Functionalized बीआईएस - पेप्टाइड की ठोस चरण संश्लेषण पद्धति का प्रयोग "सुरक्षा पकड़ो"

Pfeiffer, C. T., Schafmeister, C. E. Solid Phase Synthesis of a Functionalized Bis-Peptide Using "Safety Catch" Methodology. J. Vis. Exp. (63), e4112, doi:10.3791/4112 (2012).

1962 में, आरबी Merrifield पहले एक उपन्यास मार्ग के रूप में ठोस चरण पेप्टाइड संश्लेषण प्रक्रिया का उपयोग करने के लिए कुशलतापूर्वक पेप्टाइड्स synthesize करने प्रकाशित. इस तकनीक को जल्दी से दोनों समय और श्रम में अपने पूर्ववर्ती समाधान चरण अधिक लाभप्रद साबित कर दिया. ठोस समर्थन की प्रकृति के विषय में सुधार, रक्षा समूहों को रोजगार और युग्मन पिछले पांच दशकों से अधिक नियोजित तरीके केवल Merrifield मूल प्रणाली की उपयोगिता में वृद्धि हुई है. आज, एक सुरक्षा BOC आधारित और आधार / nucleophile cleavable राल रणनीति या Fmoc आधारित सुरक्षा और अम्लीय cleavable राल रणनीति का उपयोग करते हैं, आर सी शेपर्ड ने बीड़ा उठाया है, सबसे अधिक ¹ पेप्टाइड्स के संश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया.

Merrifield ठोस समर्थित रणनीति से प्रेरित होकर, हम BOC / tert - butyl functionalized ² बीआईएस के पेप्टाइड्स है, जो इस के साथ साथ वर्णित है की विधानसभा के लिए ठोस चरण संश्लेषण रणनीति विकसित किया है. ठोस चरण संश्लेषण की तुलना में उपयोगओ कार्यप्रणाली समाधान चरण ¹ Merrifield द्वारा वर्णित के रूप में दोनों समय और श्रम में केवल लाभप्रद नहीं है, लेकिन भी बीआईएस पेप्टाइड पुस्तकालयों के संश्लेषण में अधिक से अधिक आराम की अनुमति देता है. संश्लेषण है कि हम यहाँ दिखाना है एक अंतिम दरार मंच का उपयोग करता है कि एक दो कदम तंत्र "सुरक्षा पकड़" diketopiperazine गठन से राल से बीआईएस पेप्टाइड functionalized जारी शामिल हैं.

बीआईएस - पेप्टाइड्स कठोर, बीआईएस अमीनो एसिड होता है जो एक उम्मीद के मुताबिक और designable तरीका, प्रकार और monomeric इकाइयों के त्रिविम और प्रत्येक monomer के बीच कनेक्टिविटी के द्वारा नियंत्रित में कार्यक्षमता की स्थिति के लिए कर रहे हैं के स्पिरो की सीढ़ी oligomers हैं. प्रत्येक बीआईएस अमीनो एसिड एक stereochemically शुद्ध, चक्रीय पाड़ कि दो एमिनो एसिड ^3,4 (एक α-amine के साथ एक कार्बोक्जिलिक एसिड) शामिल है. हमारी प्रयोगशाला वर्तमान में कटैलिसीस, प्रोटीन, प्रोटीन बातचीत और n सहित क्षेत्रों की एक विस्तृत विविधता में कार्यात्मक बीआईएस - पेप्टाइड की क्षमता की जांचanomaterials.

