Visible Light-Induced and Lambda-Orthogonal Photochemical Tools for Bioorganic Chemistry

Bioorthogonale Reaktionen haben sich in den vergangenen 20 Jahren zu einem der wichtigsten biochemischen Werkzeuge zur Visualisierung von Proteinen, Glykanen und Nukleinsäuren in Zellorganismen entwickelt. Neben der Möglichkeit, zelluläre Prozesse sichtbar zu machen, helfen bioorthogonale Reaktionen auch bei der Verbesserung des zielgerichteten Einsatzes von Chemotherapeutika. Viele Krebsmedikamente zielen darauf ab, die DNA-Replikation und damit einhergehend das Wachstum des Tumorgewebes zu hemmen. Dies führt zu einem verstärkten Interesse, neue Markierungsstrategien für die Visualisierung von Nukleinsäuren zu entwickeln, um ihre vielfältigen biologischen Funktionen besser zu verstehen.
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Die vorliegende Doktorarbeit ist in zwei Hauptteile gegliedert. Im ersten Projekt wird eine neuartige licht-induzierte bioorthogonale Markierungsstrategie für Nukleinsäuren entwickelt und in lebenden Zellen angewandt. Dabei wird eine [2+2]-photoreaktive Styrylquinoxalin-Einheit sowohl in das Oligonukleotid als auch in einen Farbstoff eingeführt. Diese Methode ermöglicht eine schonende Markierung von DNA in Wasser, ohne dass eine Aktivierung mit UV-Licht erforderlich ist.
Der zuvor erwähnte zielgerichtete Einsatz von Chemotherapeutika wird weiterhin durch die Entwicklung effektiver Transportmethoden unterstützt, um Frachtmoleküle effizient an ihren Wirkungsort zu bringen. Im zweiten Teil der Doktorarbeit wird ein duales Trägersystem entwickelt und charakterisiert, das die sequenzielle und vollständig wellenlängengesteuerte Freisetzung von Frachtmolekülen ermöglicht. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Freisetzung zweier unterschiedlicher Frachtmoleküle mit milden sichtbaren Wellenlängen in vollständig orthogonaler Weise.

Over the past 20 years, bioorthogonal reactions have become one of the most important biochemical tools for visualising nucleic acids in cell organisms. In addition to the possibility of visualising cellular processes, bioorthogonal reactions are also used for the improvement of the targeting of chemotherapeutics as many anti cancer drugs aim to inhibit the nucleic acid synthesis of cells to suppress the growth of the tumour tissue. As a result, the DNA replication as a prerequisite for an organism to grow is brought into the focus of scientific attention, leading to an increased interest of establishing new labelling strategies for the visualisation of nucleic acids to better understand their diverse biological functions.
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The current PhD thesis is divided into two major parts. The first project focuses on the development and application of a novel light-induced bioorthogonal labelling strategy of DNA in live cells, introducing a [2+2] photoreactive styrylquinoxaline moiety into both the oligonucleotide and Atto655 dye. This methodology offers advanced opportunities for the mild remote labelling of DNA in water while avoiding UV light activation.
The aforementioned improvement of the targeting of chemotherapeutics is further enabled by the development of effective delivery methods to efficiently transport cargo molecules to their place of action. In the second part of the PhD thesis, the wavelength-by-wavelength resolved photoreactivity of two photocaged carboxylic acids in photochemical action plots, employing 7-(diethylamino)-coumarin- and 3-perylene-modified substrates, is investigated. The herein pioneered wavelength-orthogonal release systems open an avenue for releasing two different molecular cargo molecules with mild visible wavelengths in a fully orthogonal fashion.