Synthesis and Characterisation of wALAD Inhibitors and Novel ABAL Probes

Abstract

The here presented work comprises two projects with highly interdisciplinary topics in the chemical biology field. The development of novel small molecule ALAD inhibitors which might show their potential as novel antifilarial, antiplasmodial and antimicrobial agents, herbicides or chemical biology tools was the main task of the first project (Section A).<br /> wALADin1 is a benzimidazole-based drug-like small molecule that was found by high throughput screening and was identified as a potent species-specific inhibitor for the endobacterial enzyme wALAD with effectiveness in in vitro and ex vivo studies. Several wALADin1 derivatives were synthesised in this work to further characterise the influence on the inhibitory activity of the 3-trifluoromethylbenzyl and 2-[(2 thienylcarbonyl)amino]ethyl group present in the benzimidazole scaffold of wALADin1. These studies revealed the importance of the unaltered 3- trifluoromethylbenzyl-moiety (R2) for the inhibitory activity of the wALADin compounds and the necessity of the 2-[(2-thienylcarbonyl)amino]ethyl-moiety (R1) for species-specificity, although irrelevant for wALAD inhibition. Additionally, the obtained wALADin compounds were tested in cross species structure activity relationship studies and showed contrasting biological results with various ALAD orthologues from plants, bacteria, metazoa and protozoa. Moreover, an antiplasmodial effect on blood stage Plasmodium falciparum was investigated for wALADin1, wALADin2 and wALADin3 that demonstrably does not result from inhibitory activity on the PfALAD orthologue. <br /> The second project comprised the development of novel probes for aptamer-based affinity labelling (ABAL) of proteins, an approach for the rational, proteome-wide identification of proteins that bind to a particular aptamer (Section B). <br /> This is achieved by labelling aptamers with photoreactive probes and cross-linking them to their target protein in a UV light-dependent and highly specific manner. Successful identification requires isolation of pure samples for mass spectrometry analysis, which was not obtained using the initial ABAL probe. To improve the ABAL procedure novel ABAL probes were developed. These probes carry biotin in combination with a chemically cleavable linker or desthiobiotin as purification tags to enable mild elution of the captured complex and besides phenyl azide (PA), 1,2,4,5 tetrafluorophenyl-3-azide (TPA) and 3-phenyl-3-(trifluoromethyl)-3H-diazirine (TPD) were used as potentially more potent photoreactive moieties. <br /> These novel ABAL probes might help to tap the full potential of the ABAL procedure and develop it into a standard procedure for identifying unknown target proteins.

Die hier vorgestellte Arbeit behandelt zwei höchst interdisziplinäre Projekte im Bereich der Chemischen Biologie. Das erste Projekt befasst sich hauptsächlich mit der Entwicklung von neuen Small-Molecule-ALAD-Inhibitoren, die als potentielle antifilarische, antiplasmodische und antimikrobische Mittel, Herbizide oder Werkzeuge der chemischen Biologie Verwendung finden könnten (Abschnitt A).<br /> wALADin1 ist ein auf Benzimidazol basierendes Small-Molecule, das in einem Screeningverfahren mit hohem Durchsatz ermittelt und als potenter, speziesspezifischer Inhibitor gegen das endobakterische Enzym wALAD mit Wirkung in in-vitro- und ex-vivo-Studien, identifiziert wurde. In der hier vorgestellten Arbeit wurde eine Vielzahl von wALADin1-Derivaten synthetisiert um den Einfluss der am Benzimidazolring vorhandenen 3- Trifluormethylbenzyl- und 2-[(2- thienylcarbonyl)amino]ethylgruppe auf die inhibierende Wirkung zu untersuchen. Diese Untersuchungen belegen, dass die modifizierte 3- Trifluormethylbenzylgruppe (R2) unverzichtbar für die inhibierende Wirkung der wALAD-Inhibitoren ist und dass die 2-[(2-thienylcarbonyl)amino]ethylgruppe (R1) wiederum eine entscheidende Rolle für die speziesspezifische Inhibition spielt, auch wenn sie keinerlei Einfluss auf die wALAD-Inhibition hat. Ebenfalls wurden die erhaltenen wALADin-Verbindungen in artübergreifenden Struktur-Wirkung-Beziehungsstudien getestet und zeigten gegensätzliche biologische Resultate bei verschiedenen ALAD-Orthologen von Pflanzen, Bakterien, Metazoen und Protozoen. Darüber hinaus wurde ein antiplasmodischer Effekt von wALADin1, wALADin2 und wALADin3 auf das Merozoitenstadium von Plasmodium falciparum festgestellt, der nachweislich nicht auf der Inhibition des PfALAD-Orthologs beruht. <br /> Das zweite Projekt befasst sich mit der Entwicklung von neuen Sonden zur aptamer basierten Affinitätsmarkierung (ABAL) von Proteinen, einem Ansatz zur rationalen, proteomweiten Identifizierung von Proteinen die an ein bestimmtes Aptamer binden (Abschnitt B). Dies wird durch das Markieren der Aptamere mit photoreaktiven Sonden erreicht, die durch UV-Licht-Bestrahlung hochspezifisch mit ihrem Zielprotein vernetzt werden. Die erfolgreiche Identifizierung erfordert, dass die aus der Vernetzung und anschließenden Isolierung erhaltenen Proben für die massenspektrometrische Analyse rein sind, was bisher nicht erreicht werden konnte. Um die Ergebnisse der ABAL-Strategie zu verbessern, wurden neue ABAL-Sonden entwickelt. Diese Sonden enthalten zur Aufreinigung entweder Biotin in Verbindung mit einem chemisch spaltbaren Linker oder Desthiobiotin, um die milde Elution des eingefangenen Komplexes zu ermöglichen sowie Phenylazid (PA), 1,2,4,5 tetrafluorophenyl-3-azid (TPA) und 3-phenyl-3-(trifluoromethyl)-3H-diazirin (TPD) als photoreaktive Gruppen.<br /> Diese neuen ABAL-Sonden werden möglicherweise helfen das volle Potential des ABAL-Verfahrens zu entfalten und es zu einer Standardanwendung zur Identifizierung von unbekannten Zielproteinen weiterzuentwickeln.