1. सेटअप

1. ठोस चरण संश्लेषण के लिए प्रतिक्रिया सेट अप एक polypropylene फिल्टर कारतूस या गिलास रिएक्टर कि polypropylene के टयूबिंग के माध्यम से एक संलग्न फ़िल्टरिंग कुप्पी से जुड़ा है, वैक्यूम के अंतर्गत के रूप में चित्र 1 में दिखाया गया है. प्रतिक्रिया एक चुंबकीय हलचल बार या रिएक्टर के माध्यम से नाइट्रोजन बुदबुदाती मिलाया जा सकता है.
2. एक गैस एक आर्गन एक सुखाने ट्यूब और तेल bubbler के साथ सुसज्जित सिलेंडर जुड़े कई गुना के रूप में भी यह प्रतिक्रिया पोत एक आभ्यांतरिक वातावरण के तहत निहित करने के लिए अनुमति देता है और अभिकर्मकों की सील कंटेनरों से हटाने की अनुमति देता है की सिफारिश की है.
3. सभी आपरेशनों धूआं हुड और उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (सुरक्षा चश्मा, प्रयोगशाला कोट और nitrile दस्ताने) की आवश्यकता है में प्रदर्शन कर रहे हैं.

2. राल रैंप बीआईएस - पेप्टाइड पहले लोड हो रहा है

1. 8 एमएल प्रतिक्रिया पोत में HMBA AM राल (0.88 mmol / छ लोड हो रहा है, 100 μmol) के 114 मिलीग्राम वजन और चुंबकीय हलचल पट्टी जोड़ें. वें के शीर्ष कैपएक रबर पट और कम से कम 5 मिनट के लिए ट्यूब शुद्ध करना argon के साथ साथ ई पोत.
2. इस बीच में, चित्रा 3 (586.63 छ / mol, 2EQ) के और 1 के 59.2 मिलीग्राम 1 परिसर के 117.3 मिलीग्राम वजन - की (mesitylene-2-Sulfonyl) 3 - नाइट्रो - 1 ,2,4 triazole (MSNT, 296.0 छ / mol, 2EQ) और एक 15 एमएल डिस्पोजेबल अपकेंद्रित्र ट्यूब में 2 एमएल निर्जल dichloromethane (डीसीएम) में भंग. समाधान और जब तक पूरी तरह भंग मिश्रण करने के लिए एक methylimidazole (NMI, 80.81 3eq एमएल / mol,) के 24 μL जोड़ें.
3. सिरिंज के माध्यम से प्रतिक्रिया पोत के स्थानांतरण के लिए सक्रिय समाधान और आर्गन रातोंरात (~ 10 घंटे) के तहत हलचल अनुमति देते हैं.
4. पट निकालें और प्रतिक्रिया मिश्रण नाली. (5x) डीसीएम और dimethylformamide (DMF) (5x) के साथ में राल धो. "मिथाइल लाल परीक्षण 10.1 खंड में वर्णित करने के लिए राल लोड हो रहा है की डिग्री का आकलन कर. यदि राल मिथाइल लाल परीक्षण के दौरान लाल रहता है तो 2.2 और 2.3 कदम दोहराया जाना चाहिए. एक पीले रंग का, एक नकारात्मक मिथाइल लाल परीक्षण का संकेत है, पसंद है;तथापि, के बाद से किसी भी शेष हाइड्रॉक्सिल समूहों के अगले कदम है, एक थोड़ा सकारात्मक परिणाम (प्रकाश नारंगी राल रंग) में छाया जाएगा स्वीकार्य हो सकता है.

3. पहले बीआईएस - पेप्टाइड और एक साथ कैपिंग राल की deprotection

1. प्रतिक्रिया पोत डीसीएम की 1 एमएल जोड़ें तो एसिटिक एसिड dropwise में 30 सेकंड (बुदबुदाती होता है) पर 1 एमएल 33% हाइड्रोजन ब्रोमाइड जोड़ने और 15 मिनट के लिए हलचल होने की अनुमति देते हैं. डीसीएम (5x) के साथ नाली और राल धो तो और एक बार प्रक्रिया को दोहराएँ.
2. (5x) डीसीएम तो DMF (5x) के साथ राल धो. एन के 5% v / v समाधान, DMF में एन diisopropylethylamine (DIPEA) तो (5x) डीसीएम और DMF (5x) फिर से धो के साथ दो बार धोने से राल बेअसर. मिथाइल लाल परीक्षण "और" chloranil परीक्षण 10.1 और 10.2 खंड में चर्चा कर. परिणाम के लिए मिथाइल परीक्षण लाल और chloranil परीक्षण के लिए सकारात्मक नकारात्मक होना चाहिए.

