Anwendung in lebenden Zellen & Organismen
Click-Chemie ohne Katalysator
Für weitere Informationen siehe:
[1] „Biomedical applications of copper-free click chemistry: in vitro, in vivo, and ex vivo“, Eunha Kim and Heebeom Koo, Chem. Sci., 2019, 10, 7835
[2] „Inverse electron demand Diels-Alder reactions in chemical biology“, B. L. Oliveira, Z. Guo and G. J. L. Bernardes, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4895
Die Reaktion zwischen Tetrazinen und trans-Cyclooctenen (TCOs) ermöglicht eine Verknüpfung unterschiedlichster Einheiten. Es entsteht eine kovalente Verknüpfung zwischen dem roten Stern und der blauen Kugel. Diese Reaktion hat sich zu einem wertvollen Werkzeug in biomedizinischen und chemischen Anwendungen entwickelt. Ist beispielsweise der rote Stern ein Protein und die blaue Kugel ein Farbstoff, so können diese Komponenten verknüpft werden und das Protein leuchtet. So kann das Protein beispielsweise bei der Metabolisierung oder sonstigen Stoffwechselprozessen beobachtet und untersucht werden.
Die Besonderheit dieser Reaktion besteht darin, dass sie nicht mit biochemischen Prozessen interferiert. Diese Eigenschaft ermöglicht eine Anwendung in lebenden Zellen, man sagt die Reaktion ist bioorthogonal. Weiterhin benötigt diese Reaktion keinen Katalysator und sie ist sowohl in organischen Lösungsmitteln als auch in Wasser durchführbar. Ihre besonders schnelle Kinetik ermöglicht außerdem die Verwendung geringster Konzentrationen.
Die Varimol Innovation
Clickbare Metallkomplexe
Durch Einführung der Einheit 2-Pyridyl am Tetrazin (VM203) werden bidentate Chelatliganden gewonnen, die Metallkomplexfragmente wie beispielsweise „Re(CO)3Cl“ komplexieren können. Varimol konnte zeigen, dass solche Metallkomplexe (VM301) analoge Click-Reaktionen mit trans-Cycloocten eingehen können. Dabei entstehen Pyridazyl chelatisierte Metallkomplexe:
1. Gezielte Verknüpfung einzelner Metallatome an Oberflächen oder an Biomolekülen
Durch Funktionalisierung von Oberflächen oder Biomolekülen mit Dienophilen wie beispielsweise terminale Alkene oder TCOs werden „pretargeted“ Strukturen geschaffen, die mit Tetrazinen katalysatorfreie Click-Reaktionen eingehen können. Benutzt man dabei tetrazinhaltige Metallkomplexe, können dadurch einzelne Metallatome immobilisiert werden. Diese Strategie kann beispielsweise für die Verknüpfung von Sonden verwendet werden: Für MLx = Re(CO)3Cl resultiert eine Infrarot-Sonde. Enthält M ungepaarte Elektronen, können ESR-Sonden (Spin Labeling) eingeführt werden. Für M = Iridium(III) konnten bereits luminogene Marker an Proteine geknüpft werden.
2. Schnellere Click-Kinetik
[3] „Monochromophoric iridium(III) pyridyl-tetrazine complexes as a unique design strategy for bioorthogonal probes with luminogenic behavior“, Tommy Siu-Ming Tang, Hua-Wei Liu and Kenneth Kam-Wing Lo, Chem. Commun., 2017, 53, 3299
[4] „The Future of Bioorthogonal Chemistry“, Neal K. Devaraj, ACS Cent. Sci. 2018, 4, 952
Der Mechanismus der Click-Reaktion zwischen Tetrazinen und Dienophilen ist eine Inverse Electron Demand Diels-Alder (IEDDA) Reaktion. Die Kinetik dieser Reaktion wird daher stark von den Orbital-Energien der Reaktionspartner beeinflusst. Eine schnelle Kinetik wird durch ein niedriges LUMO des Tetrazins und ein hohes HOMO des Dienophils begünstigt. Die Koordination von Metallkomplexfragmenten MLx an ein Tetrazin führt zur Erniedrigung des LUMOs. So können schnellere Click-Reagenzien gewonnen werden. Für M = Ir(III) konnte eine um bis zu Faktor 60 schnellere Kinetik im Vergleich zum freien Tetrazin beobachtet werden. [3] Schnellere Click-Reagenzien sind vor allem für medizinische Anwendungen und im Bereich Drug Delivery besonders wichtig. [4]
3. Erhöhung der Wasserlöslichkeit
Vor allem in biologischen Anwendungen ist eine Wasserlöslichkeit der Reagenzien und Substrate besonders wünschenswert. Durch Einführung geladener Metallkomplexfragmente kann eine erhebliche Erhöhung der Wasserlöslichkeit erreicht werden. Beispielsweise ist der Metallkomplex VM302 mit MLx = [Ru(bpy)2]2+ wasserlöslich, während das rein organische Tetrazin VM203 weniger wasserlöslich ist.
„Given the flexibility and power of the bioorthogonal approach, controlling chemistry within biological systems may soon only be limited by our imaginations.“
Neal K. Devaraj, [4]
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