Se presenta un aparato sencillo, barato y novedoso para realizar síntesis de péptidos en fase sólida en un reactor de microondas comercial.
Artículo de método
Se presenta un aparato sencillo, barato y novedoso para realizar síntesis de péptidos en fase sólida en un reactor de microondas comercial.
Se presenta un aparato casero para realizar la síntesis de péptidos en fase sólida (SPPS), asistida por irradiación y calentamiento por microondas. A diferencia de los recipientes de reacción SPPS convencionales, que drenan el solvente y los subproductos a través de una frita ubicada en la parte inferior del recipiente, el aparato presentado emplea un tubo de dispersión de gas al vacío para eliminar el solvente, los subproductos y el exceso de reactivos. El mismo tubo de dispersión de gas suministra la agitación de gas nitrógeno de las perlas SPPS durante las etapas de reacción de acoplamiento y desprotección. El calentamiento por microondas es beneficioso para los acoplamientos SPPS de residuos estéricamente obstaculizados, como el ácido alfa-aminoisobutírico (Aib), un residuo de aminoácidos alfa,alfa-dialquilados. Este aparato de fabricación casera se ha utilizado para preparar, mediante métodos manuales Fmoc SPPS, péptidos heptaméricos y octaméricos dominados por el residuo Aib, que es notoriamente difícil de acoplar en condiciones y reactivos estándar a temperatura ambiente. Además, los reactores SPPS comerciales típicos de microondas se dedican exclusivamente a la síntesis de SPPS, lo que los hace inaccesibles para los usuarios que no son de SPPS. Por el contrario, el aparato presentado conserva la versatilidad del reactor de microondas para la aceleración convencional de las reacciones químicas por microondas, ya que el aparato se retira trivialmente del reactor de microondas comercial.
La introducción de Merrifield de la síntesis de péptidos en fase sólida SPPS en la década de 1960 revolucionó las síntesis de péptidos y químicos y fue justamente recompensada con un Premio Nobel de Química 1,2. En las décadas siguientes, muchos investigadores han refinado las técnicas originales de Merrifield, lo que ha llevado a dos alternativas que dominan las prácticas de SPPS: a base de fluorenilmetoxicarbonilo (FMOC) frente a terc-butil oxicarbonilo (BOC)3. La escisión final del péptido de la resina sólida en FMOC requiere un cóctel que contenga ácido trifluoracético, en comparación con HF para las técnicas de BOC, lo que hace que los métodos basados en FMOC sean la opción preferida de muchos laboratorios.
Los métodos SPPS de última generación se ven ocasionalmente desafiados por las secuencias deseadas. En los últimos años, ha habido avances que superan algunas preocupaciones idiosincrásicas de la agregación4, la formación de dicetopiperazina5 y los residuos de aminoácidos N-metilados6. En un esfuerzo por optimizar el rendimiento del acoplamiento, se han explorado miles de reactivos y aditivos de acoplamiento7. En concreto, se ha desarrollado la activación del ácido carboxílico a través de COMU 8,9 o fluoruros ácidos 10,11,12, junto con aditivos como Oxyma13 e hidroxibenzotriazol (HOBt), para acoplamientos especialmente difíciles, como los que implican residuos α,α-dialquilados.
Se han empleado otros métodos no basados en reactivos para aumentar los rendimientos de acoplamientos difíciles, incluidos los tiempos de reacción extendidos, el "doble acoplamiento" y el calentamiento, especialmente el calentamiento por microondas 14,15,16. De hecho, los sintetizadores de péptidos automatizados disponibles en el mercado que emplean calentamiento por microondas se encuentran entre las unidades de mayor éxito comercial en el mercado, ya que aceleran las velocidades de reacción, parecen mejorar la pureza final de los péptidos y minimizan el desperdicio de solventes. Desafortunadamente, estas unidades pueden ser costosas, costando más de $ 100,000 en algunos casos.
Nuestro laboratorio tiene interés en la preparación de variaciones de péptidos que contienen el residuo fuertemente helicogénico del ácido alfa-aminoisobutírico (Aib)17,18,19. Debido al obstáculo estérico que surge de la dialquilación de su alfa-carbono, el Aib es notoriamente difícil de acoplar. Los métodos mencionados anteriormente (fluoruros ácidos, calentamiento por microondas20), así como la inteligente química SPPS21 de "dipéptidos", se han utilizado para adaptar SPPS a los desafíos de acoplamiento de Aib. La preparación de dímeros Aib sin resina, al tiempo que mejora el rendimiento general, requiere química húmeda adicional y temperaturas elevadas (50 °C)21. Además, hemos evitado el empleo de fluoruros ácidos de Aib debido a la naturaleza tóxica de los agentes fluorantes. Desafortunadamente, nuestro laboratorio carece de un sintetizador SPPS automatizado basado en microondas, con recipientes de reacción dedicados para el drenaje necesario de los subproductos de SPPS. Sin embargo, un informe reciente del grupo de Clayden que muestra un éxito espectacular en la preparación de oligómeros basados en Aib utilizando SPPS e irradiación de microondas22 nos estimuló a adaptar la unidad de microondas CEM Discover SP de nuestro laboratorio para síntesis de SPPS.