4. - युग्मन BOC / tBu संरक्षित Functionalized बीआईएस - अमीनहीं एसिड

1. राल युक्त प्रतिक्रिया पोत लिए निर्जल डीसीएम के साथ तीन बार धोने से एक आभ्यांतरिक वातावरण को reintroduce तो एक पट और argon लाइन देते हैं. शुद्ध और निर्जल डीसीएम के 1-2 एमएल जोड़ने और 30 सेकंड के लिए हलचल दे तो पोत से draining तक आर्गन लाइन bubbler वृद्धि करने के लिए शुरू होता है द्वारा पोत धोना. यह कम से कम एक बार और करो.
2. एक लौ सूखे परीक्षण में DMF: 0.15 एम के समाधान बीआईएस अमीनो एसिड (3eq) और 02:01 डीसीएम की 2 एमएल में 1-hydroxy-7 azabenzotriazole (HOAt, 136.11 18eq छ / mol, एक) के 245 मिलीग्राम है functionalized तैयार argon के वातावरण के अंतर्गत ट्यूब. Diisopropylcarbodiimide (डीआईसी, 156.6 3eq एमएल / mol,) का 47 μL जोड़ें और 90 मिनट के लिए हलचल.
3. 666 μL निर्जल DMF में 35 μL DIPEA (174.19 एमएल / mol 2EQ) के राल और जोड़ें 5 मिनट के लिए हलचल होने की अनुमति देते हैं.
4. सिरिंज के माध्यम से पूर्व सक्रिय बीआईएस अमीनो एसिड प्रतिक्रिया पोत समाधान स्थानांतरण और रात भर हलचल अनुमति देते हैं.
5. प्रतिक्रिया मिश्रण नाली और निर्जल डीसीएम के साथ दो बार धोने के तहत जबकि आर्गन.
6. Diketopiperazine को बंद करने को बढ़ावा देने के लिए, 0.25 (136.11 छ / mol, 10eq) के HOAt और डीआईसी (156.6 एमएल / mol 10eq) के 01:01 डीसीएम की 4 एमएल में एम समाधान जोड़ें: DMF और आर्गन के तहत हलचल होने की अनुमति देते हैं 1 घंटे के लिए.
7. पट निकालें और प्रतिक्रिया मिश्रण नाली. डीसीएम (5x) और DMF (5x) के साथ राल धो लें. अगर वांछित है, "chloranil परीक्षण 10.2 खंड में चर्चा करते हैं.

5. / BOC tBu संरक्षित Functionalized बीआईएस - एमिनो एसिड की deprotection

1. प्रतिक्रिया पोत triisopropylsilane (टिप्स) और यह 1 घंटे के लिए हलचल करने के लिए अनुमति देते हैं: 95:5 trifluororacetic एसिड (TFA) के समाधान के 2 एमएल जोड़ें. नाली और डीसीएम (5x) के साथ के बारे में 30 सेकंड के लिए राल तो प्रक्रिया एक बार फिर दोहराना धोना.
2. (5x) डीसीएम तो DMF (5x) के साथ राल धो. DMF में 5% v / v DIPEA का समाधान तो (5x) डीसीएम और DMF (5x) फिर से धोने के साथ दो बार धोने से राल बेअसर. अगर वांछित है, "chloranil परीक्षण 10.2 खंड में चर्चा करते हैं.

7. बीआईएस - पेप्टाइड Prolidine अंत Functionalizing

1. बढ़ रही है बीआईएस पेप्टाइड की prolidine अंत diketopiperazine के माध्यम से स्वतंत्र रूप से या एक साथ acylated सकता है. इसके अलावा, यह अंत नहीं छोड़ा जा सकता संरक्षित कर सकते हैं, जो बाद cleaved जाएगा, मुफ्त एमिनो एसिड affording के. अगर वांछित है, "chloranil परीक्षण 10.2 खंड में चर्चा करने के लिए युग्मन दक्षता का आकलन करते हैं.

