12-Dithiolane 改性自组装肽的合成与表征

固相肽合成中的健壮肽键形成化学和控制序列长度和成分的能力使自组装成超分子结构的多肽成为一个研究领域。控制和稳定肽自组装结构的因素, 包括侧链空间和静电相互作用, 氢键和疏水效应¹, 作为一套设计规则。随着对这些基本设计规则的研究继续进展, 肽自组装的逻辑下一步包括扩大肽基结构和功能的多样性。自组装多肽是一种多功能生物材料, 通过调整肽序列或装配条件^2、3、4, 为许多医学应用而使用, 发展战略为对多肽纳米纤维^{5、6、7、8、9}的组装后的修改仍然是一个相对未开发的领域。

超分子结构表面的动态二硫化物交换和硫醇化学是一个有潜力产生新的和功能性生物材料的领域。12-dithiolane 基团 (通常是硫辛酸 (la) 或 asparagusic 酸 (aa) 的衍生物) 在脂质体系统^10、11、嵌段共聚物^12、13和组织锚在表面^14,15。在这里, 我们报告的合成和表征的自组装肽来源于与阿尔茨海默病相关的 Aβ肽的核核, 在 N 终点被修改 12-dithiolane 功能组^{16, 17}。由此产生的超分子纤维作为实验平台, 研究了淀粉样纤维的超分子表面的二硫交换和硫醇反应性.¹⁸。

