Bioorthogonale Markierung

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Die bioorthogonale Markierung umfasst biochemische Methoden zur Molekülmarkierung, bei denen eine selektive chemische Reaktion erfolgt, möglichst ohne die biologischen Prozesse in einer Zelle zu stören.[1][2][3] Die bioorthogonale Markierung ist eine Kombination der metabolischen Markierung und einer folgenden selektiven Reaktion, die in vivo oder in vitro verwendet wird. Durch die bioorthogonale Markierung können in vivo Signalmoleküle (Reportermoleküle) an das zu markierende Molekül gekoppelt werden, die nicht durch zelluläre Reaktionen zu erzeugen sind, z. B. ein synthetisches Fluorophor.[4] Carolyn Bertozzi erhielt für ihre Beiträge zur bioorthogonalen Markierung und Click-Chemie den Nobelpreis für Chemie im Jahr 2022.[5]

Eigenschaften

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Die bioorthogonale Markierung basiert auf der Verwendung von sehr selektiven chemischen Reaktionen, bei denen wenige Nebenreaktionen auftreten, um nicht mit Biomolekülen zu reagieren. Eine unspezifische Reaktion kann zelluläre Vorgänge und Reaktionen hemmen, was zu einer Toxizität führen kann, und daher weniger für eine Anwendung in vivo geeignet wäre, z. B. in Zellkulturen. Dafür werden im Rahmen einer metabolischen Markierung meist Zellkulturen mit einem Kulturmedium gefüttert, das markierte Moleküle mit einer bestimmten funktionellen Gruppe enthält. Diese markierten Moleküle werden durch den Stoffwechsel umgebaut oder in andere Moleküle eingebaut. Die funktionelle Gruppe kann anschließend im Rahmen der bioorthogonalen Markierung mit einer selektiven chemischen Reaktion weiter reagieren. Die dabei erzeugte Bindung sollte zur Vermeidung eines raschen Abbaus der Markierung zudem resistent gegen den Stoffwechsel sein und eine ausreichende Reaktionsrate besitzen.

Verschiedene Reaktionen der bioorthogonalen Markierung wurden beschrieben,[6][7][8] z. B. die 1,3-Dipolare Cycloaddition von Aziden und Cyclooctinen (synonym kupferfreie Click-Chemie),[9][10][11] oder zwischen Nitronen und Cyclooctinen,[12] die Bildung von Oximen oder Hydrazonen aus Aldehyden oder Ketonen,[13][14][15] die Tetrazin-Ligation,[16][17] die Isocyanid-basierte Click-Reaktion,[18] die Quadricyclan-Ligation,[19] die Sonogashira-Kupplung,[20] die kupferkatalysierte Alkin-Azid-Cycloaddition,[21][22][23] die Heck-Reaktion,[24] die Cyclopropen-Azid-Kopplung,[25] die Myristylierung,[26] die Cyanobenzothiazol-Kondensation oder die Tetrazol-Alken-Cycloaddition.[27][28][29][30] Membranproteine können nach der Biosynthese enzymatisch mit Aziden gekoppelt werden, die wiederum per Staudinger-Reaktion mit Reportermolekülen gekoppelt werden.[31]

Anwendung

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Mit einer bioorthogonalen Markierung können Glykane, Proteine,[32] und Lipide[33] markiert werden.

Geschichte

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Ab dem Jahr 2000 wurde die bioorthogonale Markierung per Staudinger-Reaktion von Aziden mit Triarylphosphinen durchgeführt.[34] Die Bezeichnung ‚bioorthogonale Markierung‘ wurde 2003 von Carolyn Bertozzi geprägt.[35]

