Eine einfache, kostengünstige und neuartige Vorrichtung zur Durchführung von Festphasenpeptidsynthesen in einem kommerziellen Mikrowellenreaktor wird vorgestellt.
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Methodenartikel
Eine einfache, kostengünstige und neuartige Vorrichtung zur Durchführung von Festphasenpeptidsynthesen in einem kommerziellen Mikrowellenreaktor wird vorgestellt.
Vorgestellt wird eine selbstgebaute Apparatur zur Durchführung der Festphasenpeptidsynthese (SPPS), die durch Mikrowellenbestrahlung und Erwärmung unterstützt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen SPPS-Reaktionsgefäßen, die Lösungsmittel und Nebenprodukte über eine am Boden des Gefäßes befindliche Fritte ablassen, verwendet die vorgestellte Vorrichtung ein Gasdispersionsrohr unter Vakuum, um Lösungsmittel, Nebenprodukte und überschüssige Reagenzien zu entfernen. Das gleiche Gasdispersionsrohr sorgt für die Stickstoffgasbewegung der SPPS-Kügelchen während der Reaktionsschritte des Ankoppelns und Entschützens. Die Mikrowellenheizung ist vorteilhaft für SPPS-Kopplungen von sterisch gehinderten Resten, wie z. B. Alpha-Aminoisobuttersäure (Aib), einem alpha,alpha-dialkylierten Aminosäurerest. Diese selbstgebaute Apparatur wurde verwendet, um mit manuellen Fmoc SPPS-Methoden heptamere und oktamere Peptide herzustellen, die von dem Aib-Rest dominiert werden, der unter normalen Raumtemperaturbedingungen und Reagenzien notorisch schwer zu koppeln ist. Darüber hinaus sind typische kommerzielle Mikrowellen-SPPS-Reaktoren ausschließlich für die SPPS-Synthese bestimmt, was sie für Nicht-SPPS-Benutzer unzugänglich macht. Im Gegensatz dazu behält die vorgestellte Vorrichtung die Vielseitigkeit des Mikrowellenreaktors für die konventionelle Mikrowellenbeschleunigung chemischer Reaktionen bei, da die Vorrichtung trivial aus dem kommerziellen Mikrowellenreaktor entfernt ist.
Merrifields Einführung der Festphasen-Peptidsynthese SPPS in den 1960er Jahren revolutionierte die Peptid- und chemische Synthese und wurde zu Recht mit einem Nobelpreis für Chemiebelohnt 1,2. In den folgenden Jahrzehnten haben viele Forscher die ursprünglichen Techniken von Merrifield verfeinert, was zu zwei Alternativen führte, die die SPPS-Praktiken dominieren: auf Fluorenylmethoxycarbonyl (FMOC)-Basis versus auf tert-Butyloxycarbonyl (BOC)-Basis3. Die endgültige Spaltung des Peptids aus dem festen Harz in FMOC erfordert einen Cocktail mit Trifluoressigsäure im Vergleich zu HF für BOC-Techniken, was FMOC-basierte Methoden zur bevorzugten Wahl vieler Labore macht.
Modernste SPPS-Methoden werden gelegentlich durch gewünschte Sequenzen herausgefordert. In den letzten Jahren gab es Fortschritte, bei denen einige idiosynkratische Bedenken hinsichtlich der Aggregation4, der Diketopiperazinbildung5 und der N-methylierten Aminosäurereste6 überwunden wurden. Um die Kopplungsausbeute zu optimieren, wurden Tausende von Kupplungsreagenzien und Additiven untersucht7. Konkret wurde die Carbonsäureaktivierung über COMU 8,9 oder saure Fluoride 10,11,12 sowie Additive wie Oxyma13 und Hydroxybenzotriazol (HOBt) für besonders anspruchsvolle Kupplungen entwickelt, wie z. B. solche mit α,α-dialkylierten Resten.
Andere nicht-reagenzienbasierte Methoden wurden eingesetzt, um die Ausbeute bei schwierigen Kopplungen zu erhöhen, einschließlich verlängerter Reaktionszeiten, "Doppelkupplung" und Erwärmung, insbesondere Mikrowellenerwärmung 14,15,16. In der Tat gehören kommerziell erhältliche automatisierte Peptidsynthesizer, die Mikrowellenheizung verwenden, zu den kommerziell erfolgreichsten Einheiten auf dem Markt, da sie die Reaktionsgeschwindigkeiten beschleunigen, die endgültige Reinheit von Peptiden zu verbessern scheinen und den Lösungsmittelabfall minimieren. Leider können diese Geräte teuer sein und in einigen Fällen über 100.000 US-Dollar kosten.
Unser Labor beschäftigt sich mit der Herstellung von Variationen von Peptiden, die den stark helikogenen Rückstand von Alpha-Aminoisobuttersäure (Aib) enthalten17,18,19. Aufgrund der sterischen Behinderung, die sich aus der Dialkylierung seines Alpha-Kohlenstoffs ergibt, ist Aib bekanntermaßen schwer zu koppeln. Die oben genannten Methoden (saure Fluoride, Mikrowellenheizung20) sowie die clevere "Dipeptid"-SPPS-Chemie21 wurden verwendet, um SPPS an die Kopplungsherausforderungen von AIB anzupassen. Die Herstellung von Aib-Dimeren außerhalb des Harzes verbessert zwar die Gesamtausbeute, erfordert aber zusätzliche Nasschemie und erhöhte Temperaturen (50 °C)21. Darüber hinaus haben wir den Einsatz von sauren Fluoriden von Aib aufgrund der toxischen Natur von Fluorierungsmitteln vermieden. Leider fehlt in unserem Labor ein spezieller mikrowellenbasierter automatisierter SPPS-Synthesizer mit speziellen Reaktionsgefäßen für die notwendige Entleerung von SPPS-Nebenprodukten. Nichtsdestotrotz hat uns ein kürzlich veröffentlichter Bericht aus Claydens Gruppe, der spektakuläre Erfolge bei der Herstellung von Aib-basierten Oligomeren unter Verwendung von SPPS und Mikrowellenbestrahlung22 zeigt, dazu angeregt, die CEM Discover SP-Mikrowelleneinheit unseres Labors für SPPS-Synthesen anzupassen.
