Hydrolysis of biologically relevant model systems by metal-substituted polyoxometalate complexes

Promovendus/a: Thi Kim Nga Luong

Promotor(en): Prof. dr. Tatjana Vogt, Prof. dr. Pavletta Shestakova

Fosfaatesters spelen een belangrijke rol in een aantal biologische systemen, met name informatie opslag (DNA/RNA), cel signalering (cAMP) en energie transductie (ATP). De fosfo(di)esterbindingen in nucleïnezuren zijn erg resistent tegen hydrolyse, voornamelijk door de repulsie tussen de negatief geladen ruggengraat en potentiële nucleofielen. Bij kamer temperatuur en in afwezigheid van een katalysator wordt de halftijd van fosfodiester bindingen geschat op 130 000 jaar voor DNA bij neutrale pH en 4 jaar voor RNA bij pH 6.0. Door deze stabiliteit zijn ze uistekende systemen voor informatie opslag. Door de extreme stabiliteit van de fosfo(di)esterbindingen in fosfaatesters is hun efficiënte splitsing een uitdaging. Het breken van deze bindingen is echter nodig in de biochemie om hun structuren, functies en gedrag te bestuderen, waardoor efficiënte katalysatoren voor de hydrolyse van fosfo(di)esterbindingen nodig zijn.

In de natuur worden fosfomono-, -di- en –triester bindingen vaak gehydrolyseerd door de coöperatieve actie van twee of meer naast elkaar gelegen metaal ionen, waaronder MgII, ZnII, MnII en/of FeIII. Natuurlijke nuclease enzymen spelen nog steeds een kritische rol spelen in verscheidene biotechnologische toepassingen, omdat effiënte artificiële nucleasen nog steeds inferieur zijn aan hun natuurlijke variant. Artificiële nucleasen hebben echter verschillende voordelen, in het bijzonder hun lage kost door grootschalige synthese. Artifiële nucleasen kunnen bijkomend gebruikt worden om de rol van de actieve metaal-ionen in natuurlijke nucleasen te achterhalen. Verondersteld wordt dat metaal-ionen de hydrolyse versnellen door activering van de fosfodiesterbinding, activatie en/of toelevering van het nucleofiel en stabilisatie van de transitietoestand van de vertrekkende groep. Over de jaren heen zijn artificiële organische mono- en bimetallische model componenten gesynthetiseerd om fosfatasen en nucleasen na te boosten om de reactiemechanismen van hun enzymatische reactiviteit te ontrafelen en artificiële katalysatoren voor de hydrolyse van fosfoester bindingen voor biochemische en industriële toepassingen te ontwikkelen. Het is echter nog steeds een uitdaging om selectivitieve en efficïente hydrolyse te bereiken bij milde reactiecondities.

In dit onderzoek werd het potentiëel van metaal-gesubstitueerde polyoxometalaten (POMs) als artificiële fosfoesterasen bestudeerd. Hun reactiviteit werd onderzocht in de hydrolyse van biologisch relevante systemen zoals fosfo(di)esterbindingen in DNA/RNA model substraten, fosfoanhydride bindingen in adenosine trifosfaten en fosfo(di)esterbindingen in DNA. POMs, een grote klasse van anorganische oxoclusters met vroege transitiemetalen in hun hoogste oxidatietoestand, werden gekozen omdat ze als ligand kunnen optreden voor verscheidene Lewis-zure metaal-ionen die gekend staanr om de hydrolyse van fosfoesterbindingen te katalyseren. Bijkomend is biologische activiteit van POMs, die vaak gerapporteerd is, maar waarvan de moleculaire basis grotendeels ongekend is. Hun reactiviteit jegens biologisch relevante moleculen en modelsystemen is in het bijzonder weinig bestudeerd.

In deze doctoraatsthesis werd eerst de speciatie van verschillende metaal-gesubstitueerde POMs in waterige oplossingen onderzocht om hun stabiliteit onder verschillende reactiecondities (pH, temperatuur, POM concentratie en ionische sterkte) te begrijpen. Voor deze analyzes werd voornamelijk NMR spectroscopie gebruikt. Vervolgens werden kinetische en thermodynamische studies van fosfo(di)ester bindingshydrolyse in verschillende substraten ondernomen. Ten laatste werd een mechanisme voor elke hydrolyse reactie voorgesteld op basis van NMR spectroscopische en kinetische data en densiteitsfunctionaal theoretische berekeningen.