Einzelnachweise

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  1. ↑ Ellen M. Sletten, Carolyn R. Bertozzi: Bioorthogonal Chemistry: Fishing for Selectivity in a Sea of Functionality. In: Angewandte Chemie International Edition. 48. Jahrgang, Nr. 38, 2009, S. 6974–6998, doi:10.1002/anie.200900942, PMID 19714693, PMC 2864149 (freier Volltext).
  2. ↑ Jennifer A. Prescher, Danielle H. Dube, Carolyn R. Bertozzi: Chemical remodelling of cell surfaces in living animals. In: Nature. 430. Jahrgang, Nr. 7002, 2004, S. 873–877, doi:10.1038/nature02791, PMID 15318217.
  3. ↑ Jennifer A Prescher, Carolyn R Bertozzi: Chemistry in living systems. In: Nature Chemical Biology. 1. Jahrgang, Nr. 1, 2005, S. 13–21, doi:10.1038/nchembio0605-13, PMID 16407987.
  4. ↑ John C. Jewett, Carolyn R. Bertozzi: Synthesis of a fluorogenic cyclooctyne activated by Cu-free click chemistry. In: Organic Letters. 13. Jahrgang, Nr. 22, 2011, S. 5937–5939, doi:10.1021/ol2025026, PMID 22029411, PMC 3219546 (freier Volltext).
  5. ↑ Carolyn Bertozzi Facts, auf nobel.se, abgerufen am 6. Oktober 2022.
  6. ↑ E. M. Sletten, C. R. Bertozzi: Bioorthogonal chemistry: fishing for selectivity in a sea of functionality. In: Angewandte Chemie (International ed. in English). Band 48, Nummer 38, 2009, S. 6974–6998, doi:10.1002/anie.200900942. PMID 19714693. PMC 2864149 (freier Volltext).
  7. ↑ R. K. Lim, Q. Lin: Bioorthogonal chemistry: recent progress and future directions. In: Chemical communications. Band 46, Nummer 10, März 2010, S. 1589–1600, doi:10.1039/b925931g. PMID 20177591. PMC 2914230 (freier Volltext).
  8. ↑ Y. Takaoka, A. Ojida, I. Hamachi: Protein organic chemistry and applications for labeling and engineering in live-cell systems. In: Angewandte Chemie (International ed. in English). Band 52, Nummer 15, April 2013, S. 4088–4106, doi:10.1002/anie.201207089, PMID 23426903.
  9. ↑ J. M. Baskin, J. A. Prescher, S. T. Laughlin, N. J. Agard, P. V. Chang, I. A. Miller, A. Lo, J. A. Codelli: Copper-free click chemistry for dynamic in vivo imaging. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 104. Jahrgang, Nr. 43, 2007, S. 16793–7, doi:10.1073/pnas.0707090104, PMID 17942682, PMC 2040404 (freier Volltext).
  10. ↑ T. Plass, S. Milles, C. Koehler, C. Schultz, E. A. Lemke: Genetically encoded copper-free click chemistry. In: Angewandte Chemie (International ed. in English). Band 50, Nummer 17, April 2011, S. 3878–3881, doi:10.1002/anie.201008178. PMID 21433234. PMC 3210829 (freier Volltext).
  11. ↑ K. Lang, L. Davis, S. Wallace, M. Mahesh, D. J. Cox, M. L. Blackman, J. M. Fox, J. W. Chin: Genetic Encoding of bicyclononynes and trans-cyclooctenes for site-specific protein labeling in vitro and in live mammalian cells via rapid fluorogenic Diels-Alder reactions. In: Journal of the American Chemical Society. Band 134, Nummer 25, Juni 2012, S. 10317–10320, doi:10.1021/ja302832g. PMID 22694658. PMC 3687367 (freier Volltext).
  12. ↑ Xinghai Ning, Rinske P. Temming, Jan Dommerholt, Jun Guo, Daniel Blanco-Ania, Marjoke F. Debets, Margreet A. Wolfert, Geert-Jan Boons: Protein Modification by Strain-Promoted Alkyne-Nitrone Cycloaddition. In: Angewandte Chemie International Edition. 49. Jahrgang, Nr. 17, 2010, S. 3065, doi:10.1002/anie.201000408.
