Synlett 2011(13): 1798-1815  
DOI: 10.1055/s-0030-1260946
ACCOUNT
© Georg Thieme Verlag Stuttgart ˙ New York

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

Carsten Schmuck*
University of Duisburg-Essen, Institute of Organic Chemistry, 45117 Essen, Germany
Fax: +49(201)1834259; e-Mail: carsten.schmuck@uni-due.de;
Further Information

Publication History

Received 1 March 2011
Publication Date:
14 July 2011 (online)

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

    References

  • 1 Roth WR. Staemler V. Neumann N. Schmuck C. Liebigs Ann.  1995,  1061 
  • 2 Breslow R. Artificial Enzymes   Wiley-VCH; Weinheim: 2005. 
  • 3a Breslow R. J. Phys. Org. Chem.  2006,  19:  813 
  • 3b Chandler D. Nature (London)  2005,  437:  640 
  • 4 Breslow R. Schmuck C. J. Am. Chem. Soc.  1996,  118:  6601 
  • 5a Süssmuth RD. Med. Chem. Bioact. Nat. Prod.  2006,  35 
  • 5b Nicolaou KC. Boddy CNC. Bräse S. Winssinger N. Angew. Chem. Int. Ed.  1999,  38:  2096 
  • 5c Williams DH. Bardsley B. Angew. Chem. Int. Ed.  1999,  38:  1172 
  • 6 Walsh CT. Fisher SL. Park I.-S. Prahalad M. Wu Z. Chem. Biol.  1996,  3:  21 
  • 7a Schneider HJ. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.  1993,  32:  848 
  • 7b Webb TH. Wilcox CS. Chem. Soc. Rev.  1993,  22:  383 
  • See also a special issue on molecular recognition:
  • 7c Chem. Rev.  1997,  97:  1231 
  • 8a Prins L.-J. Reinhoudt DN. Timmerman P. Angew. Chem. Int. Ed.  2001,  40:  2382 
  • 8b Williams DH. Westwell MS. Chem. Soc. Rev.  1998,  27:  57 
  • 9a Rehm T. Schmuck C. Chem. Commun. (Cambridge)  2008,  801 
  • 9b Oshovsky GV. Reinhoudt DN. Verboom W. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  2366 
  • 9c Kubik S. Reyheller C. Stuewe S. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem.  2005,  52:  137 
  • 10a Nicolaou KC. Mitchell HJ. Jain NF. Winssinger N. Hughes R. Bando T. Angew. Chem. Int. Ed.  1999,  38:  240 
  • 10b Evans DA. Wood MR. Trotter BW. Richardson TI. Barrow JC. Katz JL. Angew. Chem. Int. Ed.  1998,  37:  2700 
  • 10c Evans DA. Dinsmore CJ. Watson PS. Wood MR. Richardson TI. Trotter BW. Katz JL. Angew. Chem. Int. Ed.  1998,  37:  2704 
  • 10d Boger DL. Miyazaki S. Heon KimS. Wu JH. Castle SL. Loiseleur O. Jin Q. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  10004 
  • 11 McComas CC. Crowley BM. Boger DL. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  9314 
  • 12 Schmuck C. Coord. Chem. Rev.  2006,  250:  3053 
  • 13a Schmuck C. Bickert V. Merschky M. Geiger L. Rupprecht D. Dudaczek J. Wich P. Rehm T. Machon U. Eur. J. Org. Chem.  2008,  324 
  • 13b Schmuck C. Rupprecht D. Synthesis  2007,  3095 
  • For some examples, see:
  • 14a Schmuck C. Geiger L. Chem. Commun. (Cambridge)  2005,  772 
  • 14b Schmuck C. Graupner S. Tetrahedron Lett.  2005,  46:  1295 
  • 14c Schmuck C. Machon U. Chem. Eur. J.  2005,  11:  1109 
  • 14d Schmuck C. Dudaczek J. Tetrahedron Lett.  2005,  46:  7101 
  • 15 Schmuck C. Chem. Commun. (Cambridge)  1999,  843 
  • 16 Schmuck C. Eur. J. Org. Chem.  1999,  2397 
  • 17 Schmuck C. Chem. Eur. J.  2000,  6:  709 
  • 18 Moiani D. Cavallotti C. Famulari A. Schmuck C. Chem. Eur. J.  2008,  14:  5207 
  • 19 Schmuck C. Rupprecht D. Wienand W. Chem. Eur. J.  2006,  12:  9186 
  • 20 Schmuck C. Wienand W. Synthesis  2002,  655 
  • 21 Schmuck C. Geiger L. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  8898 
  • 22 Murakami Y. Tani M. Ariyasu T. Nshiyama C. Watanabe T. Yokoyama Y. Heterocycles  1988,  27:  1855 
  • 23 Hynes RO. Cell  2002,  110:  673 
  • 24 Schmuck C. Rupprecht D. Junkers M. Schrader T. Chem. Eur. J.  2007,  13:  6864 
  • 25a Thompson LA. Ellman JA. Chem. Rev.  1996,  96:  555 
  • 25b Balkenhohl F. von dem Busche-Hünnefeld C. Lansky A. Zechel C. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.  1996,  35:  2288 
