SFB 765:  Multivalency as Chemical Organisation and Action Principle: New Architectures, Functions and Applications

• Subject Area: Chemistry ; Biology ; Mathematics ; Medicine ; Physics
• Term: from 2008 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 32049920

Multivalenz ist ein Schlüsselprinzip in der Natur zum Aufbau starker, zugleich aber auch reversibler chemischer Wechselwirkungen zwischen zwei Einheiten, z.B. Rezeptoren und Liganden, Viren und Zellen oder zwischen zwei Zelloberflächen. Multivalente Bindungen basieren auf mehreren simultanen molekularen Erkennungsprozessen und spielen beispielsweise in der Selbstorganisation von Materie, in der Katalyse, und auch bei biologischen Erkennungsprozessen sowie der Signaltransduktion in biologischen Systemen eine entscheidende Rolle. Mit einem fachübergreifenden Forschungsansatz werden im SFB 765 wichtige Fragestellungen zum Thema „Multivalenz“ in der lebens- und materialwissenschaftlich orientierten Forschung bearbeitet. Die gezielte Entwicklung multivalenter Moleküle wird nicht nur zur Hemmung von Entzündungen und Prävention viraler Infektionen genutzt, sondern ermöglicht auch die gezielte Herstellung funktionaler Molekülarchitekturen und Oberflächen-strukturen sowie die kontrollierte Steuerung von Protein¬Ligandinteraktionen. Die chemischen und biologischen Mechanismen und der Einfluss verschieden dimensionierter Gerüstarchitekturen mit einstellbarer Flexibilität, die diesen multivalenten Wechsel¬wirkungen zugrunde liegen, sind bisher nur ansatzweise erforscht worden. In den ersten beiden Förderperioden konnten richtungsweisende Erfolge erzielt werden. So gelang die experimentelle und theoretische Unter¬suchung ausgewählter oligovalenter Bindungssysteme in der Gasphase, in Lösung und an Oberflächen. Die Forschungsarbeiten zeigten auch die Bedeutung von Größe, Form und Flexibilität der Gerüstarchitektur, insbesondere für die flächige Wechselwirkung mit biologischen Systemen. Veranschaulicht wird der Erfolg unter anderem durch die Entwicklung starker multivalenter Inhibitoren mit entzündungshemmender bzw. antiviraler Aktivität.Das tiefergehende Verständnis multivalenter Wechselwirkungen auf allen Längenskalen vom Nano- bis in den Mikrometerbereich ist für die Beantwortung zentraler Fragestellungen und Neuentwick¬lungen im Bereich der Bio- und Materialwissenschaften auch weiterhin von entscheidender Bedeutung. Zur Bewältigung dieser hochkomplexen und langfristigen Aufgabe ist das interdisziplinäre Zusammenwirken von Naturwissenschaftlern mit unterschiedlicher Expertise von der (Bio)Chemie bis hin zur Theoretischen Biophysik notwendig. Durch die Berufungen der letzten Jahre wurden die Bereiche der Organischen und Pharmazeutischen Chemie sowie der Theoretischen Biophysik/Chemie gezielt verstärkt. Der besondere Charme des SFB 765 ist das wohl einmalige Zusammenspiel von chemischer, biophysikalischer und theoretischer Expertise zur Beantwortung biologisch inspirierter Fragestellungen. Nicht nur für die Multivalenz, sondern auch für den SFB 765 gilt weiterhin, dass kooperative Effekte zu einem überproportionalen Gewinn führen. Hieraus entwickelt sich eine neue Qualität des Verständnisses von Multivalenz und stellt dieses auf eine präzise theoretische Grundlage, um damit auch medizinische Fragestellungen, wie z.B. chronische Entzündungen und Pathogen-Infektionen in Zukunft gezielter adressieren zu können. Mit diesen langfristigen und außerordentlich interessanten Forschungsperspektiven will der SFB 765 seine Pionierfunktion in Deutschland wie auch international in der dritten Förderperiode weiter ausbauen.