  13. ↑ K. J. Yarema, L.K. Mahal, R.E. Bruehl, E.C. Rodriguez, C.R. Bertozzi: Metabolic Delivery of Ketone Groups to Sialic Acid Residues. APPLICATION TO CELL SURFACE GLYCOFORM ENGINEERING. In: Journal of Biological Chemistry. 273. Jahrgang, Nr. 47, 1998, S. 31168–31179, doi:10.1074/jbc.273.47.31168, PMID 9813021.
  14. ↑ L. Wang, Z. Zhang, A. Brock, P. G. Schultz: Addition of the keto functional group to the genetic code of Escherichia coli. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 100, Nummer 1, Januar 2003, S. 56–61, doi:10.1073/pnas.0234824100. PMID 12518054. PMC 140882 (freier Volltext).
  15. ↑ S. Voss, L. Zhao, X. Chen, F. Gerhard, Y. W. Wu: Generation of an intramolecular three-color fluorescence resonance energy transfer probe by site-specific protein labeling. In: Journal of Peptide Science [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] Januar 2014, doi:10.1002/psc.2590, PMID 24395760.
  16. ↑ Melissa L. Blackman, Maksim Royzen, Joseph M. Fox: The Tetrazine Ligation: Fast Bioconjugation based on Inverse-electron-demand Diels-Alder Reactivity. In: Journal of the American Chemical Society. 130. Jahrgang, Nr. 41, 2008, S. 13518–13519, doi:10.1021/ja8053805, PMID 18798613, PMC 2653060 (freier Volltext).
  17. ↑ J. L. Seitchik, J. C. Peeler, M. T. Taylor, M. L. Blackman, T. W. Rhoads, R. B. Cooley, C. Refakis, J. M. Fox, R. A. Mehl: Genetically encoded tetrazine amino acid directs rapid site-specific in vivo bioorthogonal ligation with trans-cyclooctenes. In: Journal of the American Chemical Society. Band 134, Nummer 6, Februar 2012, S. 2898–2901, doi:10.1021/ja2109745. PMID 22283158. PMC 3369569 (freier Volltext).
  18. ↑ Henning Stöckmann, André A. Neves, Shaun Stairs, Kevin M. Brindle, Finian J. Leeper: Exploring isonitrile-based click chemistry for ligation with biomolecules. In: Organic & Biomolecular Chemistry. Band 9, Nr. 21, 12. Oktober 2011, S. 7303–7305, doi:10.1039/C1OB06424J.
  19. ↑ Ellen M. Sletten, Carolyn R. Bertozzi: A Bioorthogonal Quadricyclane Ligation. In: Journal of the American Chemical Society. 133. Jahrgang, Nr. 44, 2011, S. 17570–17573, doi:10.1021/ja2072934, PMID 21962173, PMC 3206493 (freier Volltext).
  20. ↑ J. Li, S. Lin, J. Wang, S. Jia, M. Yang, Z. Hao, X. Zhang, P. R. Chen: Ligand-free palladium-mediated site-specific protein labeling inside gram-negative bacterial pathogens. In: Journal of the American Chemical Society. Band 135, Nummer 19, Mai 2013, S. 7330–7338, doi:10.1021/ja402424j, PMID 23641876.
  21. ↑ Ilya A. Osterman, Alexey V. Ustinov, Denis V. Evdokimov, Vladimir A. Korshun, Petr V. Sergiev, Marina V. Serebryakova, Irina A. Demina, Maria A. Galyamina, Vadim M. Govorun, Olga A. Dontsova: A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE. In: Proteomics. 13. Jahrgang, Nr. 1, Januar 2013, S. 17–21, doi:10.1002/pmic.201200393, PMID 23161590 (cyandye.com [PDF; abgerufen am 27. Juni 2015]).
  22. ↑ C. Uttamapinant, M. I. Sanchez, D. S. Liu, J. Z. Yao, A. Y. Ting: Site-specific protein labeling using PRIME and chelation-assisted click chemistry. In: Nature protocols. Band 8, Nummer 8, August 2013, S. 1620–1634, doi:10.1038/nprot.2013.096, PMID 23887180.
  23. ↑ F. Truong, T. H. Yoo, T. J. Lampo, D. A. Tirrell: Two-strain, cell-selective protein labeling in mixed bacterial cultures. In: Journal of the American Chemical Society. Band 134, Nummer 20, Mai 2012, S. 8551–8556, doi:10.1021/ja3004667, PMID 22575034, PMC 3443257 (freier Volltext).
