Abstract
Carbohydrates are found in all kinds of living organisms, fulfilling structural functions or playing a role in diverse biological processes. Distinct carbohydrate chains are fundamental for events such as cell adhesion, pathogen-host interaction and numerous cell-signaling processes. Synthetic oligosaccharides are essential in the study of glycan function, and the development of tools for disease prevention, diagnostics and treatment. Difficulties in glycan synthesis arise from the intrinsic complexity of oligosaccharide structures. Oligosaccharide synthesis is a streamlined process, and each step of this process represents a bottleneck that needs to be addressed. Automated Glycan Assembly (AGA) has facilitated access to a wide variety of mammalian, plant, and microorganism glycans. The approach is based on the establishment of an automated platform and compatible orthogonally protected monosaccharide building blocks (BBs, Chapter 1). The aim of this thesis was to develop methods to further expedite carbohydrate synthesis, and to provide access to synthetic glycans for their use in biology and chemistry research. Two projects were conducted to address distinct bottlenecks in glycan synthesis. The first part of this thesis concentrated on expediting the oligosaccharide assembly of Lewis antigens, a family of complex glycans in high demand for biological studies. The focus was set on developing a method that, with a minimum set of orthogonally-protected monosaccharide BBs and by means of AGA, would provide access to an entire family of structurally-related glycans (Chapter 2). Conjugation-ready glycans were produced for ready use in diverse biological investigations. Of special interest within the Lewis family was tumor-associated carbohydrate antigen KH-1, a branched nonasaccharide containing three α-linkages, which was synthesized for its application in the research of cancer therapy. While an increasing number of BBs of common use are commercially available, for some glycans the bottleneck still remains in BBs synthesis. A solution to a persistent limitation in galactosamine (GalN) building block synthesis was developed (Chapter 3). GalN BBs are required for the synthesis of mammalian, fungal and bacterial oligosaccharides. A key step during BB synthesis is the azidophenylselenylation (APS) of 3,4,6-tri-O-acetyl-D-galactal to prepare the corresponding 2-deoxy-2-N-glycoside. Poor reproducibility and the use of azido reagents, that lead to the production of potentially explosive and toxic species, limits this reaction on larger scales in batch. A continuous flow procedure for the safe and scalable APS of galactal was established. Engaging in basic research to establish safe and scalable reactions at the BB synthesis stage will facilitate expanding the AGA scope to other structural families.
Kohlenhydrate kommen in allen Arten von lebenden Organismen vor, erfüllen strukturelle Funktionen oder spielen eine Rolle in diversen biologischen Prozessen. Bestimmte Kohlenhydratketten sind entscheidend für Ereignisse wie Zelladhäsion, Pathogen-Wirt-Interaktion und zahlreiche Zellsignalisierungsvorgänge. Synthetische Oligosaccharide sind unerlässlich für die Erforschung der Funktion von Glykanen und die Entwicklung von Methoden zur Prävention, Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Die Synthese von Glykanen wird vor allem durch die strukturelle Komplexität von Oligosacchariden erschwert. Die Synthese von Oligosacchariden ist ein rationalisierter Prozess, in dem jeder Schritt eine anzugehende Herausforderung darstellt. Die automatisierte Festphasensynthese von Glykanen (Automated Glycan Assembly, AGA) hat den Zugang zu vielen Glykanen von Säugetieren, Pflanzen und Mikroorganismen erleichtert. Der Ansatz basiert auf der Etablierung einer automatisierten Plattform und dazu kompatiblen orthogonal geschützten Monosaccharid-Bausteinen (building blocks, BBs, Kapitel 1). Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Methoden, um die Kohlenhydratsynthese weiter zu beschleunigen und den Zugang zu synthetischen Glykanen für ihren Einsatz in der Forschung im Bereich der Biologie und Chemie zu ermöglichen. Es wurden zwei Projekte durchgeführt, um signifikante Schwierigkeiten in der Glykansynthese anzugehen. Der erste Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Beschleunigung der Herstellung von Oligosacchariden der Lewis-Antigene, einer Familie von komplexen Glykanen, die für biologische Untersuchungen von großem Interesse sind. Im Mittelpunkt stand die Entwicklung eines Verfahrens, das mit einem Minimum an orthogonal geschützten Monosaccharid-BBs und mittels AGA den Zugang zu einer ganzen Familie von strukturell verwandten Glykanen ermöglicht (Kapitel 2). Mittels dieses Verfahrens wurden Glykane hergestellt, die bereit zur Konjugation für den Einsatz in biologischen Untersuchungen sind. Von besonderem Interesse innerhalb der Lewis-Familie war das tumorassoziierte Kohlenhydrat-Antigen KH-1 - ein verzweigtes Nonasaccharid mit drei α-Verknüpfungen, das für die Anwendung in der Krebstherapie-Forschung synthetisiert wurde. Auch wenn zunehmend BBs mit gängiger Verwendung kommerziell erhältlich sind, ist für einige Glykane die BBs-Synthese immer noch eine Herausforderung. Hier wurde ein Lösungsansatz für die bisher eingeschränkte BBs-Synthese von Galaktosamin (GalN) entwickelt (Kapitel 3). GalN-BBs werden für die Synthese von Säugetier-, Pilz- und Bakterienoligosacchariden benötigt. Ein wichtiger Schritt ihrer Synthese ist die Azidophenyl-Selenylierung (APS) von 3,4,6-Tri-O-acetyl-D-galaktal zur Herstellung des entsprechenden 2-desoxy-2-N-Glykosids. Allerdings erlaubt die schlechte Reproduzierbarkeit und der Einsatz von Azidoreagenzien, die zur Produktion von potenziell explosiven und toxischen Spezies führen, keine Vergrößerung des Ansatzes unter Bedingungen der klassischen Kolben-Chemie. Aus diesem Grund wurde ein kontinuierliches Durchflussverfahren für die sichere und skalierbare APS des Galaktals etabliert. Die Grundlagenforschung zur Etablierung sicherer und skalierbarer Reaktionen in der BBs-Synthese wird es zukünftig erleichtern die Möglichkeiten von AGA auf andere Strukturfamilien zu erweitern.