  • 25c Lowe G. Chem. Soc. Rev.  1995,  24:  309 
  • 26a Schreiber SL. Burke MD. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  46 
  • 26b Breinbauer R. Vetter IR. Waldmann H. Angew. Chem. Int. Ed.  2002,  41:  2878 
  • 27 Schmuck C. Wich P. Top. Curr. Chem.  2007,  277:  3 
  • 28 Schmuck C. Wich P. New J. Chem.  2006,  30:  1377 
  • 29a Schmuck C. Heil M. Org. Biomol. Chem.  2003,  1:  633 
  • 29b Schmuck C. Heil M. ChemBioChem.  2003,  4:  1232 
  • 30 Schmuck C. Frey P. Heil M. ChemBioChem  2005,  6:  628 
  • 31 Schmuck C. Heil M. Chem. Eur. J.  2006,  12:  1339 
  • 32 Schmuck C. Heil M. Scheiber J. Baumann K. Angew. Chem. Int. Ed.  2005,  44:  7208 
  • 33 Schmuck C. Wich P. Angew. Chem. Int. Ed.  2006,  45:  4277 
  • 35 Mammen M. Choi S.-K. Whitesides GM. Angew. Chem. Int. Ed.  1998,  37:  2754 
  • 36a Pereira PJB. Bergner A. Macedo-Ribeiro S. Huber R. Matschiner G. Fritz H. Sommerhoff CP. Bode W. Nature (London)  1998,  392:  306 
  • 36b Sommerhoff CP. Bode W. Pereira PJB. Stubbs MT. Stürzebecher J. Piechottka GP. Matschiner G. Bergner A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  1999,  96:  10984 
  • For some examples, see:
  • 37a Schaschke N. Dominik A. Matschiner G. Sommerhoff CP. Bioorg. Med. Chem. Lett.  2002,  12:  985 
  • 37b Selwood T. Elrod KC. Schechter NM. Biol. Chem.  2003,  384:  1605 
  • 37c Thongyoo P. Bonomelli C. Leatherbarrow RJ. Tate EW. J. Med. Chem.  2009,  52:  6197 
  • 37d Sommerhoff CP. Avrutina O. Schmoldt H.-U. Gabrijelcic-Geiger D. Diederichsen U. Kolmar H. J. Mol. Biol.  2010,  395:  167 
  • 38 Ohsaki M. Okuda T. Wada A. Hirayama T. Niidome T. Aoyagi H. Bioconjugate Chem.  2002,  13:  510 
  • 39a Crowley JI. Rapoport H. J. Am. Chem. Soc.  1970,  92:  6363 
  • 39b Crowley JI. Rapoport H. Acc. Chem. Res.  1976,  9:  135 
  • 40 Machon U. Büchold C. Stempka M. Schirmeister T. Gelhaus C. Leippe M. Gut J. Rosenthal PJ. Kisker C. Leyh M. Schmuck C. J. Med. Chem.  2009,  52:  5662 
  • 41a Meldal M. Tetrahedron Lett.  1992,  33:  3077 
  • 41b Renil M. Ferreras M. Delaisse JM. Foged NT. Meldal M. J. Pept. Sci.  1998,  4:  195 
  • 42a Peczuh MW. Hamilton AD. Chem. Rev.  2000,  100:  2479 
  • 42b Zhou H. Baldini L. Hong J. Wilson AJ. Hamilton AD. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  2421 
  • 42c Yin H. Hamilton AD. Angew. Chem. Int. Ed.  2005,  44:  4130 
  • 43 Wich PR. Schmuck C. Angew. Chem. Int. Ed.  2010,  49:  4113 
  • 44a Hernandez-Folgado L. Schmuck C. Tomić S. Piantanida I. Bioorg. Med. Chem. Lett.  2008,  18:  2977 
  • 44b Hernandez-Folgado L. Baretić D. Piantanida I. Marjanović M. Kralj M. Rehm T. Schmuck C. Chem. Eur. J.  2010,  16:  3036 
  • 45a Dervan PB. Bioorg. Med. Chem.  2001,  9:  2215 
  • 45b Dervan PB. Edelson BS. Curr. Opin. Struct. Biol.  2003,  13:  284 
  • 46 Gröger K. Baretić D. Piantanida I. Marjanović M. Kralj M. Grabar M. Tomić S. Schmuck C. Org. Biomol. Chem.  2011,  9:  198 
  • 47 Kuchelmeister HY. Schmuck C. Eur. J. Org. Chem.  2009,  4480 
  • 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 
  • 49c Baudoin O. Gonnet F. Teulade-Fichou M.-P. Vigneron J.-P. Tabet J.-C. Lehn J.-M. Chem. Eur. J.  1999,  5:  2762 
  • 49d Niikura K. Metzger A. Anslyn EV. J. Am. Chem. Soc.  1998,  120:  8533 
  • 49e Sebo L. Diederich F. Helv. Chim. Acta  2000,  83:  93 
  • 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 
  • 69a Ciferri A. Macromol. Rapid Commun.  2002,  23:  511 
  • 69b de Greef TFA. Smudlers MMJ. Wolffs M. Schenning APHJ. Sijbesma RP. Meijer EW. Chem. Rev.  2009,  109:  5687 
  • 69c ten Cate AT. Sijbesma RP. Macromol. Rapid Commun.  2002,  23:  1094 
  • 70 Sijbesma RP. Beijer FH. Brunsveld L. Folmer BJB. Hirschberg JHKK. Lange RF. Lowe JKL. Meijer EW. Science (Washington, DC, U.S.)  1997,  278:  1601 
34

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