8. और बीआईएस - पेप्टाइड की चतुर्धातुक समाप्ति के Fmoc Acylation की deprotection

1. DMF में 20% piperidine के एक 2ml समाधान है जोड़ी जाती है और 20 मिनट के लिए प्रतिक्रिया मिश्रित है. नाली और DMF (5x) के साथ राल धो तो एक बार और इस प्रक्रिया को दोहराएँ.
2. (5x) डीसीएम तो DMF (5x) के साथ राल धो.
3. एन methylpyrrolidone 2 एमएल (एन एम पी) में 114 मिलीग्राम के साथ 2 एमिनो एसिड (3eq) के 0.15 एम समाधान तैयार - (7 AZA 1H - benzotriazole-1-YL) -1,1,3,3 - tetramethyluronium Hexafluorophosphate (हाटु, 380.2 छ / mol, 3eq) और 104.5 μL DIPEA (174.19 एमएल / mol 6eq,) और मिश्रण अच्छी तरह से. प्रतिक्रिया पोत में जोड़ें और के लिए 6 घंटे के लिए हलचल होने की अनुमति देते हैं.
4. (5x) डीसीएम तो DMF (5x) के साथ राल धो.

9. राल राल से एमिनो एसिड और फोड़ना बन्धे से BOC समूह निकालें

1. डीसीएम समाधान प्रतिक्रिया पोत और 30 मिनट के लिए हलचल होने की अनुमति देते हैं: एक 1:1 TFA के 2 एमएल जोड़ें. डीसीएम (5x) के साथ नाली और राल धो तो और एक बार प्रक्रिया को दोहराएँ.
2. (5x) तो डीसीएम DMF (5x) के साथ 30 सेकंड के लिए राल धो और निकास.
3. निर्जल DMF में 10% DIPEA के समाधान के 2 एमएल जोड़ें और 24-48 घंटे हलचल अनुमति देते हैं.
4. पूर्व तौला दौर नीचे कुप्पी में प्रतिक्रिया मिश्रण लीजिए. एक LC-एमएस शीशी में 450 THF की μL स्थानांतरण करने के लिए इस समाधान का 30 μL और विश्लेषण के लिए प्रस्तुत है. DMF की अतिरिक्त aliquots के साथ राल धो और जमा के दौर नीचे कुप्पी में तो vacuo में विलायक हटाने के.

10. बीआईएस - पेप्टाइड की शुद्धि

1. HPLC शीशी डालने में डाइमिथाइल (100-250 μL) sulfoxide और हस्तांतरण की एक न्यूनतम राशि में बीआईएस पेप्टाइड कच्चे भंग. Autosampler में अर्द्ध prepitive HPLC प्रणाली (हेवलेट पैकार्ड 1100 श्रृंखला) की जगह डालने एक XTerra तैयारी एमएस C18 5 माइक्रोन 7.8x150 मिमी स्तंभ और एक 100 μL इंजेक्शन पाश के साथ सुसज्जित है.
2. नमूने के एकाधिक 50 μL इंजेक्शन के पानी में 30 मिनट से अधिक 0.1% चींटी एसिड के साथ 5-95% acetonitrile की एक ढाल कार्यक्रम का उपयोग करते हुए 274 एनएम पर निगरानी प्रदर्शन करते हैं. पूर्व तौला डिस्पोजेबल एक अपकेंद्रित्र ट्यूब में उत्पाद शिखर लीजिए और सूखे फ्रीज lyophilizer का उपयोग सावधानी को चोटी प्रतिधारण समय में एक मामूली विश्लेषणात्मक एलसीएमएस की तुलना में आम तौर पर मनाया बदलाव के रूप में पहली चलाने के साथ रखा जाना चाहिए.

