In der Biochemie definiert der Term „Multivalenz“ ein Konzept von gleichzeitigen und mehrfachen Erkennung-/Bindungsereignissen zwischen zwei (makro-)molekularen Gegenstücken. Da es sogar bei moderat potenten Liganden eine verbesserte Bindungsstärke ermöglicht, hat dieses Konzept weite Anwendung in der biomolekularen Entwicklung und dem Wirkstoffdesign gefunden. In der vorliegenden Arbeit, deren Fokus auf der Entwicklung multivalenter Modulatoren von biologischen und biotechnologischen Prozessen lag, wurde die Oligomerisierung funktioneller Moleküle durch die genetische Fusion oder enzymatische Kopplung mit Oligomerisierungsdomänen sowie durch eine nicht-kovalente coiled-coil Interaktion modifizierter Proteine mit multivalenten Biopartikeln erreicht. Die in den drei begutachteten Publikationen des kumulativen Teils zusammengefassten Ergebnisse dieser Doktorarbeit liefern einen Beitrag zu den synthetischen und biotechnologischen Werkzeugen und Methoden zur Generierung von multivalenten Architekturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Diese Studie kann konzeptionell in zwei unabhängige Forschungszweige unterteilt werden. Der Erste behandelt die Erforschung von Aviditäts-Effekten durch die Gerüstmolekül-basierte Oligomerisierung von therapeutisch relevanten Zielmolekül-bindenden Molekülen. Im zweiten Teil steht die Immobilisierung orthogonaler, biokatalytischer Kaskaden auf Biopartikeln im Mittelpunkt. In einer vorangegangen Forschungsarbeit wurde gezeigt, dass modifizierte Cystinknoten-Miniproteine, basierend auf dem Trypsin-Inhibitor McoTI-II aus der Kürbispflanze Momordica cochinchinensis, in der Lage sind, ein therapeutisch relevantes Zielmolekül, das cytotoxic T lymphocyte antigen 4 (CTLA-4), zu binden, jedoch mit geringer Affinität. Die Potenz dieser Binder kann entweder über aufwändige und langwierige Affinitätsmaturierung oder durch die Nutzung von Aviditätseffekten mittels Multimersierung verbessert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Bindemoleküle peptidischer Natur, unter diesen spezielle Oligopeptide und Cystinknoten-Miniproteine, durch genetische Fusion an oligovalente Gerüstproteine angebracht. Die Oligomerisierung des niedrig affinen CTLA-4 Binders, Cystin-Knoten MC-CT-010 (Kd = 3,7 µM), mit dem Fc-Teil des humanen IgG und der C-terminalen Oligomerisierungsdomäne des humanen C4b-Bindeproteins (C4BP) führte zu einer signifikanten Verbesserung der funktionellen Bindeaffinität. Insbesondere wurde für das heptavalente Fusionskonstrukt, bestehend aus dem C4BP Gerüstmolekül und dem Binder MC-CT-010, eine mehr als 400-fach verbesserte Kd von 8 nM erreicht. Um das Repertoire an Oligomeriserungsmethoden zu erweitern und eine modulare Anpassung multivalenter Architekturen zu ermöglichen, wurden funktionelle Moleküle mit den gewünschten oligovalenten Gerüstmolekülen durch eine Enzym-katalysierte Konjugation verknüpft. Hierzu wurde das Fc- und C4BP-Gerüstmolekül N- und/oder C-terminal mit peptidischen Erkennungssequenzen funktionalisiert, um eine anschließende Sortase A-katalysierte Ligation mit den Liganden von Interesse zu ermöglichen, welche das passende Gegenstück tragen. Diese Lego®-artige Strategie erlaubt eine schnelle Enzym-vermittelte Konjugation von funktionalen Monomeren an gewünschte Positionen am jeweiligen Gerüstmolekül. Durch die Anwendung dieser Strategie