Antibakterielle Komplexe und deren Synthese Jannis Portmann, Gymnasium St. Klemens, Ebikon
1 Zusammenfassung Durch Synthese sollten zwei verschiedene Liganden entstehen, welche dann mit Metallen komplexiert werden. Diese werden charakterisiert und auf ihre Wirksamkeit gegenüber lebenden Organismen getestet. 2 Einführung Mikroorganismen sind im menschlichen Körper weit verbreitet und an verschiedensten Orten anzutreffen. In der Medizin sind sie vor allem als Erreger bekannt; z.b. bilden diese auf Prothesen einen Biofilm, welcher unter Umständen einen Infekt verursachen kann. In dieser kurzen Forschungsarbeit geht es darum, eine Oberfläche zu synthetisieren, auf der sich keine, bzw. nur wenige Mikroorganismen anlagern und vermehren können. Es wird untersucht auf welche Weise ein solcher Stoff hergestellt werden kann. 3 Material & Methoden Im Folgenden wird die genauere Vorgehensweise erläutert. 3.1 Synthese von N, N`-(Dodecan-1,12-diyl)bis(1-(pyridin-2-yl)methanimin Die Synthese des Stoffes erfolgte in eigentlichen fünf Schritten: 1. Das 1,2-Diaminododecan (13.75 mmol) wurde in 50 ml Methanol gelöst. 2. Das 2-Pyridincaroxaldehyd (27.5 mmol) wurde mit einer Spritze dazugefügt. 3. Anschliessend wurde es über 4 Stunden zum Sieden erhitzt und dann abgekühlt. 4. Das Lösungsmittel wurde im Rotationsverdampfer so weit wie möglich entfernt. 5. Unter Vakuum wurde das restliche Lösungssmittel entfernt und das Produkt getrocknet. Das synthetisierte Produkt wurde danach analysiert und charakterisiert. Es wurde in einem ersten Schritt auf seine Masse untersucht (Massenspektrometer). Danach wurde seine Struktur noch auf seine Kernspinresonanz (NMR) untersucht ( 1 H- und 13 C-NMR) 1. 3.2 Synthese von N, N`-(Heptan-1,7-diyl)bis(1-(pyridin-3-yl)methanimin Abbildung 1 1,12-Diaminododecan und 2-Pyridincarboxldehyd reagieren unter Ausstoss von Wasser zu (N E,N 12 E)-N 1,N 12- bis(pyridin-2-ylmeathylin)dodecan-1,12-diamin 1 Siehe 4.1 (S.3) 2
Dises Synthese ist der Synthese von oben sehr ähnlich. 1. Das 1,7-Diaminoheptan (14.09mmol) wurden in 50ml Methanol gelöst 2. Das 3-Pyridincarboxaldehyd (28.76mmol) wurde mit der Spritze hinzugefügt 3. Darauf folgt ein Reflux über 4 Stunden, Auskühlen. 4. Das Lösungsmittel wurde im Rotationsverdampfer so weit als möglich entfernt. 5. Unter Vakuum wurde das restliche Lösungssmittel entfernt und das Produkt getrocknet. Das synthetisierte Produkt wurde danach analysiert und überprüft. Es wurde in einem ersten Schritt auf seine Masse untersucht (Massenspektrometer). Danach wurde seine Struktur in einem weiteren Schritt auf seine Kernspinresonanz (NMR) untersucht ( 1 H- und 13 C-NMR) 2. Abbildung 2 1,7-Diaminoheptan und 3-Pyridincarboxaldehyd reagieren unter Ausstoss von Wasser zu (1E,1 E)-N,N -(heptan-1,7-diyl)bis(1-(pyridin-3-yl)metanimin) 3.3 Komplexierung Der zuvor synthetisierte Ligand wurde mit verschiedenen Kupferlösungen 3 komplexiert. Dafür wurden je 2ml des in Methanol gelösten (0.25M) Liganden und sowohl 2ml jeder Kupferlösung als auch 4ml derselben in je 2 verschiedene Reaganzgläser gegeben. 3.4 Bakterien Um die Wirksamkeit an lebenden Organismen zu testen wurden Bakterien (E. Choli) vermehrt. Vom einem bestehenden Stamm wurde eine kleine Menge extrahiert und im Inkubationsofen bei 37 C über 16 Stunden vermehrt. Danach wurden die Bakterien auf einem Nährboden ausgestrichen und an einigen Orten mit dem Metallkomplex versehen. 4 Resultate 4.1 Synthese #1 Der synthetisierte Stoff wurde mit dem Massenspektrometer und NMR untersucht. Diese Überprüfungen bestätigen die erfolgreiche Synthese. 2 Siehe 4.2 3
4.2 Synthese #2 Auch der zweite synthetisierte Stoff wurde mit dem Massenspektrometer und NMR untersucht. Diese Überprüfungen bestätigten ebenfalls eine erfolgreiche Synthese. 4.3 Bakterien Die E. Coli-Bakterien wurden auf Agarplatten aufgetragen. Danach wurden kleine Mengen vom Komplex auf die Oberfläche gebracht. Wenn der Komplex keine antibakterielle Wirkung hat, wachsen die Bakterien normal (trübe Fläche). Wenn der Komplex jedoch antimikrobiell ist, dann ist ein klarer Kreis um den Komplex zu sehen, die sogenannte Inhibitationszone. Abbildung 3 Dunkle Stellen zeigen nichtbakterielle Zonen 3: Ligand komplexiert mit CuCl 2 (1:1) 4: Ligand komplexiert mit CuCl 2 (1:2) Abbildung 4 Dunkle Stellen zeigen nichtbakterielle Zonen 18: Ligand komplexiert mit CuCl 2 (in MeOH und 1:2) 12: Ligand komplexiert mit CuBr 2 (in MeOH und 1:2) 5 Diskussion Die Synthesen wurden erfolgreich durchgeführt und dies wurde wie oben erwähnt bestätigt. Die Resultate der Bakterienvermehrung sprechen eigentlich für sich. Sie zeigen die Wirkung von bereits kleinen Mengen metallhaltigen Komplex gegenüber E. Coli Bakterien auf einem Nährboden. Es ist jedoch noch offen, ob sich diese Wirkung auch im menschlichen Körper, z.b. auf einer Prothese im selben Rahmen entfalten könnte oder ob möglicherweise der Stoffwechsel menschlicher Zellen darurch beeinträchtigt werden könnte. Diese Punkte müssten noch weiter evaluiert werden um möglicherweise Verwendung auf Oberflächen von Prothesen Verwendung finden zu können. 4
6 Danksagung Ein Dank geht an alle Personen die mich bei dem Prozess dieses Projektes untestützt haben. Dies sind in erster Linie alle von der Universität Fribourg, speziell Sonja Kracht und Matthias Messerer, welche mich in dieser Woche aktiv betreut haben. Einen weiteren Dank möchte ich gegenüber Schweizer Jugend forscht aussprechen. Dank ihnen ist dieses Projekt überhaupt erst möglich geworden. 7 Literatur- & Quellenverzeichnis Sonja Eckhardt, Priscilla S. Brunetto, Jacinthe Gagnon, Magdalena Priebe, Bernd Giese und Katharina M. Fromm: Nanobio Silver: Its Interactions with Peptides and Bacteria, and Its Uses in Medicine, Department of Chemistry, University of Fribourg Joseph A. Lemire, Joe J. Harrison und Raymond J. Turner: Antimicrobial activity of metals: mechanisms, molecular targets and applications, Nature Reviews Microbiology 11, 371 384 (2013) 5