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方法文章

Masarimycin的合成:一种革兰氏阳性菌生长的小分子抑制剂

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DOI:

10.3791/63191

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2022年1月7日

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本文内容

摘要

本文提供了一种制备抑菌性二酰胺类化合物马萨里霉素的详细方案,该小分子探针通过靶向细胞壁降解来抑制枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)的生长。文中展示了其作为化学探针在枯草芽孢杆菌(B. subtilis)和肺炎链球菌(S. pneumoniae)中的协同/拮抗作用实验及形态学研究中的应用。

摘要

细菌细胞壁中的肽聚糖(PG)是一种独特的高分子结构,赋予细胞特定形态并提供对外界环境的保护。要理解细胞生长与分裂,关键在于了解PG降解如何影响其生物合成及细胞壁组装过程。近年来,已有通过引入修饰的糖类或氨基酸对PG进行代谢标记的研究报道。尽管可利用小分子抑制剂对生物合成步骤进行化学干预,但用于研究自溶素介导的PG降解的化学生物学工具仍较为匮乏。细菌自溶素是一类广泛存在的酶,参与肽聚糖高度协调的降解过程。本文提供了一种小分子探针masarimycin的详细制备方案,该探针为N-乙酰葡糖胺酶LytG的抑制剂 枯草芽孢杆菌, 以及细胞壁代谢在 肺炎链球菌抑制剂的制备 通过 提供了微波辅助与经典有机合成方法。阐述了其作为研究革兰氏阳性菌在生物学测定中生理学特性的工具的适用性。

引言

肽聚糖(PG)是一种网状聚合物,在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中均能界定细胞的形态与结构1,2该杂聚物是由短肽交联的氨基糖组成的基质。3,4,5,6 由交替连接的N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)和N-乙酰胞壁酸(MurNAc)通过β-(1,4)糖苷键组成的骨架结构(图1)1连接在MurNAc的C-3乳酸基团上的是肽桥。肽聚糖的代谢涉及一套高度协调的生物合成与降解酶系统,以将新组分整合到细胞壁中7,8PG的降解由一类统称为自溶素的酶来完成9 并根据所断裂的化学键特异性进一步分类。自溶素参与多种细胞过程,包括细胞生长、细胞分裂、运动性、肽聚糖成熟、趋化性、蛋白质分泌、遗传感受态、分化以及致病性10,

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方案

1. 通用方法

注意:所有化合物均购自常规供应商,未经进一步纯化即直接使用。

  1. 在预涂硅胶 XG F254 的铝板上进行薄层色谱(TLC)分析。通过紫外灯下观察或浸入显色剂中检测斑点 p-anisaldehyde 染色,或通过暴露于 I2 蒸气
  2. 在400 MHz波谱仪上记录所有核磁共振(NMR)谱图。
    注意: 1氢-核磁共振(H-NMR)和 13C-NMR 谱以残留溶剂峰为参照。耦合常数以 [Hz] 表示,化学位移以 [ppm] 表示。
  3. 使用配备大气压固体分析探针的紧凑型质谱仪,记录麻沙米星的大气压化学电离(APCI)质谱图。

2. 马萨里霉素制备的一般步骤

注意:以下步骤需在通风橱中进行。

  1. 分别在甲醇中配制每种反应物的 0.1 M 溶液:环己胺、环己基甲醛, o-碘苯甲酸和环己基异氰化物35.
    警告:环己胺、环己基异氰酸酯和环己基甲醛具有可燃性,可引起皮肤腐蚀,并可能导致经口、经皮、吸入或生殖毒性。请将这些化合物远离明火、高温表面及....

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结果

马萨里霉素是一种小分子抑菌剂,可抑制 B. subtilis 和 S. pneumoniae 并已被证明可抑制外切型GlcNAcase LytG B. subtilis35,37 并靶向细胞壁 S. pneumoniae37马萨里霉素可通过经典有机合成或微波辅助有机合成方法高效制备,产率范围为55%–70%。其中,微波辅助合成具有显著缩短反应时间的优势。与传统合成方法需5–6小时相比,微波辅助合成可在2–3小时内完成,同时保持相当的产率。快速柱层析可实现马萨里霉素的高效纯化,获得高纯度产物。补充图1-2)。结构归属来自 1H 和 13C NMR 谱图及代表性谱图见于 补充图3-4.

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讨论

马萨里霉素是一种对B. subtilis35 和 S. pneumoniae37生长具有单微摩尔级抑菌活性的抑制剂。在B. subtilis中,已证实马萨里霉素可抑制GlcNAcase LytG35,而在S. pneumoniae细胞壁中的确切分子靶点尚未被确定37。采用经典有机合成或微波法合成马萨里霉素,均可获得较高产率和高纯度的产物。马萨里霉素产率偏低通常归因于环己基甲醛的氧化。为避免此问题,建议将环己基甲醛在惰性气氛下的干燥器中保存。醛基氧化为相应的羧酸时,可在瓶中观察到白色固体。购买小量环己基甲醛并避免长期储存,可显著减少该问题的发生。

由于存在混合物,马萨里霉素结构的核磁共振归属较为复杂 顺式 和 转 酰胺键的不同形式以及其周围的阻转异构体 o-碘苯基 环结构导致多个.......