auf Todesrezeptor 5 (DR5) targetierende Peptide (DR5TPs) und die modifizierten Fc- und C4BP-Strukturgerüste, konnten dimere, tetramere und heptamere Konstrukte mit verbesserter Bindeeigenschaft gegenüber DR5 erzeugt werden. Diese Ergebnisse sind besonders im Bezug auf DR5 von Relevanz, da dieser auf Tumorzellen überexpremiert wird und durch seine Quervernetzung eine apoptotische Signalkaskade ausgelöst wird, die zum Zelltod führt. Interessanterweise wurde die stärkste Bindung an DR5 in vitro beobachtet, wenn DR5TP Liganden linear mit den Carboxytermini von C4BP verknüpft wurden. Des Weiteren zeigte das funktionalisierte Heptamer eine bemerkenswerte biologische Aktivität. Es induzierte Apoptose in lebenden COLO205 Tumorzellen bei einer effektiven Konzentration (EC50) von 3 nM. Wir konnten feststellen, dass die Ligandenzahl pro Gerüstmolekül sowie die räumliche Orientierung wesentlich für die biologische Aktivität von DR5-targetierenden Oligomeren sind. Im Allgemeinen ermöglicht die neu etablierte Plattform die schnelle Oligomerisierung funktioneller Proben und erleichtert eine Untersuchung des Einflusses von sterischen Faktoren und der Ligandendichte auf die Bindekapazität und Bioaktivität. Zusätzlich zu kovalent verknüpften oligomeren Konstrukten wurde eine nicht-kovalente Interaktion verwendet, um Enzym-beladene Biopartikel herzustellen und damit Biokatalysatoren für Kaskadenreaktionen in hoher Dichte und enger räumlicher Nachbarschaft auf einer Gerüstoberfläche zu platzieren. Die Trägerpartikel wurden von einem rekombinanten Polyhydroxyalkanoatsynthase (PhaC)-Fusionsprotein abgeleitet und präsentieren eine Vielzahl an negativ geladenen Ecoil-Helices auf ihrer Oberfläche. Die Immobilisierung einer enantioselektiven NADH-abhängigen Alkoholdehydrogenase aus Rhodococcus erythropolis und einer Formiatdehydrogenase aus Candida boidinii wurde durch die Interaktion ihrer aminoterminal angefügten Kcoil-Domänen mit dem entsprechenden Ecoil-Gegenstück auf der Oberfläche von PhaC-Partikeln erreicht. Das resultierende multimere und multifunktionelle System ermöglicht eine katalytische Kaskade für die stereoselektive Produktion von chiralen Alkoholen aus Ketonen – ein wichtiger Schritt in der Herstellung von Pharmazeutika und Feinchemikalien. Im Rahmen dieser Studie wurde die Präsenz von immobilisierten Proteinen auf den PhaC-Partikeln durch Rasterkraftmikroskopie ermittelt. Die Kaskadenreaktion auf der Partikeloberfläche wurde ebenfalls analysiert. So wurde ein vollständiger Umsatz von p-Chloroacetophenon zu (S)-4-Chloro-α-methylbenzylalkohol durch ADH bei paralleler Regenerierung des Kofaktors durch FDH mittels GC-MS Analyse der Reaktionsprodukte nachgewiesen. Des Weiteren wurde die Enantioselektivität der ADH durch die Immobilisierung auf den Partikeln nicht beeinträchtigt, wie GC-MS Analysen mit einer chiralen stationären Phase zeigten (ee > 99 %). Interessanterweise erlaubte die Verwendung eines wässrig-biphasischen Systems die Verwendung von konzentrierten Lösungen des hydrophoben Substrates in organischen Lösemitteln. Zusätzlich kann das Multienzymkonstrukt einfach an den jeweiligen funktionellen Prozess angepasst werden, da die aktiven Komponenten in verschiedenen Verhältnissen präsentiert werden können und ihre Orientierung durch die Positionierung der coiled-coil Komponente gesteuert werden kann.