DNA‐gestützte organische Synthese: die Strategie der Natur zur Steuerung chemischer Reaktivität übertragen auf synthetische Moleküle

Abstract

Anders als im Allgemeinen in der Synthesechemie üblich wird in der Natur die chemische Reaktivität durch die Modulation der effektiven Molarität hoch verdünnter Reaktanten durch Makromolekül‐gestützte Synthesen gesteuert. Dabei kann die Reaktion komplexer Mischungen in einer einzigen Lösung mit Effizienzen und Selektivitäten verlaufen, die in herkömmlichen Laborsynthesen nicht erreichbar sind. Die DNA‐gestützte organische Synthese (DTS) bietet einen erstaunlich universellen Weg zur Steuerung der Reaktivität synthetischer Moleküle mithilfe des in der Natur verwirklichten, auf der effektiven Molarität basierenden Ansatzes. Neueste Entwicklungen haben den Anwendungsbereich und die Möglichkeiten der DTS von ihren Ursprüngen als Modell für präbiotische Nucleinsäurereplikation zu ihrer heutigen Fähigkeit, DNA‐Sequenzen in komplexe kleine Moleküle und polymere Produkte mehrstufiger organischer Synthesen zu übersetzen, erweitert. Das Verständnis der fundamentalen Prinzipien der DTS spielte eine wichtige Rolle bei diesen Entwicklungen. Zu den ersten Anwendungen der DTS zählen die Nucleinsäuredetektion, die Entwicklung synthetischer niedermolekularer Verbindungen und die Entdeckung von Reaktionen mithilfe von Translations‐, Selektions‐ und Amplifikationsmethoden, die zuvor nur für biologische Substanzen verfügbar waren.

Vernier‐Templatkontrolle nanoskopischer Porphyrinringe

“…In der Natur ist die DNA-Replikation ein bekannter templatgestützter Vorgang, in dem jeder einzelne Strang der ursprünglichen DNA als ein Templat [1] für die Herstellung des komplementären Strangs fungiert. Heute ist die Templatkontrolle weithin als ein Hilfsmittel anerkannt, um verschiedene Komponenten selektiv miteinander zu verbinden und dabei die molekulare Komplexität und Funktion zu verbessern.…”

From Polynorbornene to the Complementary Polynorbornene by Replication

“…[1] Many approaches to simulate the biological processes by replicating a host molecule into its complementary molecule are known in the literature. [2][3][4][5][6] Particular attention has been focused on the use of oligonucleotide hosts to furnish the nonenzymatic synthesis of complementary oligonucleotides [3] or related analogues. [4] Peptides [5] and other synthetic systems [6] have also been used as templates for self-replication.…”

Prolinmodifizierte DNA als Katalysator der Aldolreaktion

“…[1] Durch Ausnutzung der DNAeigenen Fähigkeit, komplementäre Stränge miteinander zu paaren, können daran gebundene niedermolekulare Reaktanten in räumliche Nähe gebracht werden, um somit deren effektive Molarität zu erhöhen und chemische Reaktionen zu beschleunigen. Mehrere Anwendungen sind aus diesem Ansatz hervorgegangen, z.…”

“…B. zum Auffinden von neuen Substanzen aus synthetischen Bibliotheken, zur Entdeckung neuer Reaktionen und zur Nucleinsäure-Diagnostik. [1,2] Zusätzlich dienen diese Arten von Reaktionen als Modelle, um die Wirkung von Nucleinsäuren als Katalysatoren chemischer Reaktionen und damit ihre Rolle in der Entstehung von Leben auf der Erde aufzuzeigen. [3,4] Alle erwähnten Ansätze haben gemeinsam, dass zwei Reaktanten kovalent an DNA-oder PNA-Stränge gebunden werden, um anschließend durch Selbsthybridisierung oder Anlagerung an einen dritten Nucleinsäurestrang miteinander zu reagieren.…”

“…Dieses Konzept führt in den meisten Fällen zu einer kovalenten Verknüpfung der beiden modifizierten Oligonucleotide, wozu es nur wenige Ausnahmen gibt. [1,2,5] Analog dazu wurde über eine DNA-gesteuerte Esterhydrolyse durch einen Cu II -Katalysator und über eine DNA-gesteuerte Staudinger-Verknüpfung berichtet.…”