Kugelfisch: Wir produzieren keine Giftstoffe, wir sind nur die „Träger“ der Giftstoffe

Wenn es um Kugelfische geht, müssen Feinschmecker eine Hassliebe zu ihnen haben. Es ist köstlich, aber seine Giftigkeit ist erschreckend. Es ist über 1.000-mal giftiger als Kaliumcyanid und wirkt extrem schnell, sodass ein Mensch innerhalb von Minuten bis Stunden stirbt.

Kugelfisch im Ozean

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Diese Hassliebe zum Kugelfisch ist nicht nur unter Feinschmeckern verbreitet. Auch Chemiker teilen dieses Gefühl. Was uns gefällt, ist, dass Tetrodotoxin eine spezifische hemmende Wirkung auf die Nervenerregung hat und als hervorragender Nervenblocker eingesetzt werden kann, der in medizinischen Bereichen wie Analgesie und Anästhesie eine wichtige Rolle spielt; was wir hassen, ist, dass dieses Ding zu schwer zu synthetisieren ist! Als das Tetrodotoxin-Molekül 1972 erstmals im Labor synthetisiert wurde, waren 67 chemische Reaktionsschritte nötig, um eine Ausbeute von nur 1 % zu erreichen. Derart langwierige Schritte und derart geringe Erträge machen diesen Syntheseweg nahezu unpraktisch.

Können Chemiker also nichts tun? Natürlich nicht. Sie haben hart daran gearbeitet, die Anzahl der Schritte zu reduzieren und den Ertrag zu steigern. Im Juli dieses Jahres verkürzte eine in Science veröffentlichte Studie die Gesamtsyntheseschritte von Tetrodotoxin-Molekülen auf 22 Schritte bei einer Ausbeute von 11 % . Damit wird die Synthese von Tetrodotoxin industriell nutzbar und auch die Entwicklung neuer Medikamente auf Tetrodotoxin-Basis möglich.

Des einen Gift ist des anderen Honig

Warum ist Kugelfisch so giftig? Obwohl Tetrodotoxin in Kugelfischen vorkommt, ist der wahre Ursprung dieses Giftes nicht der Kugelfisch. Die Giftstoffe im Kugelfisch stammen hauptsächlich von den Mikroorganismen, die er frisst (und auch von symbiotischen, infektiösen Bakterien). Mit anderen Worten: Ein Großteil des Giftes des Kugelfisches wird auch mit der Nahrung aufgenommen. Tetrodotoxin kommt auch bei anderen Tieren vor, die sich ebenfalls von diesen Mikroorganismen ernähren, wie etwa Seesternen, Schnecken, Kröten usw. Allerdings verfügen diese Tiere über einen vollständigen „Anti-Gift“-Mechanismus in ihrem Körper, sodass es ihnen nach dem Verzehr des Giftes auch dann gut geht, wenn es durch den Mund in ihren Körper gelangt.

Giftiger Kugelfisch

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wenn Menschen Tetrodotoxin zu sich nehmen, haben sie nicht so viel Glück. Nachdem dieses Toxin in den menschlichen Körper gelangt ist, wirkt es schnell auf Nervenenden und Nervenzentren, blockiert die Natriumionenkanäle auf den Nervenzellmembranen und behindert die Nervenleitung, was zu Nervenlähmungen und zum Tod führt.

Seine Toxizität ist so stark, dass es mysteriös erscheint. Man fragt sich unweigerlich: Wie sieht ein so hochgiftiges Molekül aus?

Als die Giftigkeit des Kugelfischs erstmals bekannt wurde, blieb die Molekularstruktur des Kugelfischgifts aufgrund der Einschränkungen unvollkommener Analysemethoden ein Rätsel. Bereits 1909 beschrieben japanische Wissenschaftler die giftigen Bestandteile von Kugelfischeiern und nannten sie Tetrodotoxin (TTX), nach dem lateinischen Namen der Kugelfische, Tetraodontidae. Im Jahr 1938 extrahierten Wissenschaftler erstmals relativ reine Giftstoffe aus Kugelfischen. In den folgenden Jahrzehnten kannte man nur den Namen des Tetrodotoxins, nicht jedoch seine Struktur. Erst in den 1950er Jahren wurden die Monomerkristalle des Tetrodotoxins isoliert. Mehr als ein Jahrzehnt später, im Jahr 1964, berichteten auf einer internationalen Konferenz in Kyoto drei Forschungsteams – Tsuda Kyosuke von der Universität Tokio, Hirata Yoshimasa von der Universität Nagoya und Woodward von der Harvard University in den USA – gleichzeitig über die korrekte Struktur von Tetrodotoxin. Damit kam endlich das wahre Gesicht des Tetrodotoxins ans Licht.

Die chemische Formel des Tetrodotoxin-Moleküls lautet C11H17O8N3 und sein Molekulargewicht beträgt 319,27, was kein sehr großes Molekül ist. Jetzt sind Chemiker und Biologen noch interessierter: Dieses kleine Ding ist vielleicht nicht groß, aber es hat große Fähigkeiten! Lohnt es sich, es sorgfältig zu studieren?

