Neues fluoreszierendes Chiral

Cyclodextrin- und Monoboronsäure-basierte Rezeptorkomplexe zeigen eine hervorragende chirale D-Glucose-Selektivität und ebnen den Weg für eine verbesserte Diabetes-Diagnose

Sophia-Universität

Bild: Forscher aus Japan haben Komplexe auf der Basis von γ-Cyclodextrin und fluoreszierender Monoboronsäure – 1F/γ-CyD und 2N/γ-CyD – entwickelt, die eine hervorragende Empfindlichkeit, Selektivität und chirale Selektivität für den D-Glucose-Nachweis aufweisenmehr sehen

Bildnachweis: Takashi Hayashita von der Sophia University

Diabetes mellitus, kurz Diabetes genannt, ist eine Stoffwechselstörung, die durch ungewöhnlich hohe Glukosekonzentrationen im Blut gekennzeichnet ist. Bestehende Methoden zur Diagnose von Diabetes basieren auf herkömmlichen Techniken zum Nachweis von Glukose in Blutserumproben – ein Prozess, der normalerweise langwierig und teuer ist. Bei der molekularen Erkennung handelt es sich um die Wissenschaft des genauen Nachweises spezifischer Verbindungen durch Ausnutzung ihrer Bindungseigenschaften. Dabei bindet ein Rezeptormolekül – eine Art Sensor – selektiv an ein Zielmolekül. Dieser Prozess löst eine Reaktion aus, beispielsweise eine Änderung der Fluoreszenz. Dadurch wird das Ziel erkannt. Chemische Sensoren, spezielle Polymere und einige Katalysetechniken basieren auf diesem Prinzip.

Trotz der jahrzehntelangen Fortschritte bei der molekularen Erkennung bleibt die Entwicklung von Rezeptoren zum Nachweis chiraler (oder asymmetrischer) Moleküle eine Herausforderung. Chiralität führt zu Enantiomerenpaaren, die nicht überlagerbare „Spiegelbilder“ desselben Moleküls sind. Sie haben identische physikalische und chemische Eigenschaften, aber unterschiedliche biologische Funktionen. Aufgrund ihrer ähnlichen Struktur sind sie schwer voneinander zu unterscheiden. Daher müssen Forscher komplexe und teure Techniken wie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie anwenden, um sie voneinander zu unterscheiden.

Vor diesem Hintergrund hat eine Gruppe von Forschern, darunter Professor Takashi Hayashita und Dr. Yota Suzuki vom Department of Materials and Life Sciences der Sophia University, eine völlig neue Fluoreszenzerkennungsmethode zum Nachweis von D-Glucose, einem chiralen Monosaccharid, entwickelt Wasser. Ihre Arbeit wurde am 20. Dezember 2022 online verfügbar gemacht und am 27. Januar 2023 in Band 8, Ausgabe 1 von ACS Sensors veröffentlicht.

Dr. Hayashita beschreibt die Motivation hinter der Forschung. „Die meisten Ansätze zur Entwicklung chemischer D-Glucose-Sensoren erfordern komplizierte Synthesen, weisen häufig eine schlechte Wasserlöslichkeit und manchmal eine schlechte Selektivität auf. Daher wurde ein neuartiger Erkennungsmechanismus entwickelt.“

Die Forscher entwickelten einen Komplex aus γ-Cyclodextrin (γ-CyD), der über einen Hohlraum verfügt, der eine hydrophobe Mikroumgebung bietet, um hydrophobe Verbindungen spontan in einer wässrigen Umgebung einzukapseln. Anschließend synthetisierten sie problemlos zwei Arten einfacher hydrophober fluoreszierender Rezeptoren auf Monoboronsäurebasis: einen Rezeptor auf 3-Fluorphenylboronsäurebasis (1F) und einen Rezeptor auf Pyridylboronsäurebasis (2N). Sie befestigten zwei Moleküle eines der beiden Rezeptoren an γ-CyD. Die resultierenden Einschlusskomplexe (1F/γ-CyD oder 2N/γ-CyD) bildeten eine Pseudodiboronsäureeinheit, die D-Glucose in Wasser an ihren beiden Stellen selektiv erkannte. Dadurch wurde die Fluoreszenz der Lösung stark verstärkt. Im Gegensatz dazu wurde bei neun anderen getesteten Sacchariden nur eine schwache Fluoreszenz beobachtet, darunter D-Fructose, D-Galactose und D-Mannose, bei denen es sich um typische im Blut enthaltene Saccharide handelte. 1F/γ-CyD und 2N/γ-CyD erhöhten die Fluoreszenz für D-Glucose um das 2,0- bzw. 6,3-fache im Vergleich zu ihrem Enantiomer L-Glucose. „Nach unserem besten Wissen weist 2N/γ-CyD die höchste D/L-Selektivität unter anderen berichteten fluoreszierenden Diboronsäuremolekül-basierten Rezeptoren auf“, sagt Dr. Suzuki.

Die Forscher untersuchten dieses Phänomen weiter durch induzierte Zirkulardichroismus-Spektral- und Kernspinresonanzstudien. Sie fanden heraus, dass ein D-Glucose-Molekül die beiden Monoboronsäure-Moleküle überbrückt. Es versteift die komplexe Struktur und verstärkt die Fluoreszenz. Im Fall von Nicht-Glucose-Sacchariden binden zwei verschiedene Moleküle an die beiden Stellen der Pseudo-Diboronsäure-Einheit. Dadurch bleibt die Fluoreszenz schwach.

