The plant cell wall is the outer-layer of the cell and controls its volume and
shape. It plays an important structural role and is involved in the plant’s
immune response against pathogens. Plant cell walls are composed of a mixture
of simple and complex biopolymers that are mainly comprised of highly complex
polysaccharides. Well-defined oligosaccharides related to plant cell wall
polysaccharides are fundamental molecular tools for studying cell wall
structure and biosynthesis, but are difficult to obtain from natural sources.
The chemical synthesis of plant oligosaccharide libraries is thus a promising
approach for advancing cell wall research. Automated glycan assembly is a
powerful emerging technique for the solid-phase synthesis of oligosaccharides.
Through the iterative addition of different building blocks (BB) to a
functionalized solid support, glycans of different lengths and branching
patterns can be produced. In this work, automated glycan assembly has been
used to obtain well-defined oligosaccharide fragments of the cell wall
polysaccharides xyloglucan (XG) and mixed-linkage glucan (MLG). These
compounds were applied for the characterization of cell wall glycan-directed
monoclonal antibodies and cell wall-modifying enzymes. In Chapter 2, which
constitutes the main part of this thesis, the synthesis of XG oligosaccharides
is described. XGs are the main hemicellulosic polysaccharides in higher
plants. They are made of a cellulosic backbone highly decorated with xylose
residues that can be further substituted with galactose and fucose. Initially,
we tested the possibility to use exclusively monosaccharide BBs for the
assembly of the target oligosaccharides. However, this approach did not
provide good -stereoselectivity when glycosylating backbone glucose residues
with xylose. Therefore, a disaccharide BB carrying a pre-installed
-glycosidic linkage between glucose and xylose was synthesized. Using this
disaccharide BB a library of XG oligosaccharides was successful prepared. To
synthesize galactosylated XG oligosaccharides p-methoxybenzyl was used at the
C2-position of the xylose. This represents the first example for the use of
this temporary protecting group in automated glycan assembly. In collaboration
with Dr. Ruprecht, the synthetic XG oligosaccharides were used for the
characterization of monoclonal antibodies (mAbs) that recognize cell wall
polysaccharides and for determining the binding specificities of xyloglucan
endotransglycosylases (XETs), important enzymes involved in remodeling the
cell wall during cell growth. In chapter 3, a library of MLG oligosaccharides
was synthesized by automated glycan assembly. MLGs are an important class of
hemicellulose polymers present in grass and cereals. They are constructed from
a backbone of cellulosic oligosaccharide stretches randomly connected by
-1,3-glycosidic linkages. Using two differently protected glucose building
blocks, a library of MLG oligosaccharides up to an octasaccharide was
synthesized. MLGs are degraded by an enzyme named lichenase, which can be used
to characterize the composition of MLG polysaccharides and is used in
industrial processes such as brewery and animal feed production. The synthetic
MLG oligosaccharides represented ideal substrates to investigate the substrate
specificity of lichenase, and recent reconsiderations on the specificity of
lichenase were confirmed.Die Pflanzenzellwand ist die äußere Zellschicht und bestimmt ihr Volumen und
ihre Form. Sie hat eine wichtige strukturgebende Rolle und ist in die
Immunreaktion gegen Krankheitserreger involviert. Pflanzenzellwände bestehen
aus einer Vielzahl einfacher und komplexer Biopolymere, die hauptsächlich
hochkomplexe Polysaccharide beinhalten. Kurze Oligosaccharid-Fragmente von
Polysacchariden aus der Pflanzenzellwand dienen als fundamentale molekulare
Hilfsmittel, um die Struktur und Biosynthese von Pflanzenzellwänden zu
untersuchen, wobei strukturell definierte und reine Oligosaccharide nur
schwierig aus natürlichen Quellen zu gewinnen sind. Die chemische Synthese von
Pflanzenoligosaccharid-Bibliotheken ist deshalb ein vielverspechender Ansatz,
um die Forschung an der Pflanzenzellwand voranzubringen. Automatische
Oligosaccharidsynthese ist eine leistungsfähige Technik, um Oligosaccharide an
der Festphase zu synthetisieren. Durch die iterative Zugabe von verschiedenen
Bausteinen zu einem funktionalisierten festen Trägermaterial können Glykane
mit verschiedenen Längen und Verzweigungen synthetisiert werden. In dieser
Arbeit wurde automatische Festphasensynthese benutzt, um definierte
Oliogosaccharid-Fragmente der Zellwandpolysaccharide Xyloglukan (XG) und
Glukane mit gemischten Verknüpfungen (MLG) zu erhalten. Diese Verbindungen
fanden Anwendung in der Charakterisierung von monoklonalen Antikörpern, die
Zellwandpolysaccharide erkennen, und Enzymen, die die Zellwand modifizieren.