Wie das Sprichwort sagt: „Des einen Arsen ist des anderen Honig.“ Oberflächlich betrachtet scheint Tetrodotoxin ein tödliches Gift zu sein, doch wenn es an der richtigen Stelle eingesetzt wird, kann es die wundersame Wirkung haben, „Gift mit Gift zu bekämpfen“.

Da Tetrodotoxin selektiv an die Natriumionenkanalrezeptoren auf der Oberfläche von Nervenzellmembranen binden kann und dadurch Aktionspotentiale blockiert und die Weiterleitung von Nervenerregungen hemmt, kann es zur Synthese einer Reihe von Medikamenten verwendet werden, die den Wirkungsmechanismus von Nervenzellmembranen steuern, die „Ruhe“ und „Erregung“ von Nervenzellen regulieren und schmerzstillende, anästhetische, beruhigende und andere Wirkungen haben. Darüber hinaus kann Tetrodotoxin auch als gutes Medikament gegen Drogensucht eingesetzt werden. Im Jahr 1998 entwickelte ein kanadisches Unternehmen erfolgreich ein neues Medikament zur Behandlung von Drogenabhängigkeit namens Tetrodin auf der Basis von Tetrodotoxin, das als bedeutende Pionierleistung im Kampf gegen Gift mit Gift gelten kann.

Wenn Chemiker in Schwierigkeiten stecken, ist keine funktionelle Gruppe unschuldig

Wir suchen in der biologischen Welt oft nach natürlichen Substanzen, die synthetische Chemikalien ersetzen können, da diese oft über exquisite Strukturen und spezifische Funktionen verfügen, die auf natürliche Weise entstehen, und wir diese Eigenschaften nutzen können, um unsere gewünschten Ziele zu erreichen. Als raffinierte Katalysatoren können beispielsweise biologische Enzyme eingesetzt werden. Sie sind präzise und effizient und ihre katalytische Aktivität und Selektivität übertreffen eine große Anzahl von Katalysatorprodukten, die im Labor sorgfältig synthetisiert wurden. Ein weiteres Beispiel: Die mRNA-Technologie kann den RNA-Regulationsmechanismus für Proteine ​​nutzen, um die gewünschten Proteinmoleküle zu produzieren, wodurch der Aufwand einer schrittweisen Produktion in der Werkstatt entfällt. Die Idee hinter diesen Arbeiten besteht darin, „künstlich synthetisierte Dinge“ durch „natürliche Dinge“ zu ersetzen, und die Synthese von TTX ist tatsächlich ein wenig „entgegengesetzt“ zu dieser herkömmlichen Idee – es geht darum, „künstliche“ Methoden zu verwenden, um TTX, ein „natürliches“ Neurotoxin, zu replizieren. Darüber hinaus ist die Synthese von TTX ziemlich schwierig.

TXX-Molekülstruktur

TTX ist ein ziemlich verwirrendes Molekül. Tatsächlich ist das Kohlenstoffgerüst des Moleküls nicht kompliziert. Es handelt sich lediglich um ein Cyclohexan mit C1- und C2-Seitenketten, doch im scharfen Kontrast dazu stehen die dicht gepackten funktionellen Gruppen darauf.

Erstens wird der ganz rechte Teil mit einem Stickstoffatom im Bild oben als Guanidiniumgruppe bezeichnet. Die Guanidingruppe ist der „Übeltäter“ für die Toxizität von TTX, da sie bei physiologischem pH-Wert positiv geladen wird und mit negativ geladenen Gruppen auf dem Natriumkanalrezeptorprotein interagiert.

Wenn Sie der Guanidingruppe in Richtung Zentrum folgen, sehen Sie eine käfigartige Struktur (das heißt, einen Teil, der aus zwei ineinander verschlungenen Sechsringen besteht). Dabei handelt es sich um ein Dioxacycloadamantan, welches auch die Kernstruktur von TTX darstellt.

Innerhalb und außerhalb dieses „Käfigs“ gibt es viele Hydroxylgruppen, die dem Molekül ebenfalls eine große Komplexität verleihen. Unter ihnen sind die Hydroxylgruppen in der Nähe der Guanidingruppe auch keine guten Dinge. Sie binden über Wasserstoffbrücken an die Rezeptoren des Natriumionenkanals und sind sozusagen „Komplizen“ bei der Produktion hochgiftiger Substanzen. Insgesamt besteht das gesamte Molekül aus 4 Ringen und 9 benachbarten Stereozentren.

Wenn es um die Kopfschmerzen von Chemikern geht, ist keine funktionelle Gruppe unschuldig. Die Dichte der funktionellen Gruppen und die hohe Stereospezifität machen die Synthese von TTX sehr schwierig. Daher genießt TTX im Bereich der synthetischen Chemie einen hohen Stellenwert und wird von Chemikern seit jeher als äußerst anspruchsvolles Forschungsziel angesehen.