Neben der hohen Selektivität weisen die entwickelten Komplexe auch eine bemerkenswerte Empfindlichkeit auf. 1F/γ-CyD und 2N/γ-CyD konnten D-Glucose-Konzentrationen mit niedrigen Nachweisgrenzen (LODs) von 1,1 μM bzw. 1,8 μM nachweisen. Daher können beide Komplexe als einfache chemische D-Glucose-Sensoren dienen. Sie zeichnen sich durch hervorragende Selektivität, Empfindlichkeit und chirale Selektivität aus.

„Die entwickelten Fluoreszenzsensoren eignen sich zum selektiven Nachweis von D-Glucose und zur Unterscheidung von Glucose-Enantiomeren. Sie können möglicherweise auch als Diagnostiksysteme der nächsten Generation für Diabetes dienen, die mit winzigen Blutprobenmengen verwendet werden können, was bei der Blutentnahme von Säuglingen ein unverzichtbares Merkmal ist. Da ihre chemischen Strukturen recht einfach sind, werden diese Sensoren dazu beitragen, erschwingliche und reproduzierbare Kits für die Frühdiagnose zu entwickeln“, schließt Dr. Hayashita.

Referenz

【Titel der Originalarbeit】Erkennung von D-Glucose in Wasser mit ausgezeichneter Empfindlichkeit, Selektivität und chiraler Selektivität unter Verwendung von γ-Cyclodextrin und fluoreszierenden Boronsäure-Einschlusskomplexen mit einer Pseudo-Diboronsäure-Einheit

【Tagebuch】ACS-Sensoren

【DOI】10.1021/acssensors.2c02087

【Autoren】Yota Suzuki1, Yuji Mizuta1, Ayame Mikagi1, Tomoyo Misawa-Suzuki1, Yuji Tsuchido1,2, Tomoaki Sugaya3, Takeshi Hashimoto1, Kazuhiro Ema1 und Takashi Hayashita1

【Zugehörigkeiten】1Department of Materials and Life Sciences, Faculty of Science and Technology, Sophia University, 2Department of Life Science and Medical Bioscience, Graduate School of Advanced Science and Engineering, Waseda University (TWIns), 3Education Center, Faculty of Engineering, Chiba Institute of Technology

UmSophia-Universität

Die Sophia-Universität wurde 1913 als private jesuitische Universität gegründet und ist eine der renommiertesten Universitäten im Herzen von Tokio, Japan. Sophia vermittelt Bildung in 29 Abteilungen an 9 Fakultäten und 25 Hauptfächern an 10 Graduiertenschulen und beherbergt mehr als 13.000 Studenten aus der ganzen Welt.

Gegründet im Geiste „Für andere, mit anderen“, legt die Sophia University großen Wert auf Internationalität und Nachbarschaftlichkeit und glaubt an Bildung und Forschung, die über nationale, sprachliche und akademische Grenzen hinausgehen. Sophia betont die Notwendigkeit multidisziplinärer und Fusionsforschung, um Lösungen für die drängendsten globalen Probleme wie Klimawandel, Armut, Konflikte und Gewalt zu finden. Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat Sophia engagierte Anstrengungen unternommen, um zukunftsfähige Absolventen auszubilden, die ihre Talente und Erkenntnisse zum Wohle anderer einbringen und den Weg für eine nachhaltige Zukunft ebnen können, während sie gleichzeitig „die Welt zusammenbringen“.

Website: https://www.sophia.ac.jp/eng/

Über ProfessorTakashi Hayashitavon der Sophia-Universität

Takashi Hayashita ist Professor am Department of Materials and Life Sciences der Fakultät für Naturwissenschaften und Technologie der Sophia University. Er schloss seinen Ph.D. 1985 schloss er sein Studium an der Kyushu-Universität ab. Seitdem hat er rund 200 Forschungsarbeiten veröffentlicht, die tausendfach zitiert wurden. Dr. Hayashita ist derzeit Präsident der Japan Society for Analytical Chemistry und der Association for Research of Host-Guest and Supramolekulare Chemie. Kürzlich wurde ihm von der Japan Society of Ion Exchange der Contribution Award 2022 der Japan Society of Ion Exchange verliehen. Seine Forschungsgruppe arbeitet derzeit an der Entwicklung supramolekularer Chemosensoren zur Ionen- und Molekülerkennung in Wasser. Dazu gehören Chromo- und Fluorionophorkomplexe mit Cyclodextrin, Dendrimere und neuartige amphiphile Chemosensoren.

Über Dr.Yota Suzukivon der Sophia-Universität

Yota Suzuki ist Mitglied des Takashi Hayashita-Labors am Department of Materials and Life Sciences der Fakultät für Naturwissenschaften und Technologie der Sophia University. Er hat 13 Forschungsartikel veröffentlicht, die mehr als 50 Mal zitiert wurden. Seine Forschungsinteressen umfassen molekulare Erkennung, Sensoren, Ionophore, Fluoreszenz und Reaktionskinetik. Er hat kürzlich eine neuartige D-Glucose-Nachweismethode entwickelt, die Cyclodextrin- und Boronsäurerezeptoren nutzt.

Informationen zur Finanzierung

Diese Studie wurde finanziell durch ein JSPS-Forschungsstipendium für junge Wissenschaftler (21J00709), einen JSPS-Stipendium für wissenschaftliche Forschung (20H02772) und einen Sonderstipendium der Sophia University für akademische Forschung „Forschung in vorrangigen Bereichen“ unterstützt.

ACS-Sensoren

10.1021/acssensors.2c02087

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Erkennung von D-Glucose in Wasser mit ausgezeichneter Empfindlichkeit, Selektivität und chiraler Selektivität unter Verwendung von γ-Cyclodextrin und fluoreszierenden Boronsäure-Einschlusskomplexen mit einer Pseudo-Diboronsäure-Einheit

27. Januar 2023

Die Autoren erklären, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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