1. 12-Dithiolane 改性肽的合成与纯化

1. dithiolane 前体的合成, 3-(acetylthio)-2-(acetylthiomethyl) 丙酸¹⁹。
   1. 添加1克 3-溴-2-(溴甲基) 丙酸 (1 equiv) 溶解在极小量的1米氢氧化钠 (约4毫升) 到一个25毫升的圆形底部反应瓶搅拌在55摄氏度。在氮气气氛下, 将反应瓶密封在一个隔膜和地方。
   2. 在4毫升的去离子水和3毫升的2米硫酸 (H₂,₄) 中, 制备含有1.49 克硫代乙酸钾 (3.2 equiv) 的溶液,在原位制造硫代乙酸酸。
   3. 将硫代乙酸酸溶液拉入塑料一次性10毫升注射器, 并将针头放在注射器上。将混合物滴状到反应瓶中, 用针穿透隔膜。继续反应过夜在55摄氏度。
   4. 用甲醇和二氯甲烷混合物 (1:9) 对硅胶 60 F₂₅₄板上的薄层层析 (TLC) 进行反应。通过甲酚绿色染色可视化反应过程。该产品有 R_f = 0.57。
   5. 在反应完成并且冷却了到室温之后, 酸化混合物到 pH 值1与 2 M H₂那么₄。黄色的油从溶液中分离出来。
   6. 用冷氯仿提取产品 (40 毫升 x 3)。将有机层和干燥的硫酸镁结合在一起。在减压下取出氯仿。
   7. 通过核磁共振 (NMR) 光谱学 (如图 1B和C所示) 确认隔离产品1的身份。期望以下结果: ¹h 核磁共振, CDCl₃, 300 兆赫: d = 10.1 (b, 1 h), 3.2 (m, 4 h), 2.9 (m, 1 h), 2.4 (s, 6 h);¹³c 核磁共振, CDCl₃, 75 兆赫: d = 195.1 (CH₃COS-), 177.6 (-c哦), 45.1 (-ch₂S), 30.5 (Ch), 29.2 (-上海合作组织Ch₃)。
      注: 该产品为黄油, 总收率为83%。使用该产品无需进一步净化。
2. Dithiolane 前驱体的许可证与树脂耦合
   注: 下面描述的固相肽合成是根据推荐的制造商的协议在自动肽合成器上进行的。设置和试剂可适用于其他商业仪器或使用专用氨基酸。
   1. 在反应容器中称量0.156 克的溜冰场酰胺 4-methylbenzhydrylamine (MBHA) 树脂 (0.1 毫摩尔) 和位置。在合成开始前, 将树脂在甲基酰胺 (DMF) 中膨胀至少15分钟。
   2. 将每个 fluorenylmethyloxycarbonyl (n-芴甲氧羰基) 受保护氨基酸 (0.4 毫摩尔) 的4当量与0.152 克n、n、n、n '-四甲基O(1Hbenotriazol 1 基) 铀六氟磷酸盐 (0.4 毫摩尔、HBTU) 进行权衡, 以序列中的每个氨基酸。每个墨盒都含有 n-芴甲氧羰基保护的氨基酸和 HBTU。
   3. 在对合成器 (重新灌装试剂、冲洗试剂线和加压的所有试剂瓶) 进行所有预合成检查后, 将氨基酸盒放入 C ' 到 N ' 终点方向的旋转木马中。放置一个空墨盒后, 最终的氨基酸位置为最终 n-末端芴甲氧羰基脱步骤。
   4. 使用标准推荐设置合成肽。
      1. Deprotect 甲氧羰基基团从树脂与5毫升20% 哌啶在 DMF (5 分钟 x 2)。
      2. 在联轴器步骤前, 用 DMF (6 x 5 毫升) 清洗树脂。
      3. 对于单一的耦合步骤, 在 DMF 中加入4毫升的0.4 米 n-甲基啉) 到 n-芴甲氧羰基保护的氨基酸和 HBTU。在将溶液转移到反应容器之前, 激活三十年代的芴甲氧羰基保护氨基酸溶液。
         注: 自动肽合成器混合树脂和解决方案通过冒泡 N₂气体每三十年代20分钟, 而耦合反应发生的地方。对于人工肽合成, 在耦合步骤的持续时间内, 将反应容器以低速的速度放置在轨道振动筛上。
      4. 排出溶液, 用 DMF (3 x 5 毫升) 清洗树脂。
      5. 重复步骤1.2.4.1 通过1.2.4.4 的每一个 n-芴甲氧羰基保护氨基酸在 C ' 到 N '-终点方向合成的肽感兴趣。
   5. 最后的 N 端脱步骤后, 将树脂转移到一次性烧结注射器中。用 DMF (3 x 5 毫升) 和二氯甲烷 (DCM, 3 x 5 毫升) 洗涤树脂。
      注: 树脂可贮存后, 在真空干燥的 DCM 洗涤。如果树脂以前储存在联轴器上, 在偶联反应之前确保在 DMF 中膨胀树脂。
   6. 将 dithiolane 前驱体 (1) 加入4当量1、5毫升 DMF、4当量的 HBTU 和10当量的 n、n-diisopropylethylamine (DIPEA), 对树脂肽的 N 端进行耦合。在加入含有烧结注射器的树脂之前, 先激活10分钟的耦合混合物。
   7. 震动2小时的耦合反应。2小时后, 用 DMF (3 x 5 毫升) 清洗树脂, 并在一夜之间反复晃动耦合反应。
   8. 第二联轴器后, 用 DMF (3 x 5 毫升) 和 DCM (3 x 5 毫升) 清洗树脂。
      注 : 树脂可储存在真空下直至。
3. 树脂硫代乙酸脱和肽的裂解
   1. 从 dithiolane 前驱体 deprotect 硫代乙酸组, 将干树脂转移到10毫升微波反应管中, 加入2毫升的 DMF。允许树脂膨胀, 加入一个小的磁力搅拌条到容器中, 并以低速磁搅拌的速度重新悬浮15分钟。
   2. 加入2毫升的浓缩氢氧化铵, 将反应容器盖上硅胶隔膜, 将反应容器放入微波反应器中, 使用75°c 的微波设置, 搅拌45分钟。
   3. 微波反应完成后, 将树脂转移到干净的一次性烧结注射器中。用 DMF (2 x 5 毫升) 和甲醇 (甲醇, 2 x 5 毫升) 洗涤。
   4. 在甲醇 (1:4) 中加入浓缩氢氧化铵溶液, 总容积为5毫升。留在夜间摇晃, 以增加 dithiolane 环中二硫键的分子内氧化。
   5. 用甲醇 (2 x 5 毫升) 和 DCM (3 x 5 毫升) 清洗树脂。
      注: 干燥的树脂可以储存在真空干燥在这一点上。
   6. 在含有注射器的树脂中加入裂解鸡尾酒, 轻轻摇动1.5 小时。所用的裂解鸡尾酒是95% 三氟乙酸酸 (TFA), 2.5% triisopropylsilane (提示), 2.5% 水在总容积5毫升。
      注意事项: 仅在化学油烟机下工作。TFA 易挥发和腐蚀性。
      注 : 对于多数肽序列和氨基酸边链保护组 , 上述鸡尾酒溶液是足够的 ;然而, 某些氨基酸侧链保护组 (特别是含有胱氨酸、满足、多党和 Arg 的多肽) 或其他树脂化学²⁰可能需要替代的裂解鸡尾酒。
   7. 将粗肽沉淀到25毫升的冷二乙基醚在50毫升圆锥管通过滴状添加从烧结注射器。肽沉淀成白色固体。以 1300 x g 为10分钟的离心法将该肽颗粒醒酒. 小心地将二乙基醚放入一个单独的容器中进行废物收集。
   8. 再将25毫升乙醚加入锥形管, 再用涡流重新悬浮沉淀。重复离心在 1300 x g 10 分钟和醒酒二乙基醚再次。在真空下干燥颗粒。
4. 12-Dithiolane 改性肽的纯化
   注: 采用反相高效相色谱法提纯粗肽。用 MALDI 质谱法采集和组合肽峰, 确认质量。
   1. 用 0.1% TFA, 将微量的乙腈中的粗肽颗粒溶解。由于肽的疏水性和聚集倾向, 轻轻地加热样品在40°c, 以帮助溶解度。
      注意: 避免更高的温度和超声波的肽, 以防止潜在的二硫化物交换反应^21,22,23。
   2. 为高效液相色谱纯化制备1毫升粗肽, 在乙腈中加入 400 ul 的浓缩肽库, 600 ul 为 H₂O, 0.1% TFA, 通过22微米注射器过滤器将其过滤成 hplc 瓶。另外还可以添加5% 异丙醇, 以防止肽聚集和沉淀。
   3. 用 C-18 半制备柱, 在15-55% 乙腈的线性梯度20分钟内, 用3毫升/分钟的流速纯化肽. 将紫外线探测器设置为 222 nm (酰胺骨干) 和 330 nm (二硫化物键)。收集并合并感兴趣的峰值 (图 2A)。
   4. 在 reflectron 模式下, 通过 MALDI 质谱仪确认肽类产品质量 (图 2B)。为分析, 混合 0.5 ul 的收集峰值在 MALDI 板与 0.5 ul 25-苯甲酸酸 (DHB) 基质 (10 毫克/毫升 DHB 在50% 乙腈, 0.1% TFA)。
      注: MALDI 质谱中常见的加合物包括钠和钾盐加合物 ([m + Na]⁺和 [m + K]⁺) 峰。如果盐加成峰抑制主 [米 + H]⁺峰值的信号, 则建议在分析之前对样品进行脱盐。此外, 在 12-dithiolane 修饰肽中也检测到 [M + O]⁺的氧化峰。利用 DHB 基质对激光诱导氧化的 MALDI 电离研究表明, 可以对样品浓度、溶剂和激光强度等因素进行修正, 以限制 MALDI 诱导氧化工件²⁴。
   5. 在 MALDI 确认正确质量后, lyophilize 在闪光冷冻后的肽。将冻干肽粉保持在真空下直至组装。

