title: The pyrylium dyes: A new class of biolabels. Synthesis, spectroscopy, and application as labels and in general protein assay
Creators: name: Höfelschweiger, Bianca K.
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2005
Subjects: subject: Fluoreszenz , Abklingzeit , Fluoreszenzspektroskopie , Fluoreszenzfarbstoff , Fluoreszenzmarkierung , Chemische Synthese , Pyryliumsalz , Pyryliumfarbstoffe , Abklingzeitmessung , Fluoreszenzmarker , Fluorescence label , pyrylium dye , lifetime assay
subject: 540 Chemie

description: The aim of this work was the synthesis and the spectral and analytical characterization of pyrylium dyes. These can be used as labels, in hybridization assays, as stains in electrophoresis, and in general protein assays. The pyrylium group is introduced as a new amine-reactive group for fluorescent labels. Each dye contains only one pyrylium group and belongs either to the cyanine dyes or to the squaraines. Unlike in other labels, the reactive group is part of the chromophoric system. Thus, labeling also causes large spectral shifts. The Py dyes were characterized by absorption and emission spectra, molar absorbance, fluorescence quantum yield and fluorescence decay time. Three different pyrylium derivatives (2,6-dimethyl, 2,6-di-tert-butyl and 2,6-diphenyl pyrylium) were tested with respect to their reactivity to proteins. Only the pyrylium derivative with the sterically smallest residues (2,6-dimethyl) gives fast reaction rates with primary amines and only these dyes (Py-1 to Py-8 and Py-20) were used as covalent labels for proteins. The Py labels react easily with proteins but also with any other organic compounds containing a primary nucleophilic amino group. The oxonium atom in the pyrylium ring is exchanged by nitrogen to result in a pyridinium group. The Py labels undergo a significant shortwave shift of the absorption bands upon conjugation. They are virtually nonfluorescent before reaction with a primary amine but become highly fluorescent upon labeling. The representatives of the new dye class with a sterically hindered pyrylium moiety (Py-9, Py-11, Py-12, Py-13, and Py-18) showed a strong (noncovalent) association to HSA, but no distinct spectral difference between label and conjugate. The absorption maxima shift a few nm, only, and the increase in quantum yield (QY) upon conjugation is much smaller than detected upon covalent linkage. The spectral shift (which occurs upon conjugation of a Py label to a primary amine) and the increase of fluorescence intensity were used for qualitative and quantitative determination of proteins. Py-1 shows a short-wave shift in absorbance of over 100 nm and an increase in QY from &lt;1% to 40-50% dependent on the dye-to-protein ratio (DPR). These properties were used for general photometric and fluorimetric protein assays. Proteins in a gel matrix (here SDS gels) can be detected very sensitively by covalent attachment of Py-1 to the protein bands separated via SDS PAGE before or if pre-stained and detected on a fluorescence scanner, after electrophoresis. FRET-based binding studies were performed using fluorescently labeled oligonucleotides with either a Py label as a donor or acceptor, or in both positions. FRET is a self-referenced method, in which the ratio of two fluorescence intensities at one excitation wavelength can be related to the analyte. The concept of FLAA (fluorescence lifetime affinity assay) was introduced and represents a new self referenced method for detection of binding events of proteins or oligonucleotides. This affinity assay is based on the measurement of fluorescence lifetime in the ns time domain, and requires only one of the binding partners to be labeled. The decay times of the labels are dependent on their environment and therefore binding events can be detected by the change of the lifetimes. The assay was tested for the systems biotin � streptavidin, streptavidin � biotinylated BSA, IgG � anti-IgG, and complementary oligonucleotides. Assays were performed in solution and on solid supports. The labeled binding partner was attached to the well of a microplate and the analyte was added, which causes an increase in decay time. In addition, homogeneous hybridization assays with a Py-1 labeled oligonucleotide enabled the distinction of complementary oligonucleotides without, with a double or with a triple mismatch in their sequences. The label was also attached to the terminus of a hairpin oligonucleotide (a molecular beacon). The synthesis of MB with only one label is simple which is in contrast to FRET assays. Both intensity and the lifetime of the fluorescent label were found to be affected when hybridization to a complementary oligonucleotide occurred. Py-4_acid and Py-4_C18 were used for flow cytometric measurements and in a toxicity test. The dyes showed no toxicity compared to a toxic standard reagent (staurosporin). In addition, microscopic tests of cells stained with the two dyes showed that Py-4_acid is exclusively located in the cell nucleus.