Wir untersuchten zunächst das kommerziell erhältliche Zubehör von CEM, um den Mikrowellenreaktor in eine manuelle SPPS/Mikrowelleneinheit23 umzuwandeln. Abgesehen von den Kosten würde dieses Zubehör die Verpflichtung unseres Mikrowellengeräts erfordern, nur manuelles SPPS zu verwenden. Andere Laboranwender hätten keinen Zugang mehr zu den hervorragenden Fähigkeiten des Mikrowellengeräts. Daher wurde die Implementierung des kommerziellen Zubehörs in unserem Fall als inakzeptabel erachtet.
Stattdessen bauten wir mit vergleichsweise kostengünstigen Komponenten eine Apparatur zur Durchführung von mikrowellengestützten SPPS auf der Millimolaren Skala zusammen. Das folgende Protokoll beschreibt die Verwendung einfacher und vergleichsweise kostengünstiger Komponenten zur Durchführung einer manuellen, mikrowellengestützten SPPS.
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1. Montieren Sie das Gerät (Abbildung 1)
HINWEIS: Alle Komponenten für den Zusammenbau des Gerätes finden Sie in der Werkstofftabelle.
2. Reagenzien vorbereiten
3. Herstellung des Peptidharzes
4. FMOC-Entfernung
HINWEIS: Die Harze sind mit einer Vielzahl von FMOC-geschützten Aminosäuren vorgeladen, die als C-terminale Reste vorgeladen sind. Daher ist die FMOC-Entfernung in der Regel der erste Schritt nach dem Aufquellen des Harzes.
5. Kopplung von FMOC-Aminosäuren
6. Wiederholen Sie SPPS-Peptidzyklen
7. Peptid-Spaltung
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Beispiele für Peptidsequenzen, die mit unserer Apparatur hergestellt wurden, sind in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt. Tabelle 1 fasst die Lösungen, Mikrowellenparameter und Waschgänge zusammen, die wir verwendet haben. Die Bestätigung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie ist in den Abbildungen dargestellt. Die Massenrückgewinnung dieser Peptide lag bei über 80 %. Bezeichnenderweise weisen alle diese Sequenz...
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Die hier vorgestellte Vorrichtung ruft ein einfaches, neuartiges und kostengünstiges Verfahren zur Entfernung von Lösungsmittel, überschüssigen Reagenzien und Abfallprodukten sowie zur Zugabe von Stickstoffgasbewegung während der mikrowellengestützten SPPS auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen SPPS-Gefäßen, die eine Fritte am Boden des Gefäßes hervorrufen, ruft die vorgestellte Vorrichtung ein Gasdispersionsrohr unter Vakuum auf, um das Gefäß anzusaugen. Bei dem Reaktionsgefäß handelt es si...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Die Autoren sind dankbar für die Unterstützung durch die INSPIRE-Stipendien der Fairfield University, die Unterstützung des Department of Chemistry & Biochemistry an der Fairfield University und die Unterstützung von Dr. Dorothy Szobcynski für ihre Expertise bei der Leitung des Labors. Darüber hinaus danken die Autoren den Professoren Jillian Smith-Carpenter und Aaron Van Dyke für die Diskussionen über Peptid- und organische Synthese. Die Autoren danken der Autoren für die Unterstützung durch den Publication Fund des College of Arts & Sciences der Fairfield University.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| CEM Discover SP-Mikrowellenreaktor | CEM | Eingestellt. Kürzlich wurde er in der Produktlinie durch den Discover 2.0 ersetzt. | |
| Diisopropylcarbodiimid (DCC) | TCI Amerika | ||
| Dimethylformamid (DMF) | Thermowissenschaftliche Chemikalien | ||
| Gasdispersionsrohr, Mikro, | Chemglas | CG-207-02 | Mittlere Porosität |
| Mikroseptum | ChemGlass | CG-3022-20 | "NMR-Röhrchen"-Septum |
| Morpholine | Thermowissenschaftliche Chemikalien | ||
| N-Fmoc-geschützte Aminosäuren | |||
| Oyxma Pure | TCI Amerika | ||
| Seitenwaffen-Ehrlenmeyer-Kolbe | Verschiedene Anbieter | Abfallsammlung | |
| "Tee" | Idex | P-713 | ETFE |
| Teflonrohr 1/8", | Restek | 25306 | OD x 0,063" ID, 3 m |
| Reagenzglas (Halter für das Reaktionsgefäß außerhalb der Mikrowelle) | Verschiedene Anbieter | (30 x 175) | |
| Reagenzglas (Reaktionsgefäß) | Corning Glass | 9820-25X | Pyrex 25 x 200 mm, randlos |
| Röhre | Idex | P-721 | ETFE (2x) |
| Wang SPPS Harz, 1 % vernetztes Divinylbenzol, 100-200 Mesh | Advanced ChemTech |
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