Promotie: Exploring Nature at the Molecular Level through Solid-State NMR and Chemical Biology

Deel I: Het ontrafelen van de supramoleculaire architectuur van kiezelwier- en schimmelcelwanden

Het bestuderen van intacte celwanden van micro-organismen zoals schimmels en diatomeeën (kiezelwieren) blijft een grote uitdaging vanwege het aantal soorten, de complexiteit van hun celwand en de supramoleculaire assemblage ervan. Samen met de celwand is de extracellulaire matrix (ECM) verantwoordelijk voor de regulatie van belangrijke processen, zoals cellulaire integriteit en functie, evenals intercellulaire communicatie en interacties van het organisme met zijn omgeving. ECM's zijn dan ook zeer geavanceerde moleculaire structuren die interessante mogelijkheden bieden voor toepassingen, zoals duurzame biomaterialen. Het is daarom van cruciaal belang om de samenstelling en structurele assemblage van ECM’s beter te begrijpen en gecontroleerd te kunnen beïnvloeden.

In tegenstelling tot veel andere technieken, die afhankelijk zijn van destructieve agressieve chemische behandelingen is vastestof-NMR een techniek die in staat is om waardevolle gegevens te leveren over de samenstelling, structuur en dynamiek op atomair niveau van natief ECM. Het is de laatste jaren met succes gebruikt om de celwanden van micro-organismen zoals bacteriën, planten, schimmels en algen te bestuderen. In dit proefschrift wordt vastestof-NMR gebruikt om de celwanden van de basidiomyceet Schizophyllum commune (paddenstoel “het waaiertje”) en de kiezelwier Thalassiosira pseudonana te bestuderen. Beide vertegenwoordigen modelorganismen voor hun soort en zijn interessante kandidaten voor duurzame toepassingen van hun ECM als biomateriaal.

Deel II: De ontwikkeling van chemische sondes gericht op heparanase

Onderzoek heeft aangetoond dat cyclophellitolderivaten zeer krachtige remmers zijn voor glycoside hydrolase enzymen, omdat ze in staat zijn het enzym onomkeerbaar covalent te binden. Ze zijn configurationele analogen van de enzymgebonden toestand van het oorspronkelijke substraat en binden de katalytische holte van het enzym zeer sterk, via nabootsing van de reactie overgangstoestand. Een van de meest interessante doelwitten voor geneesmiddelen onder de glycoside hydrolases is het enzym heparanase (HPSE), een beta-D-glucuronidase dat in verband wordt gebracht met een groot aantal ziekten bij de mens, waaronder agressieve vormen van kanker, ontsteking, fibrose, suikerziekte en virale infecties. Momenteel zijn de meest veelbelovende klasse van heparanaseremmers structurele analogen van het natuurlijke substraat van het enzym, heparaansulfaat (HS). Deze vertonen echter niet‐optimale fysisch‐chemische en ‘druglike’ eigenschappen die hun klinische toepassing belemmeren, zoals problematische productstandaardisatie en ‐identificatie door structurele heterogeniteit, een hoog molecuulgewicht, hoge hydrofiliciteit die de biologische beschikbaarheid beperkt, en off‐targeteffecten in de stollingscascade. De recentelijk ontwikkelde, van cyclophellitol afgeleide, klein moleculaire remmers van heparanase hebben bewezen zeer krachtige en selectieve remmers te zijn. Echter de ‘druglike’ eigenschappen van deze klasse bleken in preklinische studies ook niet optimaal, maar kunnen vanwege hun exact gedefinieerde en synthetisch toegankelijke basisstructuur verder verbeterd worden.

In het onderzoek, beschreven in deel 2 van dit proefschrift, was het ons doel deze eigenschappen te verbeteren door glucurono-cyclophellitolderivaten te maken die handvatten bevatten voor klikchemie zodat ze verbonden kunnen worden met een in-vitro gegenereerde cyclische peptidebibliotheek. Die hieruit resulterende hybride bibliotheek zou daarna gescreend kunnen worden tegen geïmmobiliseerd heparanase via het RaPID-systeem.