2. 超分子自组装结构的表征

1. 淀粉样纤维的形成
   1. 要准备自组装溶液, 用分析天平称量1毫克的肽粉。溶解成混合物 (pH 7.5) 的20% 乙腈和10毫米 (4-(2-羟乙基)-1-piperazineethanesulfonic 酸 (HEPES) 在1.5 毫升离心管, 最终浓度的1毫克/毫升肽组装混合物。涡流装配解决方案, 并在室温下组装。
2. 淀粉样纤维的光谱表征
   1. 通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR), 每隔几天跟踪多肽组装过程。以1670厘米^-1为中心的宽峰为样本¹⁷中未组装肽引起的 IR 特征。多肽组装样品通常需要一到两周的时间才能使宽未组装峰消失并达到成熟。
      1. 干燥整除 8-10 ul 的组装解决方案作为一个薄膜上的 ATR 金刚石晶体。监测1640年至1630厘米^-1的大型和宽水位的消失, 作为干膜形式。
      2. 获取红外光谱从 1500-1800 cm^-1平均50扫描与 2 cm^-1决议。在每次采样扫描之前获取和减去背景扫描。β薄板组件的 IR 签名是介于1625和1635厘米^-1 (图 3A)^25、26之间的尖峰。
   2. 用圆形二色谱 (CD) 表征多肽组装成β片丰富的超分子结构。使用 CD spectropolarimeter 与珀尔温度控制系统记录光谱。
      1. 吸管 30 ul 的装配解决方案在0.1 毫米的路径长度 microcuvette。
         注: 在仪器中, 需要一个电池架来夹紧和定位短路径长度单元格。
      2. 对于每个频谱, 将 CD 仪器设置为以下参数: 扫描波长为 300 nm 到 180 nm, 扫描速率为 100/分钟, 波段宽度为 1 nm, 25 °c, 平均三扫描。
      3. 收集缓冲区的频谱 (20% acetonitrile/10 mM HEPES, pH 值 7.5), 并减去每个样本扫描作为一个控制。β片的 CD 签名是一个椭圆的最小值, 其中心约为 220 nm (图 3B)²⁷。
3. 淀粉样纤维显微术
   1. 允许三周的多肽样品成熟成β片丰富的超分子结构。
      注: 在装配过程的早期阶段, 可以使用透射电镜 (TEM) 对组件进行成像。
      1. 将肽组装溶液的 10 ul 在 TEM 碳网格表面上。
         注意: 小心不要接触到网格表面的吸管尖端。在制备过程中, 采用高精度、自闭镊子来控制 TEM 网格。
      2. 等待1-2 分钟, 以允许组件吸附到网格表面上。通过触摸滤纸到网格边缘, 删除多余的样品。
      3. 通过将 100 ul 的去离子水添加到商业上4% 的醋酸盐溶液中, 制备出2% 的醋酸铀染色。吸管 10 ul 2% 的醋酸铀染色到网格表面和孵化2-3 分钟。孵化后, 通过触摸滤纸到网格边缘, 去除多余的污渍。
      4. 将 TEM 网格放在真空干燥过夜。储存在真空下直到成像。
      5. 用 TEM (图 3C) 对准备好的样品进行图像处理。显微镜的典型参数如下: 图像在放大范围从9,300X 到 23,000X, 钨灯丝与加速电压 120 kV。
         注: ImageJ 可用于测量获得 TEM 图像的超分子结构的平均纤维宽度²⁸。
         警告: 使用前请查阅所有相关的安全数据表 (SDS)。所述 12-dithiolane 修饰自组装肽的合成、纯化和表征中使用的几种化学物质具有腐蚀性或毒性, 只应在化学油烟机下使用。在实验室工作时, 应始终使用适当的个人防护设备 (包括安全眼镜、实验室大衣、全长长裤、闭趾鞋)。