• DFG Programme: Collaborative Research Centres

Completed projects

• A01 - Multivalency as structure-defining principle for the generation of functional supramolecules (Project Head Schalley, Christoph A. )
• A02 - Multivalent pyridine derivatives (Project Head Reißig, Hans-Ulrich )
• A03 - External control of multivalent interactions (Project Head Hecht, Stefan )
• A04 - Adjusting the multivalent interaction of organic-inorganic hybrid nanoparticles with high relative interaction surfaces (Project Heads Graf, Christina ;  Schlecht, Sabine )
• A05 - Peptide models for generation and control of multivalent interactions (Project Heads Koksch, Beate ;  Schlecht, Sabine )
• A06 - Syntheses of biofunctional scaffold architectures for multivalent interactions (Project Head Haag, Rainer )
• B01 - Nucleic acid-ligand conjugates - Precision tools for high affinitry and high specificity interactions in Chemistry and Biology (Project Head Seitz, Oliver )
• B03 - Syntheses, structures, and properties of new carbohydrate mimetics (Project Head Reißig, Hans-Ulrich )
• B04 - Multivalent modulation of clathrin-mediated endocytosis (Project Head Haucke, Ph.D., Volker )
• B05 - Functional peptide- and protein conjugates for multivalent targeting in vitro and in vivo (Project Heads Budisa, Nediljko ;  Hackenberger, Christian )
• B06 - Synthesis of spacer-bridged, bivalent estrogen analogs and study of their DNA modulation (Project Heads Gust, Ronald ;  Haag, Rainer )
• B07 - Interaction of adjustable ligand-conjugates with biological systems (Project Heads Dernedde, Jens ;  Tauber, Rudolf )
• B08 - Syntheses of complex glycoligands and characterization of multivalent C-type lectinreceptor/carbohydrate-interactions (Project Heads Lepenies, Bernd ;  Seeberger, Peter H. )
• B09 - Multivalent ligands for adaptive intracellular protein receptors (Project Head Rademann, Jörg )
• B10 - Multivalency and geometric organization of binding sites as mechanism for the cellular entry by viruses (Project Head Ewers, Helge )
• C01 - Modeling and simulation of multivalent ligand binding (Project Head Knapp, Ernst-Walter )
• C02 - No-equilibrium kinetics of multivalent binding processes (Project Head Weber, Marcus )
• C03 - Binding forces in quasi one- and two- dimensional geometries (Project Head Rabe, Jürgen P. )
• C04 - Multivalent interactions of WW and SH2 domains containing proteins (Project Heads Freund, Christian ;  Oschkinat, Hartmut )
• C05 - Control of multivalent interactions by radiation pulses and multivalent binding of biological model systems to nanoparticles (Project Head Rühl, Eckart )
• C06 - Characterization and optimization of multivalent ligand interactions with viral glycoptoteins (Project Heads Böttcher, Christoph ;  Herrmann, Andreas ;  Wolff, Thorsten )
• C07 - Ab initio calculations of electronic effects in multivalent interactions (Project Head Paulus, Beate )
• C09 - Simulationen und Multiskalenmodellierung von multivalenten Zucker-Protein-Wechselwirkungen (Project Head Netz, Roland )
• C10 - Structural determinants of multivalent binding dynamics (Project Head Keller, Bettina )
• MGK - Multivalency in Chemistry and Biochemistry (Project Heads Hackenberger, Christian ;  Paulus, Beate )
• T01 - Preclinical evaluation of dPGS and generation of a medical grade batch (Project Heads Dernedde, Jens ;  Haag, Rainer )
• Z01 - SFB administration (Project Head Haag, Rainer )
• Z02 - Core service facilities for the SFB 765: NMR spectroscopy, surface plasmon resonance, quartz crystal microbalance, calorimetry, and mass spectrometry (Project Heads Dernedde, Jens ;  Freund, Christian ;  Haag, Rainer ;  Risse, Thomas ;  Schalley, Christoph A. )

• Applicant Institution: Freie Universität Berlin
• Participating University: Humboldt-Universität zu Berlin; Technische Universität Berlin
• Participating Institution: Charité - Universitätsmedizin Berlin; Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP); im Forschungsverbund Berlin e.V.; Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung; Wissenschaftspark Potsdam-Golm; Robert Koch-Institut (RKI); Zuse-Institut Berlin (ZIB)
• Spokesperson: Professor Dr. Rainer Haag