Die ersten, die dies erfolgreich in Frage stellten, waren Kishi und Fukuyama von der Universität Nagoya in Japan. Im Jahr 1972 berichteten sie erstmals über die Totalsynthese des Racemats von Tetrodotoxin, ein Meilenstein in der organischen Synthese, der über 30 Jahre lang nicht übertroffen wurde . Nach mehr als 30 Jahren der Stagnation hat die Totalsynthese von TTX seit 2003 eine rasante Entwicklung erfahren. Mehrere Forschungsteams haben eine Vielzahl von Synthesewegen bereitgestellt und die Synthesestrategien kontinuierlich optimiert. Allerdings waren Effizienz, Ausbeute und Selektivität der TTX-Totalsynthese unbefriedigend.

Werfen wir einen Blick auf diese einfache und effiziente neue Route

Erst im Juli dieses Jahres veröffentlichte ein gemeinsames Team von Wissenschaftlern aus Deutschland, den USA und Japan diesen neuen Weg zur Totalsynthese von TTX in Science. Sie verwendeten ein Glucose-Derivat als Ausgangsmaterial und benötigten nur 22 Schritte, um TTX zu erhalten – vor allem überzeugten sie in puncto Einfachheit. Die andere Seite der Einfachheit ist die Praktikabilität und Wirtschaftlichkeit, was bedeutet, dass alle wunderbaren Einsatzmöglichkeiten von Tetrodotoxin, die wir uns vorstellen, wie etwa die Verwendung als Narkosemittel, als „Wundermittel“ zur Behandlung von Drogensucht usw., Wirklichkeit werden.

Wie viele klassische vollsynthetische Designs zeichnet sich auch dieser Weg durch erstaunliche Einfallsreichtum und designreiche Transformationen aus. Natürlich ist es für Außenstehende immer noch etwas verwirrend, auch wenn die Reaktionsschritte „deutlich“ auf „nur“ 22 Schritte reduziert wurden. Glücklicherweise fasste das Forschungsteam diese 22 Schritte in der Arbeit in vier Hauptschritte zusammen und erläuterte seine Synthesestrategie auf ergebnisorientierte, umgekehrte Argumentationsbasis.

Wenn wir diesen TTX-Syntheseweg mit den vier Workshops einer Produktionslinie in einer Fabrik vergleichen, dann sollte das Produkt des letzten Workshops TTX sein. Rückwärts betrachtet ist der Reaktant, der in die vierte Werkstatt gelangt, Alkinylisoxazolidin (dargestellt durch 1), das in der vierten Werkstatt eine Oxidationsreaktion durchläuft – natürlich ist 1 als Reaktant in der vierten Werkstatt auch ein Produkt der dritten Werkstatt.

Arbeiten Sie sich nun rückwärts zu Workshop 3 vor. Um am Ende von Workshop 3 1 zu erhalten, kann bicyclisches Isoxazolin (dargestellt durch 2) als Reaktant in den Workshop eingeführt werden, um eine nukleophile Alkinyl-Additionsreaktion durchzuführen.

Die nächste Frage ist, wie man im 2. Workshop 2 bekommt. Im Workshop 2 spielt Nitromethan eine Schlüsselrolle. Wir können verstehen, dass es sich seit langer Zeit in Werkstatt 3 befindet und nur darauf wartet, dass 3 hereinkommt, damit es mit ihm eine intramolekulare 1,3-Cycloadditionsreaktion eingehen kann, um 2 zu erhalten. Daher sind die Reaktanten und Produkte von Werkstatt 2 jeweils 3 und 2.

Obwohl 3 der Ausgangspunkt für einen vollständigen Syntheseweg zu sein schien, fand das Forschungsteam ein geeigneteres Ausgangsmaterial als 3 – ein Glucosederivat (dargestellt durch 4). Wenn dieser Weg mit 4 als Ausgangsmaterial abgeschlossen wird, bleiben alle Kohlenstoffe und zwei Stereozentren durchgehend erhalten, sodass der Arbeitsaufwand der nachfolgenden Workshops etwas geringer und weniger schwierig sein wird. In Workshop 1 findet also eine Transformation von 4 zu 3 statt.

Zu diesem Zeitpunkt ist dieser neue Weg zur Totalsynthese von TTX abgeschlossen. Mit 22 Schritten und einer Ausbeute von 11 % hat es einen Rekord für die kürzeste Route und die höchste Effizienz in der Geschichte aufgestellt . Wofür kann es also verwendet werden?

Erstens ist es aufgrund seiner hohen Effizienz für die industrielle Anwendung wertvoll und kann den Grundstein für die Entwicklung neuer Medikamente auf Tetrodotoxin-Basis legen. Darüber hinaus gibt es zu Tetrodotoxin tatsächlich eine Reihe von Analoga. Durch leichte Modifikationen dieses Verfahrens können auch andere, schwer erhältliche Tetrodotoxin-Analoga synthetisiert werden. Darüber hinaus gibt es in vielen Bereichen wie Biologie, Ökologie, Toxikologie, Neurowissenschaften usw. noch viel zu Tetrodotoxin zu erforschen. Diese Arbeit kann als Inspiration für die Forschung in anderen Bereichen dienen!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Gu Miaofei (Science Pictorial)

Hersteller: China Science Expo