11. मूल्यांकन के तरीके

1. मिथाइल लाल ⁷ टेस्ट: ~ डिस्पोजेबल विंदुक के माध्यम से शुष्क राल के 1 मिलीग्राम निकालें और 4 एमएल प्रतिक्रिया पोत में कुल्ला. 500 μL निर्जल डीसीएम में 20 मिलीग्राम मिथाइल लाल, 50 μL एन, N'- diisopropylcarbodiimide (डीआईसी), और 5 4 - dimethylaminopyridine मिलीग्राम (DMAP) के एक समाधान जोड़ें और 5-10 मिनट के लिए हलचल होने की अनुमति देते हैं. नाली और डीसीएम साथ राल धोने तक छानना बेरंग हो जाता है. सकारात्मक संकेत राल नारंगी या लाल शेष मोती है.
2. CHLORANIL ¹² टेस्ट: प्रयोज्य विंदुक के माध्यम से एक छोटी शीशी में स्थानांतरण ~ शुष्क राल 1 मिलीग्राम. दोनों DMF समाधान में एक 0.8 मिमी chloranil और DMF समाधान में 2% एसीटैल्डिहाइड के 3 बूँदें जोड़ें और 5-10 मिनट के लिए कमरे के तापमान पर बैठते हैं. सकारात्मक संकेत राल / नीला बैंगनी बदल मोती है.
3. सक्रियकरण टीआरएपी टेस्ट: संश्लेषण के दौरान सक्रिय यौगिकों एक तरल क्रोमैटोग्राफी मास स्पेक्ट्रोमेट्री (LC-एमएस) pyrrolidine के 50 μL युक्त शीशी के लिए सक्रिय समाधान की एक छोटी राशि (5-10 μL) स्थानांतरित द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है. कुछ सेकंड के लिए हाथ से मिश्रण (solutiपर पीले हो जाते हैं) तो चाहिए tetrahydrofuran (THF) 450 μL के साथ पतला और LC-एमएस विश्लेषण के लिए प्रस्तुत है.
4. विश्लेषणात्मक LC-एमएस: अंतिम उत्पाद और सक्रिय मध्यवर्ती एक अश्वशक्ति 1200 श्रृंखला LC-एमएस वाटर्स Xterra एमएस C18 3.5 माइक्रोन के साथ सुसज्जित प्रणाली का उपयोग कर मूल्यांकन किया जा सकता है 4.6 मिमी x 150 मिमी स्तंभ और पानी में 5-95% acetonitrile की एक ढाल प्रणाली 30 मिनट से अधिक 0.1% चींटी एसिड के साथ.

12. प्रतिनिधि परिणाम

दोनों कच्चे तेल का एक उदाहरण (चित्रा 4) और शुद्ध (चित्रा 5) एलसीएमएस निशान प्रदान की जाती हैं. ऊपर उल्लिखित तरीकों का उपयोग कर लगभग 10% का शुद्ध पैदावार की उम्मीद कर रहे हैं.

चित्रा 1 प्रायोगिक सेट - अप की ठोस चरण संश्लेषण के लिए आरेख.

चित्रा 2.बीआईएस एमिनो एसिड / बीआईएस - पेप्टाइड्स के प्रासंगिक नामकरण.

चित्रा 3 कुल मिलाकर सिंथेटिक योजना बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहाँ क्लिक करें .

चित्रा 4a 274 एनएम क्रूड उत्पाद के HPLC ट्रेस.

चित्रा 4b क्रूड उत्पाद पीक की एमएस स्पेक्ट्रम.

आंकड़ा 5a. 274 एनएम शुद्ध उत्पाद की HPLC ट्रेस.

चित्रा 5b. शुद्ध उत्पादन की एमएस स्पेक्ट्रमपीक टी.

