva, S. Schneider, I. Schlichting, T. Carell
  
• PNAS 2009, 106 (28),11548-11553. “The archaeal cofactor F0 is a light-harvesting antenna chromophore in eukaryotes”
  Glas, A. F., Maul, M. J., Cryle, M. J., Barends, T. R. M., Schneider, S., Kaya, E., Schlichting, I., Carell, T.
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4734-4737. "A Programmable DNA-Based Molecular Valve for Colloidal Mesoporous Silica"
  A. Schlossbauer, S. Warncke, P. E. Gramlich, J. Kecht, A. Manetto, T. Carell, T. Bein
  
• Chem. Phys. Lett. 2010, 498, 230-234. “First-principles study of photoinduced electron-transfer dynamics in a Mg-porphyrin-quinone complex”
  R. Borrelli and W. Domcke
  
• J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6032-6040. “Oxidation State, Aggregation, and Heterolytic Dissociation of Allyl Indium Reagents”
  K. Koszinowski
  
• J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6964-6972. “Showdomycin as a versatile chemical tool for the detection of pathogenesis associated enzymes in bacteria”
  Böttcher, T.; Sieber, S. A.
  
• Nature Nanotechnology 2010, 5, 271-274. “Visualization of the Self Assembly of Silica Nanochannels reveals growth mechanism”
  C. Jung, P. Schwaderer, M. Dethlefsen, R. Köhn, J. Michaelis and C. Bräuchle
  
• Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107 (11), 4955-4960. “An unlocking/relocking barrier in conformational fluctuations of villin headpiece subdomain”
  Reiner, A., Henklein, P. & Kiefhaber, T.
  
• J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 6484. “Liquid-Phase Calcination of Colloidal Mesoporous Silica Nanoparticles in High-Boiling Solvents”
  V. Cauda, C. Argyo, D. G. Piercey, T. Bein
  
• Angew. Chem. 2012, 124, 10064-10068; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 9926-9930. “InCl3-katalysierte Synthese von 1,2-dimetallierten Verbindungen durch direkte Insertion von Aluminium- oder Zinkpulver“, “InCl3-Catalyzed Synthesis of 1,2-Dimetallic Compounds by Direct Insertion of Aluminum or Zinc Powder“
  T. D. Blümke, T. Klatt, K. Koszinowski, P. Knochel
  
• Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 12905-12910. “Testing the diffusing boundary model for the helix–coil transition in peptides”
  Neumaier, S., Reiner, A., Büttner, M., Fierz, B. & Kiefhaber, T.
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 591-594. “Photostability of 4,4'-Dihydroxythioindigo a mimetic of indigo”
  M. Dittmann, F. F. Graupner, B. März, S. Oesterling, R. de Vivie-Riedle, W. Zinth, M. Engelhard, and W. Lüttke
  
• J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13902–13911. “Free Energy Relationships for Reactions of Substituted Benzhydrylium Ions: From Enthalpy- over Entropy- to Diffusion-Control”
  J. Ammer, C. Nolte, H. Mayr
  
• Nat. Chem. Biol. 2014, 10, 574-581. “Tet oxidizes thymine to 5-hydroxymethyluracil in mouse embryonic stem cell DNA”
  T. Pfaffeneder, et. al.
  
• PNAS 2014,111 (12), 4369-437. “Charge separation and charge delocalization identified in long-living states of photoexcited DNA”
  D. B. Bucher, B. M. Pilles, T. Carell, W. Zinth
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2754-2757. “Stereoselective Synthesis and Reactions of Secondary Alkyllithium Reagents Functionalized at the 3‐Position”
  K. Moriya, D. Didier, M. Simon, J. M. Hammann, G. Berionni, K. Karaghiosoff, H. Zipse, H. Mayr, P. Knochel
  
• J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 9824, “Unraveling the base excision repair mechanism of human DNA glycosylase”
  K. Sadeghian, C. Ochsenfeld
  
• Nature Chemistry 2015, 7, 879-882. “An Eight-Step Synthesis of Epicolactone Reveals its Biosynthetic Origin”
  Ellerbrock, P.; Armanino, N.; Ilg. M. K.; Webster, R.; Trauner, D.
  