  24. ↑ M. E. Ourailidou, J. Y. van der Meer, B. J. Baas, M. Jeronimus-Stratingh, A. L. Gottumukkala, G. J. Poelarends, A. J. Minnaard, F. J. Dekker: Aqueous oxidative heck reaction as a protein-labeling strategy. In: ChemBioChem Band 15, Nummer 2, Januar 2014, S. 209–212, doi:10.1002/cbic.201300714, PMID 24376051.
  25. ↑ Z. Yu, Y. Pan, Z. Wang, J. Wang, Q. Lin: Genetically encoded cyclopropene directs rapid, photoclick-chemistry-mediated protein labeling in mammalian cells. In: Angewandte Chemie (International ed. in English). Band 51, Nummer 42, Oktober 2012, S. 10600–10604, doi:10.1002/anie.201205352, PMID 22997015, PMC 3517012 (freier Volltext).
  26. ↑ W. P. Heal, M. H. Wright, E. Thinon, E. W. Tate: Multifunctional protein labeling via enzymatic N-terminal tagging and elaboration by click chemistry. In: Nature protocols. Band 7, Nummer 1, Januar 2012, S. 105–117, doi:10.1038/nprot.2011.425, PMID 22193303.
  27. ↑ D. P. Nguyen, T. Elliott, M. Holt, T. W. Muir, J. W. Chin: Genetically encoded 1,2-aminothiols facilitate rapid and site-specific protein labeling via a bio-orthogonal cyanobenzothiazole condensation. In: Journal of the American Chemical Society. Band 133, Nummer 30, August 2011, S. 11418–11421, doi:10.1021/ja203111c, PMID 21736333.
  28. ↑ R. K. Lim, Q. Lin: Photoinducible bioorthogonal chemistry: a spatiotemporally controllable tool to visualize and perturb proteins in live cells. In: Accounts of chemical research. Band 44, Nummer 9, September 2011, S. 828–839, doi:10.1021/ar200021p, PMID 21609129, PMC 3175026 (freier Volltext).
  29. ↑ G. C. Rudolf, W. Heydenreuter, S. A. Sieber: Chemical proteomics: ligation and cleavage of protein modifications. In: Current opinion in chemical biology. Band 17, Nummer 1, Februar 2013, S. 110–117, doi:10.1016/j.cbpa.2012.11.007, PMID 23273612.
  30. ↑ J. Wang, W. Zhang, W. Song, Y. Wang, Z. Yu, J. Li, M. Wu, L. Wang, J. Zang, Q. Lin: A biosynthetic route to photoclick chemistry on proteins. In: Journal of the American Chemical Society. Band 132, Nummer 42, Oktober 2010, S. 14812–14818, doi:10.1021/ja104350y. PMID 20919707. PMC 2965590 (freier Volltext).
  31. ↑ M. Fernández-Suárez, H. Baruah, L. Martínez-Hernández, K. T. Xie, J. M. Baskin, C. R. Bertozzi, A. Y. Ting: Redirecting lipoic acid ligase for cell surface protein labeling with small-molecule probes. In: Nature Biotechnology. Band 25, Nummer 12, Dezember 2007, S. 1483–1487, doi:10.1038/nbt1355, PMID 18059260, PMC 2654346 (freier Volltext).
  32. ↑ Tilman Plass, Sigrid Milles, Christine Koehler, Carsten Schultz, Edward A. Lemke: Genetically Encoded Copper-Free Click Chemistry. In: Angewandte Chemie International Edition. 50. Jahrgang, Nr. 17, 2011, S. 3878, doi:10.1002/anie.201008178.
  33. ↑ Anne B. Neef, Carsten Schultz: Selective Fluorescence Labeling of Lipids in Living Cells. In: Angewandte Chemie International Edition. 48. Jahrgang, Nr. 8, 2009, S. 1498–1500, doi:10.1002/anie.200805507, PMID 19145623.
  34. ↑ E. Saxon, C.R. Bertozzi: Cell Surface Engineering by a Modified Staudinger Reaction. In: Science. 287. Jahrgang, Nr. 5460, 2000, S. 2007–2010, doi:10.1126/science.287.5460.2007, PMID 10720325.
  35. ↑ Ellen M. Sletten, Carolyn R. Bertozzi: From Mechanism to Mouse: A Tale of Two Bioorthogonal Reactions. In: Accounts of Chemical Research. Band 44, Nr. 9, 20. September 2011, S. 666–676, doi:10.1021/ar200148z.
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