LMU-chemici hebben een spiraalvormig molecuul ontworpen en gesynthetiseerd dat specifiek een disaccharide herkent en bindt dat bestaat uit twee suikereenheden met vijf koolstofatomen.

LMU-chemicus professor Ivan Huc, die aan het hoofd staat van een onderzoeksgroep die zich toelegt op de studie van biomimetische supramoleculaire chemie, heeft een moleculaire structuur ontworpen en gesynthetiseerd met een spiraalvormige bindingszak die op maat is gemaakt voor de herkenning en opvang van xylobiose, een lid van de disacharideklasse van koolhydraten waartoe ook suiker (sucrose) behoort. De synthese en karakterisering van het molecuul worden beschreven in het nieuwe nummer van Angewandte Chemie . De redactie heeft het werk beoordeeld als een "zeer belangrijk papier, " een onderscheid dat wordt toegekend aan minder dan 5% van alle rapporten die in het tijdschrift worden gepubliceerd.

Huc's onderzoek wordt treffend gekenmerkt door de term 'biomimetisch'. Voor de synthese van chemicaliën met gespecialiseerde bindende eigenschappen zoekt hij inspiratie in de principes die ten grondslag liggen aan de organisatie van biopolymeren. Biopolymeren, zoals eiwitten, nucleïnezuren en polysachariden, bevatten meestal verschillende soorten subeenheden, waarvan de volgorde en ruimtelijke dispositie hun structurele en functionele kenmerken bepalen. Huc's creaties - die hij foldamers noemt - zijn op dezelfde manier gebaseerd op een kleine reeks synthetische subeenheden, die gemakkelijk kunnen worden aangepast voor specifieke doeleinden. De subeenheden bestaan ​​grotendeels uit stijve en vlakke aromatische ringen, en zijn geassembleerd, eerder zoals Legoblokjes, in lineaire polymeren waarvan de spiraalvorm doet denken aan die van de helices die in DNA en eiwitten worden gevonden. Het doel van de nieuwe studie, die werd uitgevoerd in samenwerking met collega's van de universiteit van Bordeaux (waar Huc was gevestigd voordat hij in 2017 naar LMU verhuisde), was om deze benadering te gebruiken om een ​​foldameer te ontwerpen dat in staat is tot selectieve saccharidebinding in organische oplosmiddelen.

De suikerbindende eigenschappen van het resulterende foldameer, die bestaat uit 18 subeenheden van zeven verschillende typen, werden getest door incubatie met verschillende disachariden, en het molecuul bleek alleen detecteerbaar te binden aan xylobiose. Analyse van de kristalstructuur van het complex bevestigde dat het spiraalvormige foldameer het disaccharide volledig inkapselt in zijn interne holte. Bovendien, de gebonden disaccharide neemt een ongebruikelijke conformatie aan met zijn hydroxylen in de axiale positie, zodanig dat de twee suikerringen boven elkaar worden gestapeld.

Binding is te wijten aan de vorming van een netwerk van waterstofbindingen tussen de suikers en functionele groepen die uitsteken uit de binnenwand van helixvormige foldameer. Inderdaad, verschillende van deze bindingen worden gemedieerd door watermoleculen in de holte zelf. Dit weerspiegelt het feit dat de receptor met opzet is ontworpen om meer dan genoeg ruimte te bieden voor zijn gastmolecuul. En het getuigt van de precisie waarmee Huc's concept van moleculair ontwerp "vanaf de eerste principes" in de praktijk kan worden geïmplementeerd.

"We zijn erin geslaagd een selectieve receptor te construeren alleen met de kennis van de basisprincipes die de vouw- en moleculaire herkenningseigenschappen van deze verbindingen beheersen, ", zegt Ivan Huc. De volgende stappen omvatten het uitbreiden van de herkenning van sacchariden naar een waterig medium, en om dergelijke spiraalvormige receptoren om te zetten in sensoren, bijvoorbeeld met behulp van fluorescentie, voor saccharide kwantificering en beeldvorming in levende systemen.