Kapitel 2, welches den Hauptteil dieser Arbeit umfasst, beschreibt die
Synthese von XG-Oligosacchariden. XG sind die am häufigsten vorkommenden
hemicellulosischen Polysaccharide in vaskulären Pflanzen. Sie bestehen aus
einem Celluloserückgrat, welches mit Xyloseeinheiten dekoriert ist, die
wiederum mit Galaktose und Fukose substituiert sein können. Zuerst wurde die
Möglichkeit getestet, die Zielstrukturen ausschließlich aus Monosaccharid-
Bausteinen zu synthetisieren. Bei diesem Ansatz wurde allerdings keine gute
-Stereoselektivität in der Glykosylierung von Glukoseeinheiten des Rückgrats
mit Xylose erzielt. Deshalb wurde ein Disaccharid-Baustein genutzt, in dem die
-glykosidische Bindung zwischen Glukose und Xylose bereits vorinstalliert
war. Durch die Verwendung dieses Disaccharid-Bausteins wurde eine Bibliothek
von XG-Oligosacchariden erfolgreich synthetisiert. Um Galaktose-substituierten
XG Oligosaccharide zu synthetisieren, wurde p-Methoxybenzyl in der C2-Position
von Xylose genutzt. Dies ist das erste Beispiel für die Verwendung dieser
temporären Schutzgruppe in der automatischen Oligosaccharid-
Festphasensynthese. In einer Kollaboration mit Dr. Ruprecht wurden die
synthetisierten XG-Oligosaccharide für die Charakterisierung von monoklonalen
Antikörpern (mAbs), die Zellwandpolysaccharide erkennen, genutzt. Außerdem die
wurden die Bindungsspezifitäten von Xyloglucan-Endotransglycosylasen (XET)
bestimmt, die wichtige Enzyme, der Zellwand während des Zellwachstums sind in
der Reorganisation. In Kapitel 3 wird die Festphasensynthese einer Bibliothek
von MLG-Oligosacchariden beschrieben. MLG sind eine wichtige Klasse von
Hemicellulosepolymeren in Gräsern und Getreide. Sie bestehen aus einem
Rückgrat von Cellulose-Oligosaccharidabschnitten, die unregelmäßig durch
-1,3-glykosidische Bindungen verknüpft sind. Indem zwei unterschiedlich
geschützte Glukosebausteine verwendet wurden, konnte eine Bibliothek von MLG-
Oligosacchariden bis zur Länge eines Oktasaccharids synthetisiert werden. MLG
werden durch das Enzym Lichenase abgebaut, welches für die Charakterisierung
der strukturellen Zusammensetzung von MLG-Polysacchariden genutzt werden kann,
und in industriellen Prozessen wie dem Brauwesen und in der
Futtermittelproduktion genutzt wird. Die synthetischen MLG-Oligosaccharide
stellten ideale Substrate dar, um die Substratspezifitäten von Lichenase zu
untersuchen und um jüngste Neubewertungen der Spezifität von Lichenase zu
bestätigen