description: Ziel dieser Arbeit war die Synthese und die spektrale und analytische Untersuchung von Pyryliumfarbstoffen (Py-Farbstoffen), die man als kovalente Biomarker und in proteinanalytischen Assays benutzen kann. Die Pyryliumgruppe wurde als neue amin-reaktive Gruppe in die Struktur von fluoreszierenden Farbstoffen eingeführt. Jeder der hier gezeigten Farbstoffe besitzt nur eine Pyryliumgruppe und gehört entweder zur Farbstoffklasse der Cyanine oder Quadratsäurefarbstoffe. Neu an diesen Py-Farbstoffen ist, dass die reaktive Gruppe Teil des chromophoren Systems ist, wodurch sie sich von den meisten anderen Biomarkern unterscheiden. Die Farbstoffe wurden durch ihre Absorptions- und Emissionsspektren, molaren Extinktionskoeffizienten, Quantenausbeuten und Abklingzeiten charakterisiert. Drei verschiedene Pyryliumderivate (2,6-Dimethyl, 2,6-Di-tert-butyl und 2,6-Diphenyl Pyrylium) wurden auf ihre Reaktivität mit Proteinen getestet. Nur das Pyryliumderivat mit dem sterisch kleinsten Rest (2,6-Dimethyl) zeigte eine schnelle Reaktion mit primären Aminen und nur die Farbstoffe, mit diesem Pyryliumrest (Py-1 bis Py-8 und Py-20) konnten zur kovalenten Markierung von Proteinen verwendet werden. Py-Farbstoffe reagieren sehr einfach und schnell mit Proteinen, aber ebenso mit jedem anderen organischen Molekül, dass eine primäre Amino-Gruppe trägt. Der Sauerstoff des Pyryliumrest wird dabei durch den Stickstoff des primären Amines ausgetauscht, d.h. aus einem Pyrylium- wird ein Pyridiniumrest im chromogenen System des Farbstoffes. Aus diesem Grund ändern Py-Farbstoffe ihre spektralen Eigenschaften durch Konjugation an Amine. Das Absorptionsmaximum der Farbstoffe wird kurzwelliger, und aus einem gering fluoreszierenden reaktiven Farbstoff wird ein stark fluoreszierendes Konjugat. Die Quantenausbeuten hängen von dem jeweiligen Reaktionspartner und, im Fall von Proteinen, von dem Farbstoff-zu-Proteinverhältnis ab. Die spektralen Unterschiede der freien Py-Farbstoffe und deren Konjugate an primären Aminen und der Anstieg der Fluoreszenz bei der Konjugation wurden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Proteinen genutzt. Py-1 zeigt eine kurzwellige Verschiebung des Absorptionsmaximums von über 100 nm und einen Anstieg der Quantenausbeute, von &lt;1% auf über 40% (abhängig von Bindungspartner und DPR) nach Konjugation. Deshalb wurde dieser Farbstoff zur photometrischen und fluorimetrischen Bestimmung von Proteinen in Lösung und in Gelen benutzt. FRET-Messungen an fluoreszenzmarkierten Oligonukleotiden wurden entweder mit einem Py-Farbstoff als Donor oder als Akzeptor oder an beiden Positionen durchgeführt. FRET ist eine selbstreferenzierte Methode bei der das Verhältnis der beiden Fluoreszenzintensitäten (von Donor und Akzeptor) bei einer Anregungswellenlänge auf die Konzentration des Analyten bezogen werden kann. Der FLAA stellt eine neue Methode zur Erkennung von Bindungsereignissen dar. Dieser Bindungsassay basiert auf der Messung von Fluoreszenzabklingzeiten im ns Bereich und erfordert, dass nur ein Bindungspartner fluoreszenzmarkiert ist. Die Abklingzeit der getesteten Marker ist stark abhängig von ihrer Umgebung und deshalb sehr sensitiv hinsichtlich neuer Bindungspartner. Der Assay wurde mit den Systemen Biotin - Streptavidin, Streptavidin - biotiniliertem BSA, IgG � anti-IgG, und an komplementären Oligonukleotiden getestet. Neben der Durchführung der Assays in Lösung wurden auch Assays an Festphase (Boden der Mikrotiterplatte) getestet, wobei der fluoreszenz-markierte Bindungspartner im Well immobilisiert und der Analyt zugegeben wurde. Aufgrund der Bindung des Analyten an das Fängermolekül, welches gleichzeitig zur Detektion dient, konnte eine Abklingzeitänderung des Py-Farbstoffes gemessen werden. Zudem war es in homogenen Hybridisierungsassays mit Py-1 als Marker an einem Oligonucleotid möglich, vollständig komplementäre Gegenstränge und Gegenstränge mit zwei Basen-Mißmatches voneinander zu unterscheiden. Py-1 wurde zudem an das Ende eines Oligonucleotides, das mit sich selbst die Form einer Haarnadel bildet, gebunden. Die Herstellung dieses molecular beacon (MB heißt wörtlich übersetzt molekulares Blinklicht) mit nur einem Fluoreszenzmarker ist vergleichsweise sehr einfach im Gegensatz zu zweifach markierten FRET MBs. Bei diesem einfach markierten MB konnte eine Bindung an einen komplementären Gegenstrang und damit ein Auffalten der Haarnadelform des MB, durch die Änderung der Fluoreszenzintensität und der Abklingzeit nachgewiesen werden. Py-4_acid und Py-4_C18 wurden zu Messungen im Flow-Cytometer und für Toxizitätsuntersuchungen benutzt. Diese Farbstoffe zeigten keine Zelltoxizität. Zusätzlich wurde durch mikroskopische Aufnahmen von gefärbten Zellen gezeigt, dass sich Py-4_acid ausschließlich in den Zellkern einlagert.