Life Science & Biochemistry

Ein breites Spektrum analytischer Methoden- und Analysenmöglichkeiten inkl. bildgebender Verfahren kommt hier zum Einsatz. Ein Beispiel ist die PET-Tomographie der Nuklearmedizin. Sie stellt Schnittbilder von lebenden Organismen dar. Life Science arbeitet also häufig interdisziplinär. Das kann auch die Human- und Sozialwissenschaften einschließen.

Für die Analytik stellt abcr hochreine biochemische Reagenzien und Lösungsmittel bereit. Diese kommen vor allem bei den verschiedenen Methoden der Chromatographie zum Einsatz. Dabei binden Liganden an die zu trennenden Biomoleküle. Die Liganden sind wiederum in Form von Resins mit der stationären Phase der Chromatographie-Säulen verknüpft. Beim Aufreinigen und Konzentrieren mittels chromatographischer Trennverfahren ergibt sich ein Problem: Die sterische Hinderung von großen Molekülen und dem an der festen Phase gebunden Liganden. Um dieses Problem zu umgehen, werden Spacer oder auch Linker eingesetzt. Sie dienen als verlängerter Arm zwischen fester Phase und dem Liganden. Hierdurch ist dieser besser zugänglich für das aufzureinigende Molekül.

Um Biomoleküle zu identifizieren und aufzureinigen, kommen zudem Elektrophorese-Methoden für DNA-Moleküle, Proteine und Aminosäuren mit anschließender Immundetektion oder einfache Färbemethoden zum Einsatz. Fluorophore können vielseitig eingesetzt werden. Sie lassen sich z.B. als Tracer und Fluoreszenzmarker verwenden, um bestimmte Struktur-Einheiten sichtbar zu machen. Fluorophore dienen auch als fluorogene Substrate für Enzyme. So lässt sich deren Aktivität messen. Häufig werden sie kovalent durch chemische Kupplung oder bioorthogonale Markierung an ein Zielmolekül gebunden. Das Zielmolekül lässt sich so in der Anwendung verfolgen.

Naturstoffe oder Biomoleküle bilden für die pharmazeutische Forschung und Industrie wichtige Grundbausteine, um neue wirksame Substanzen (new chemical entities) zu finden. Beispielsweise lassen sich aus achiralen Aminoalkoholen beta-Blocker und andere Arzneimittel herstellen. Enzyme als Biokatalysatoren kommen zur enantioselektiven Herstellung von pharmazeutisch aktiven Molekülen zum Einsatz. Natürliche Formen der Vitamine und ihrer Derivate und Analoga finden in der Forschung als Therapieansatz und -unterstützung Verwendung. Für die Herstellung von Cremes, Salben und Hilfsstoffen für Wirkstoffe dienen hochreine Ölsäuren als Schlüsselintermediate für Lipide. Aminosäuren, Nukleobasen, Kohlenhydrate und Steroide bilden molekulare Leitstrukturen. Daraus lassen sich Bibliotheken für potenzielle Wirkstoffe bilden. Diese Wirkstoffe umfassen Antibiotika, Inhibitoren und Substrate für Enzyme, Rezeptor-Antagonisten, synthetisch hergestellte Steroide und andere pharmakologisch wirksame Stoffe (API). Sowohl natürlich vorkommende als auch synthetisch hergestellte, unnatürliche Aminosäuren und ihre Derivate finden Anwendung in vielen Bereichen der Biologie, z.B. als essentieller Bestandteil von Nährmedien für Zellkulturen. Aminosäure-Derivate bieten ein vielfältiges Einsatzgebiet

• bei der Strukturaufklärung von Proteinen,
• als Hilfsstoffe und Stabilisatoren in der Medizin sowie als
• synthetische Peptidhormone und Antibiotika.

Oftmals bieten aber auch schon Peptidomimetika, die in ihrer Struktur etwas einfacher aufgebaut sind, bessere pharmakokinetische Wirkungen und eine erhöhte Stabilität im Organismus.

Für die gezielte Peptidsynthese ist die einfache Kondensation zweier Aminosäuren nicht möglich. Für die Peptidsynthese sind besondere Reagenzien nötig. Zur gezielten Verknüpfung der Aminogruppe der einen mit der Carboxylgruppe der zweiten Aminosäure müssen die restlichen funktionellen Gruppen mit Schutzgruppen blockiert werden. Häufig werden BOC-, Cbz- oder Fmoc-geschützte Aminosäuren eingesetzt. In der Folge können deren Aminogruppen nicht reagieren. Die notwendige Aktivierung der Carboxylgruppen erreicht man z.B. durch Einsatz von Dicyclohexylcarbodiimid (DCC). Ist das gewünschte Dipeptid entstanden, lassen sich die geschützten Aminosäuren von ihren Schutzgruppen befreien. Verwendung finden die synthetisch hergestellten Peptide in der medizinischen Forschung als Substrate sowie Inhibitoren von bestimmten Enzymen und als Antigene in der Immunologie. Inhibitoren kommen in der Pharmakologie zum Einsatz, um eine enzymatische Reaktion zu hemmen. In der Mikrobiologie lässt sich über solche Hemmstoffe bakterielles Wachstum unterdrücken.

Mit der Natur als Vorbild wurde die Click-Chemie als Synthesestrategie entwickelt, um auf effizienterem Weg selektiv Wirkstoffbibliotheken herstellen zu können. Die Motivation bestand darin, sich mehr auf die Funktion, als auf die Struktur zu fokussieren. Die Click-Chemie stellt eine Alternative zur langwierigen und kostenintensiven Carbonylchemie in der Wirkstofffindung und -entwicklung dar. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den Heteroatomverknüpfungen der Primärmetabolite. Sie stellen die Grundeinheiten von Polypeptiden, Polysacchariden und Polynucleotiden dar. Die Click-Chemie bedient sich starker thermodynamischer Triebkräfte, um selektiv und mit vollständigem Umsatz ein Produkt liefern zu können. Als Beispielreaktionen sind hier

• die Cycloadditionen ungesättigter Verbindungen wie Alkene, Alkine oder Nitrile mit Aziden,
• die nucleophile Öffnung gespannter Ringe wie Epoxiden, Aziridinen, Aziridiniumionen und Episulfiniumionen

zu nennen.

Nicht-aldolartige Carbonylreaktionen liefern aromatische Heterocyclen, Oxime, Hydrazone, Amide und Thioharnstoffe.

Weiterhin stellt sich im Bereich der Pharmakologie die Frage, wie Wirkstoffe an ihren Wirkungsort gelangen können und nur dort ihre Wirkung entfalten. Beim Drug Delivery werden verschiedene Transportsysteme entwickelt. Besonders im Blick dabei sind die Absorption, die Verteilung und der Abbau im Körper sowie die Art der Freisetzung.

Bereiche der Arzneimittel, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie können nicht auf Antioxidationsmittel verzichten. Diese verhindern den oxidativen Abbau sauerstoffempfindlicher Moleküle. In der Kunststoffindustrie werden solche Additive ebenfalls verwendet. Sie sollen die Degradation der Produkte verhindern und diese stabilisieren. Die Radikalfänger führen zum Abbruch von unkontrollierten Kettenreaktionen, indem sie reaktionsträge und stabile Radikale bilden. Mit Hilfe von Reduktionsmitteln werden die zu schützenden Substanzen in hydrophilen Matrices nicht oxidiert, da das eingesetzte Antioxidans für die Oxidation bevorzugt wird.