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披露

Reid, C. W. 拥有与马萨里霉素特定应用相关的知识产权。

致谢

本研究由美国国家科学基金会资助,项目编号为2009522。对马萨里霉素的核磁共振(NMR)分析由美国国家科学基金会重大研究仪器项目资助,项目编号为1919644。本文材料中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点,不一定反映美国国家科学基金会的观点。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2-碘苯甲酸SIGMA-ALDRICHI7675-25G腐蚀性,刺激性,浅黄色至橙棕色粉末
2-丙醇SIGMA-ALDRICH109827-4L易燃,刺激性,无色液体
乙腈SIGMA-ALDRICH34851-4L易燃,刺激性,无色液体
铝背板硅胶板Sorbtech4434126铝背板上的XG F254硅胶
氘代氯仿SIGMA-ALDRICH151823-50G核磁共振溶剂
紧凑型质谱仪Advion-InterchimAdvion CMS配备APCI离子源和常压固体分析探针的紧凑型质谱仪
Corning Costar 96孔平底培养板-无菌fisher chemical07-200-90用于协同/拮抗作用检测
盖玻片fisher chemical12-547用于显微镜观察
环己烷甲醛CHEM-IMPEX INT'L INC.24451易燃,刺激性,无色至粉红色液体
环己基异氰化物SIGMA-ALDRICH133302-5G刺激性,无色液体,具有极难闻的气味
环己胺SIGMA-ALDRICH240648-100ML腐蚀性,易燃,刺激性,无色液体(除非被污染)
乙酸乙酯SIGMA-ALDRICH537446-4L易燃,刺激性,无色液体
闪式硅胶柱(12g)Advion-InterchimPF-50SIHP-F0012用于masarimycin纯化的闪式硅胶柱(12g)套装
甲醛SIGMA-ALDRICHF8775-25ML显微镜固定剂
HEPESSIGMA-ALDRICHH8651-25G显微镜固定液用缓冲剂
己烷,异构体混合物SIGMA-ALDRICH178918-4L对环境有害,易燃,刺激性,危害健康,无色液体
高性能紧凑型质谱仪Advionexpression常压固体分析探针(ASAP),低分辨率
High VaceppendorfVacufuge plus利用离心力和温度辅助的真空系统
盐酸SIGMA-ALDRICH258148-2.5L腐蚀性,刺激性,无色液体
盐酸SIGMA-ALDRICH320331-2.5L强酸
浸油fisher chemical12-365-19用于显微镜观察
碘,重升华晶体Alfa Aesar41955对环境有害,刺激性,危害健康,深灰色/紫色晶体
Mestre MnovaMestreLab Research核磁共振谱图处理软件
甲醇SIGMA-ALDRICH439193-4L易燃,有毒,危害健康,无色液体
亚甲蓝SIGMA-ALDRICHM9140-25G用于细胞壁染色的显微镜染料
含5%绵羊血的Mueller-Hinton琼脂平板fisher chemicalB21176X肺炎链球菌的培养基
Mueller-Hinton肉汤fisher chemicalDF0757-17-6肺炎链球菌的培养基
显微镜载玻片fisher chemical22-310397用于显微镜观察
微波合成实验室工作站MILESTONESTART SYNTH需在通风橱中使用的设备,配备合成转盘
核磁管SIGMA-ALDRICHZ562769-5EA5 mm 核磁管,600 MHz
核磁共振(NMR)BrukerAscend 400大型超导磁体(400 MHz)
奥普托欣fisher chemicalAAB21627MC盐酸乙基氢可酮
培养皿Celltreat229695用于制备细菌培养用琼脂平板
Primo Star明场/相差显微镜,配备ERc5s相机Zeiss用于形态学研究
puriFlashinterchimXS520plus快速色谱纯化系统
刃天青SIGMA-ALDRICHR7017-1G用于协同/拮抗作用检测
旋转蒸发仪HeidolphHei-VAP Value "The Collegiate"溶剂蒸发装置
碳酸氢钠SIGMA-ALDRICHS6014-500G刺激性,白色粉末
氯化钠fisher chemicalS271-1晶体状,无色
氯化钠SIGMA-ALDRICHS5886-500G用于枯草芽孢杆菌的培养和LB培养基的制备
硫酸钠SIGMA-ALDRICH7985592-500G无水,颗粒状,白色
胰蛋白胨fisher chemicalBP1421-500用于枯草芽孢杆菌的培养和LB培养基的制备
Whitney DG250工作站Microbiology InternationalDG250厌氧工作站。使用的厌氧气体混合物:5% 氢气,10% 二氧化碳,其余为氮气
酵母提取物fisher chemicalBP1422-500用于枯草芽孢杆菌的培养和LB培养基的制备
Zen Lite(蓝色)软件Zeiss用于获取显微图像

参考文献

  1. Vollmer, W., Blanot, D., de Pedro, M. A. Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiology Review. 32 (2), 149-167 (2008).
  2. Munita, J. M., Bayer, A. S., Arias, C. A. Evolving resistance among Gram-positive pathogens. Clinical Infectious Diseases. 61, suppl-2 48....

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