सिंथेटिक दृष्टिकोण यहाँ प्रस्तुत बीआईएस एमिनो एसिड इमारत ब्लॉक आम ठोस चरण पेप्टाइड संश्लेषण तकनीक का उपयोग करता है से functionalized बीआईएस पेप्टाइड्स के संश्लेषण के लिए एक तरीका प्रदान करता है. monomer के संश्लेषण इन "Pro4 ट्रांस-4-hydroxyproline ³ से इमारत ब्लॉकों के उच्च स्केलेबल है और सफलतापूर्वक एक 600 (234 ग्राम) mmol पैमाने (अप्रकाशित) hydantoin चरण को पूरा. एक बार monomers के हाथ में हैं, ठोस चरण तकनीक के उपयोग के हमारे काम - अप और मध्यवर्ती Purifications प्रतिक्रिया के लिए की आवश्यकता को नष्ट करने के द्वारा वर्तमान समाधान चरण ⁴ पद्धति से है बीआईएस पेप्टाइड संश्लेषण की एक और अधिक तेजी से विधि प्रदान करता है.

ठोस चरण संश्लेषण में प्राथमिक चुनौती सिंथेटिक प्रगति और समस्या को सुलझाने के बाद से कोई मध्यवर्ती अलग कर रहे हैं निदान है. यह पहचान उन सहित कई वर्णमिति परीक्षणों के विकास के लिए नेतृत्व किया है अगर मुक्त (कैसर ¹⁰ टेस्ट) amines या मुफ्त hydroxyls राल (मिथाइल लाल ⁷ टेस्ट) पर उजागर कर रहे हैं. दुर्भाग्य से, आमतौर पर इस्तेमाल किया कैसर ¹⁰ टेस्ट हमारे ठोस चरण संश्लेषण माध्यमिक amines या एक चतुर्धातुक कार्बन से जुड़ी amines के लगभग अनन्य उपयोग के कारण में आम तौर पर लागू नहीं है. HMBA राल पर मूल्यांकन के लिए अन्य विकल्पों का परीक्षण ¹¹ hydrazine, मात्रात्मक Fmoc ^1,11 यूवी / विज़ द्वारा निगरानी की दरार के रूप में एक nucleophile का उपयोग कर, और फँसाने और आवक सक्रिय यौगिकों का विश्लेषण चोली शामिल हैं.

ठोस चरण संश्लेषण में एक और अनदेखी मुद्दा सिंथेटिक ऑपरेटर द्वारा आवश्यक कदम के दोहरावदार प्रकृति है. इस के साथ दिमाग है, लेखकों को दृढ़ता से एक स्प्रेडशीट या चेकलिस्ट का इस्तेमाल की सिफारिश जब किसी भी मैनुअल पेप्टाइड ठोस चरण संश्लेषण प्रदर्शन.

अधिक मुश्किल कपलिंग के लिए ठोस चरण संश्लेषण के लिए बीआईएस के पेप्टाइड्स आम α-एमिनो एसिड की तुलना में प्रयोग में तकलीफ संभावित steric हिन के कारण शामिलdrance, पर राल diketopiperazine closures के लिए की जरूरत है, और युगपत deprotections के (BOC / tBu, / CBZ tBu है). एक और तकलीफ राल से इस "सुरक्षा पकड़" विधि का उपयोग कर जब अधिक परंपरागत तरीकों की तुलना में मात्रात्मक रिलीज को प्राप्त करने में निहित है. मन में इन कारकों के साथ, यह बहुत संभव है कि इस विधि के आगे अनुकूलन और प्राप्त किया जा सकता है वर्तमान प्रयासों हमारे समूह में चल रहे हैं करने के लिए यहाँ प्रस्तुत पद्धति में सुधार.

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

लेखकों डा. के Zachary जेड ब्राउन और जेनिफर Alleva के इस ठोस चरण संश्लेषण और उपयोगी विचार - विमर्श के लिए तकनीक मैथ्यू FL पार्कर के प्रारंभिक विकास के लिए शुक्रिया अदा करना चाहूँगा. यह काम डिफेंस थ्रेट रिडक्शन एजेंसी (DOD DTRA) (HDTRA1-09-1-0009) होर्स्ट और Witzel से फैलोशिप पुरस्कार Cephalon, Inc द्वारा समर्थित द्वारा समर्थित है

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