Künstliche Signaltransduktion mit Botenstoffen

Die Signalweiterleitung über Membranen dient zur Vermittlung und Auslösung zahlreicher essentieller Prozesse in Zellen. Trotz ihrer fundamentalen Bedeutung gab es bis vor wenigen Jahren kein künstliches Modell; erst C. Hunter zeigte in wegweisenden Arbeiten, wie das Prinzip der Rezeptortyrosinkinasen auf einfache Bisamphiphile in Liposomen übertragen werden kann. Wir haben dieses Konzept weiterentwickelt und anspruchsvolle unsymmetrische Transmembranbausteine mit einem Rezeptorkopf und einem Emitterkopf hergestellt.

Der unpolare membrandurchspannende Teil wird durch ein doppeltes Steroid bereitgestellt, während ein Bisphosphonatkopf zur Ammoniumion-Erkennung dient. Am anderen Ende sorgt ein Fluoreszenzdonor- bzw. -akzeptor für ein FRET Signal, während ein Thiol und ein Disulfid die S_N2-Abspaltung eines second messengers vorbereitet. In Liposomen mit beiden Transmembraneinheiten liegen jeweils beide Signalpaare in beiden möglichen Orientierungen vor. Wird zum Fluoreszenzdonor/akzeptor-System der Botenstoff Diethylen-triammonium-chlorid zugetropft, führt dies zur produktiven Zusammenlagerung von Donor- und Akzeptor-Baustein und damit zu einem intensiven FRET-Effekt, der in Gegenwart von Eosin sogar mit dem bloßen Auge zu erkennen ist.

Im S_N2-System wird nach Zugabe des primary messenger eine S_N2-Reaktion ausgelöst, bei der das Thiolnucleophil am Disulfid angreift und den second messenger Thiopyridin freisetzt, welcher UV-spektroskopisch detektiert wird. Anschließende Zugabe eines wasserlöslichen Reduktionsmittels beweist, dass die nach außen weisenden Disulfide bei der Signaltransduktion ins Liposominnere unangetastet blieben.

Wir bemühen uns gegenwärtig um die Entwicklung weiterer Signalgeber, die noch empfindlicher auf den Botenstoff reagieren. Dazu soll eine Vororientierung der Transmembransteine im Liposom sowie eine Signal-Verstärkung im Liposominneren erreicht werden. Mit solchen optimierten Bausteinen möchten wir gerne Experimente in lebenden Zellen beginnen.

Literatur

• Entirely Artificial Signal Transduction With a Primary Messenger. K. Bernitzki, M. Maue, T. Schrader, Angew. Chem. 2009, 48, 8001-8005.

• Artificial Signal Transduction with a Primary and Secondary Messengers. K. Bernitzki, M. Maue, T. Schrader, Chem. Eur. J. 2012, 18, 13412-13417.