A Journey through 12 Years of Interacting Molecules: From Artificial Amino Acid Receptors to the Recognition of Biomolecules and Switchable
Nanomaterials

Abstract

Research in supramolecular chemistry has been carried out in my laboratory for the past 12 years. Intrigued by the fascinating power of supramolecular chemistry, as seen in biomolecular recognition events in nature, we started out by trying to mimic the basic principles of such recognition events in small artificial model systems. Our first targets were amino acids and oligopeptides. We then moved on to proteins and nucleic acids, and we started to develop supramolecular systems that, besides simple binding, also featured functions, e.g. shutting down enzymes or allowing gene delivery into cells. In recent years and in a completely different yet related field, we have begun to develop self-assembling nanomaterials. The basic idea for this derived from an accidental discovery of the interesting self-assembling properties of a simple zwitterion, which was a synthetic intermediate on the route to our amino acid receptors. This personal account summarizes this journey and is intended not only to present the most-important findings from our laboratory so far, but also to shed light on how all these projects developed over the years and how our journey took us to where we are now.

1 Introduction

2 How It All Began

3 The Beginning: The Design of a New Oxoanion Binding Site

4 Tailor-Made Receptors for Small Peptides

5 Combinatorial Development of Peptide Receptors

6 From Small Peptides to Proteins

7 Nucleic Acids as Targets

8 Self-Assembling Zwitterions

9 pH-Switchable Nanostructures

10 Conclusion

Key words

supramolecular chemistry - molecular recognition - self-assembly - host-guest chemistry - combinatorial chemistry

References

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• For some examples, see:
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• 37b Selwood T. Elrod KC. Schechter NM. Biol. Chem.  2003,  384:  1605 
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• 48 Kuchelmeister HY. Schmuck C. Chem. Eur. J.  2011,  17:  5311 
• For some selected examples, see:
• 49a Bazzicalupi C. Bencini A. Biagini S. Faggi E. Meini S. Giorgi C. Spepi A. Valtancoli B. J. Org. Chem.  2009,  74:  7349 
• 49b Delépine A.-S. Tripier R. Handel H. Org. Biomol. Chem.  2007,  6:  1743 
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• 50 Schmuck C. Wienand W. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  452 
• 51 Schlund S. Schmuck C. Engels B. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  11115 
• 52 For one of the first examples, see: Carter PJ. Winter G. Wilkinson AJ. Fersht AR. Cell  1984,  38:  835 
• 53 Cockroft SL. Hunter CA. Chem. Soc. Rev.  2007,  36:  172 
• 54 Rether C. Sicking W. Boese R. Schmuck C. Beilstein J. Org. Chem.  2010,  6:  No. 3 
• 55 Schmuck C. Bickert V. Org. Lett.  2003,  5:  4579 
• 56 Kolb HC. Finn MG. Sharpless BK. Angew. Chem. Int. Ed.  2001,  40:  2004 
• 57 Schmuck C. Rehm T. Gröhn F. Klein K. Reinhold F. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  1430 
• 58 Schmuck C. Rehm T. Klein K. Gröhn F. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  1693 
• 59 Fuhrhop J.-H. Wang T. Chem. Rev.  2004,  104:  2901 
• For some selected examples, see:
• 60a Reches M. Gazit E. Science (Washington, DC, U.S.)  2003,  300:  625 
• 60b Kol N. Adler-Abramovich L. Berlam D. Shneck R. Gazit E. Rousso I. Nano Lett.  2005,  5:  1343 
• 60c Gosh S. Reches M. Gazit E. Verma S. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  2002 
• 60d Yan X. He Q. Wang K. Duan L. Cui Y. Li J. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  2431 
• 61 Rehm T. Stepanenko V. Zhang X. Würthner F. Gröhn F. Klein K. Schmuck C. Org. Lett.  2008,  10:  1469 
• 62 Rodler F. Linders J. Fenske T. Rehm T. Mayer C. Schmuck C. Angew. Chem. Int. Ed.  2010,  49:  8747 
• 63a Ravoo BJ. Darcy R. Angew. Chem. Int. Ed.  2000,  39:  4324 
• 63b Voskuhl J. Ravoo BJ. Chem. Soc. Rev.  2009,  38:  495 
• 64 Voskuhl J. Fenske T. Stuart MCA. Wibbeling B. Schmuck C. Ravoo BJ. Chem. Eur. J.  2010,  16:  8300 
• 65 Rehm T. Schmuck C. Chem. Soc. Rev.  2010,  39:  3597 
• 66 Merschky M. Wyszogrodzka M. Haag R. Schmuck C. Chem. Eur. J.  2010,  16:  14242 
• 67 Gröger G. Stepanenko V. Würthner F. Schmuck C. Chem. Commun. (Cambridge)  2009,  698 
• 68a Hofmeier H. Schubert US. Chem. Commun. (Cambridge)  2005,  2423 
• 68b Schmittel M. Mahata K. Angew. Chem. Int. Ed.  2008,  47:  5284 
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The term ‘Gulliver effect’ is often used in supramolecular chemistry to describe the simultaneous effect of several weak interactions for binding a substrate: See also ref. 8a