Glycol nucleic acids as duplex scaffold for the design of self-assembeld and self-organized architectures

Table of Contents: In dieser Dissertation wurde GNA als ein einfaches Duplexgerüst für die Anordnung verschiedener Chromophoren verwendet und die Eigenschaften der resultierenden Chromophoreinheiten wurden untersucht. Durch automatisierte Festphasensynthese von Oligonukletioden wurden Chromophornukleotide in GNA eingebaut, die Synthese der verschiedenen Chromophorglykolnukleosidbausteinen wurde bereits in Kapitel 2 vorgestellt. Dabei war die regioselektive und stereospezifische Ringöffnungsreaktion von dimethoxytrityliertem (S)-Glycidol (3) entscheidend. Verbindungen 5, 9, 14 und 17 wurden unter Verwendung drei effektiver Methoden synthetisiert: durch Anwendung von Grignard-Reagenzien, Grignard-Reagenzien in Verbindung mit Metallierung/ Transmetallierung und Organolithum-Verbindungen (Schema 8.1 A). Anschließend wurden die Verbindungen 5, 9, 14 und 17 mit hoher Ausbeute zu Glykolnukleosidphosphoramidite umgesetzt, die für die weitere Synthese von modifizierten GNA-Strängen verwendet wurden. In Kapitel 3 wurden GNA Duplexeinheiten mit fluoreszierenden Pyrennukleotide (Pyr) und Pyrenacetylidnukleotide (Pyr′) untersucht (Abbildung 8.1A). Zusätzlich wurden Duplexeinheiten mit ein oder zwei benachbarten Pyr:Me oder Pyr′:H Basenpaare synthetisiert. Diese Duplexeinheiten waren bei Raumtemperatur waren thermisch stabil. Interessanterweise konnten nur die Pyrenacetylidnukleotide, aber nicht die entsprechenden Pyrennukleotide durch “interstrand-stacking” innerhalb der GNA-Duplexeinheit einen starken Excimer bilden (Abbildung 8.1B). Dieser wurde als Metallionensensor verwendet, indem ein Metall-vermittelten Basenpaar eingebaut wurde. Dabei wurde ein Hydroxypyridon homo-Basenpaar (M:M) oder ein Hydroxypyridon-pyridylpurine hetero-Basenpaar (M:P) verwendet. Abbildung 8.2 zeigt, dass mit D15 und D19 sehr empfindliche und selektive Cu2+ “turn-on” Fluoreszenzsensoren erhalten wurden. Kapitel 4 beschäftigt sich mit dem Einbau von Porphyrinacetylidnukleotid (P) in GNA-Duplexeinheiten gegenüber von nichtbasischem Ethylenglykol. Die Verbindungen wurden durch UV-Schmelzkurvenanalyse, UV-Vis Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und Circulardichroismus analysiert. Die modifizierten Duplexeinheiten zeigten geringe thermische Stabilität, diese konnte aber durch Koordination an Zink(II)-, Mangan(II)- oder Nickel(II)ionen in P gesteigert werden (Abbildung 8.3B). Darüber hinaus boten die GNA-Duplexeinheiten ein geeignetes Gerüst um zwei Porphyrine in engen Kontakt zu bringen, woraus Wechselwirkungen zwischen den beiden Porphyrinen resultierten, die jeweils an verschiedenen Metallionen gebunden waren. Die klare Änderung der Soretbanden, die von einer Blauverschiebung begleitet war und die Abnahme der Fluorenzintensität durch Bildung einer Duplexeinheit (Abbildung 8.4B) zeigte, dass eine Wechselwirkung im Grundzustand zwischen zwei Porphyrineinheiten in der GNA auftrat. Dabei handelte es sich um eine “face-to-face” (H-dimer) Wechselwirkung. In Kapitel 5 wurden die Donor-Akzeptor enthaltenden Chromophorsysteme, die hauptsächlich aus Perylenbisimid- (B) und Porphyrinbausteinen (P) bestehen, in GNA-Duplexeinheiten eingebunden (Abbildung 8.5A). GNA-Duplexeinheiten mit B-Pyr, B-Pyr′, B-Pe′ und B-P wurden thermisch untersucht. Dabei zeigte sich, dass das B-P Paar die GNA-Duplexeinheiten um zusätzlich 10 °C im Vergleich zur Schmelztemperatur der nativen GNA-Duplexeinheit stabilisieren konnte. Die deutlich erhöhte Stabilität der Duplexeinheit, zusammen mit der rotverschobenen Absorptionsbande und das induzierte CD-Signal bei der Soretbande deuteten auf eine “π-π stacking” Wechselwirkung der B-P Paaren zwischen beiden Strängen in der Duplexeinheit. Anschließend wurden die Systeme mit Porphyrin und PBI Bausteine untersucht. Wie Abbildung 8.6 B zeigt, erhöhte sich die Intensität des CD-Signals mit der zunehmenden Anzahl von Chromophoreinheiten. Diese kontinuierliche Verschiebung resultiert aus der Wechselwirkung zwischen PBI und Porphyrin, was eine hochgeordnete Helixstruktur zur Folge hat. Angesichts der deutlich verringerten Ausbeute an modifiziertem GNA-Strang mit dem mehrfach eingebauten Chromophor, wurde photochemisches Anbinden von GNA entwickelt. In Kapitel 6 wurde Anthracen in GNA als photoreaktives Zentrum eingeführt (Abbildung 8.7A). Bei der Duplexbildung, näherten sich die beiden angrenzenden Anthracen-Nucleobasen einander und es wurde erwartet, dass die Duplexeinheit eine Haarnadelstruktur durch Anthracencyclodimerisierung als Folge der Bestrahlung von Licht (366 nm) erzeugt hat. Die Reaktion wurde im Hinblick auf drei Aspekte untersucht, nämlich templatgestütztes GNA-Anbinden, Crosslinking zwischen den Strängen in der Mitte der GNA-Duplexeinheit und “end capping” der Duplexeinheit. Die templatgestützte Photoreaktion hat aufgrund ineffizienten Dimerisierung von Anthracen in Tandemduplexeinheiten der nicht stattgefunden. Allerdings erwiesen sich sowohl das Crosslinking in der Mitte des Duplexes, als auch “end-capping” des Duplexes als möglich. Die erzeugten intramolekularen Duplexeinheiten zeigten eine hohe Schmelztemperatur (Abbildung 8.7B), was im Einklang mit der Bildung eines intramolekularen Duplex mit einer Haarnadelstruktur steht. In dieser Studie wurden GNA-Duplexeinheiten als Gerüst für das Design von selbstangeordneten und selbstorganisierten Architekturen verwendet. Mehrere Chromophore wurden erfolgreich in GNA-Duplexeinheiten eingeführt. GNA erwies sich als und generelles Duplexgerüst für die definierte Chromophororganisation.