除了最初一步合成的 dithiolane 前体分子, 其余的 12-dithiolane 改良肽合成发生在坚实的支持 (图 1A)。3-溴-2-溴甲基丙酸转化为 3-(acetylthio)-2-(acetylthiomethyl) 丙酸, dithiolane 前驱体, 由1H 和13C 核磁共振 (图 1B和c) 确认, 然后再耦合到自由肽的 n-末端胺仍然在树脂。用氢氧化铵脱硫代乙酸到硫醇, 在 12-dithiolane 改性肽从树脂中裂解之前, 12-dithiolane 在甲醇中被氧化一夜。采用反相色谱法纯化粗肽 (图 2A), MALDI 质谱法 (图 2B) 证实了产品质量。

纯化的 12-dithiolane 肽自组装成成熟的淀粉样纤维在2-3 周期间。红外光谱 (图 3A) 和 CD 光谱学 (图 3B) 是用来跟踪组装过程和特征的扩展β表构象。光纤由透射电镜成像 (图 3C)。

图1。12-dithiolane 前体分子表征的合成方案.(A)合成方案的最终 12-dithiolane 改良肽, 12-dithiolane-KLVFFAQ-NH2。(B) 1H 核磁共振 3-(acetylthio)-2-(acetylthiomethyl) 丙酸在 CDCl3在300兆赫. (c)13 C 核磁共振 nmr 3-(acetylthio)-2-(acetylthiomethyl) 丙酸在 CDCl3在75兆赫.请点击这里查看此图的较大版本.

图2。12-dithiolane 改性肽的合成。 (A)高效液相色谱法纯化 12-dithiolane-KLVFFAQ-NH2。(B)采用 DHB 矩阵的 reflectron 模式下, 以高效液相色谱纯化 (17.5 分钟的保留时间) 为主要峰值 MALDI 的质量谱证实了 12-dithiolane KLVFFAQ-NH2的计算质量。还确定了常见的加合物。请单击此处查看此图的较大版本.

图3。12-dithiolane 修饰肽的超分子特性。(A)红外光谱1毫克/毫升 12-dithiolane KLVFFAQ-NH2纤维组装 10mM HEPES, pH 7.5 在 20% CH3CN。峰值在1627厘米-1是一致的多肽组装在β表构象。(B) CD 1 毫克/毫升 12-dithiolane KLVFFAQ-NH2纤维组装在10毫米 HEPES, pH 7.5 在 20% CH3CN。椭圆最小值在218毫微米是一致的多肽组装在β表构象。(C)透射电镜对 12-dithiolane-KLVFFAQ-NH2淀粉样纤维 (2% 醋酸盐的负染色) 的图像进行了分析。刻度条为 100 nm。请单击此处查看此图的较大版本.

作者没有什么可透露的。