• Acc. Chem. Res. 2016, 49, 952–965, doi: 10.1021/acs.accounts.6b00071. “Philicities, Fugalities, and Equilibrium Constants“
  H. Mayr, A. R. Ofial
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 14, 14852-14857. “Natural product inspired amino-epoxybenzoquinones kill members of the gram-negative pathogen Salmonella by attenuating cellular stress response”
  Mandl, F.A., Kirsch, V.C., Ugur, I., Kunold, E., Vomacka, J., Fetzer, C., Schneider, S., Richter, K., Fuchs, T.M., Antes, I., Sieber, S. A.
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9763–9767. “Rapid Access to Orthogonally Functionalized Naphthalenes: Application to the Total Synthesis of the Anticancer Agent Chartarin”
  T. A. Unzner, A. Grossmann, T. Magauer
  
• Scientific Rep. 2017, 7, 41324/1-11. “Both DNA global deformation and repair enzyme contacts mediate flipping of thymine dimer damage”
  A. Knips, M. Zacharias
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 10748-10751. “Sodiation of Arenes and Heteroarenes in Continuous Flow”
  Weidmann, N., Ketels, M., Knochel, P.
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 6701-6704. “Generation of Aryl and Heteroaryl Magnesium Reagents in Toluene by Br/Mg or Cl/Mg Exchange”
  Ziegler, D. S., Karaghiosoff, K., Knochel, P.
  
• J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 11474–11486. “Kinetics of Electrophilic Fluorinations of Enamines and Carbanions: Comparison of the Fluorinating Power of N-F Reagents“
  D. S. Timofeeva, A. R. Ofial, H. Mayr
  
• J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5311-5318. “Complete Mechanism of Hemithioindigo Motor Rotation”
  Wilcken, R., Schildhauer, M., Rott, F., Huber, L. A., Guentner, M., Thumser, S., Hoffmann, K., Oesterling, S., de Vivie-Riedle, R., Riedle, E., Dube, H.
  
• J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5311-5318. “Complete Mechanism of Hemithioindigo Motor Rotation”
  R. Wilcken, M. Schildhauer, F. Rott, L. A. Huber, M. Guentner, S. Thumser, K. Hoffmann, S. Oesterling, R. de Vivie-Riedle, E. Riedle, and H. Dube
  
• J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 8714-8720. “RNA Environment is Responsible for Decreased Photostability of Uracil”
  S. Reiter, D. Keefer, and R. de Vivie-Riedle
  
• Nat. Chem. Biol. 2018, 14, 72–78. “5-Formylcytosine to cytosine conversion by C-C bond cleavage in vivo”
  K. Iwan, R. Rahimoff, A. Kirchner, F. Spada, A.S. Schröder, O. Kosmatchev, S. Ferizaj, J. Steinbacher, E. Parsa, M. Müller, T. Carell
  
• Nat. Commun. 2018, 9 (1168), 1-8. “Catalytic Mechanism and Molecular Engineering of Quinolone Biosynthesis in Dioxygenase AsqJ”
  Mader S. L., Bräuer A., Groll M. and Kaila V. R.
  
• Nat. Commun. 2018, 9, 2510. “Direct evidence for hula twist and single-bond rotation photoproducts”
  Gerwien, A., Schildhauer, M., Thumser, S., Mayer, P. Dube, H.
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5758-5762. “Assessment of a large enzyme-drug complex by proton-detected solid-state NMR without deuteration“
  S. K. Vasa, H. Singh, K. Grohe, R. Linser
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5967-5972. “Atomic resolution insight on Sac7d protein binding to DNA and associated global changes by Molecular Dynamics Simulations”
  M. Zacharias
  
• Nature Chem. Biol. 2019, 15, 623-631. “Optical Control of Sphingosine-1-Phosphate Formation and Function”
  Morstein, J.; Hill, R. Z.; Novak, A. J. E.; Feng, S.; Norman, D. D.; Donthamsetti, P. C. M.; Frank, J. A.; Harayama, T.; Williams, B. M.; Parrill, A. L.; Tigyi, G. J.; Riezman, H.; Isacoff, E. Y.; Bautista, D. M.; Trauner, D.