Primero investigamos el accesorio disponible comercialmente de CEM para convertir el reactor de microondas en una unidad manual SPPS/microondas23. Aparte del costo, este accesorio requeriría el compromiso de nuestra unidad de microondas solo con SPPS manual. Otros usuarios del laboratorio ya no tendrían acceso a las excelentes capacidades de la unidad de microondas. Por lo tanto, la implementación del accesorio comercial se consideró inaceptable en nuestro caso.
En su lugar, ensamblamos, a través de componentes comparativamente baratos, un aparato para realizar SPPS asistido por microondas en la escala milimolar. El protocolo a continuación describe el uso de componentes simples y comparativamente económicos para efectuar SPPS manuales asistidos por microondas.
1. Ensamble el aparato (Figura 1)
NOTA: Todos los componentes para el montaje del aparato se encuentran en la Tabla de Materiales.
2. Preparar los reactivos
3. Preparación de la resina peptídica
4. Eliminación de FMOC
NOTA: Las resinas están disponibles precargadas con una variedad de aminoácidos protegidos por FMOC precargados como residuos C-terminales. Por lo tanto, la eliminación de FMOC suele ser el primer paso después de hinchar la resina.
5. Acoplamiento de aminoácidos FMOC
6. Repetir los ciclos de péptidos SPPS
7. Escisión de péptidos
En la Figura 2 y en la Figura 3 se muestran ejemplos de secuencias peptídicas preparadas con nuestro aparato. La Tabla 1 resume las soluciones, los parámetros de microondas y los lavados que empleamos. La confirmación de la espectrometría de masas MALDI-TOF se muestra en las figuras. La recuperación masiva de estos péptidos ha sido superior al 80%. Significativamente, todas estas secuencias tienen múltiples acoplamientos entre aminoácidos alfa y alfa-alquilados adyacentes. Estos se encuentran entre los residuos más difíciles de acoplar a través de la formación de enlaces peptídicos.

Figura 1: El aparato SPPS manual, asistido por microondas y construido en casa. (A) Esquema que muestra 1) ETFE "tee"; 2) Válvula de ETFE para vacío; 3) Válvula de ETFE a gas nitrógeno; 4) tubo de dispersión de gas, dentro de 5) recipiente de reacción de tubo de ensayo Pyrex; 6) Tabique tipo RMN para unir un tubo de teflón de 1/8" al tubo de dispersión de gas; 7) válvula de aguja para controlar el flujo de gas nitrógeno; 8) Matraz de brazo lateral para recoger los residuos de reacción. Consulte la Tabla de materiales para conocer los fabricantes y los números de catálogo de los componentes. (B) Fotografía de la imagen ensamblada. La numeración es idéntica a la Figura 1A. Abreviaturas: SPSS = síntesis de péptidos en fase sólida; ETFE = etileno tetrafluoroetileno; RMN = resonancia magnética nuclear. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Estructura del péptido 1, sintetizada mediante métodos SPPS de microondas y confirmación de MALDI-TOF. (A) Se empleó CHCA como matriz. El pico a m/z = 880.18 es el aducto de potasio, [MK+], calculado m/z=880.45. (B) Traza de HPLC de péptido crudo 1. El gradiente de solvente es MeCN de 20% a 80% sobre 0.1% de TFA acuoso, 20 min. Longitud de onda de observación = 222 nm. Abreviaturas: SPSS = síntesis de péptidos en fase sólida; MALDI-TOF = ionización por desorción láser asistida por matriz-tiempo de vuelo; CHCA = ácido alfa-ciano-4-hidroxicinámico, HPLC = cromatografía líquida de alta resolución; MeCN = acetonitrilo; TFA = ácido trifluoroacético. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Estructura del péptido 2, sintetizada mediante métodos SPPS de microondas y confirmación de MALDI-TOF. (A) Se empleó CHCA como matriz. El pico en m/z = 1022.7 se asigna al aducto de potasio, [MK+], calculado m/z=1023.5. El pico en m/z = 966,5 se ha asignado tentativamente a una oxazolona C-terminal a través de la pérdida de agua24, calculada m/z = 967,5. (B) Traza de HPLC de péptido crudo 2. El gradiente de solvente es MeCN de 20% a 80% durante 20 min sobre 0.1% de TFA acuoso. Longitud de onda de observación = 222 nm. Abreviaturas: SPSS = síntesis de péptidos en fase sólida; MALDI-TOF = ionización por desorción láser asistida por matriz-tiempo de vuelo; CHCA = ácido alfa-ciano-4-hidroxicinámico, HPLC = cromatografía líquida de alta resolución; MeCN = acetonitrilo; TFA = ácido trifluoroacético, Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Paso | Solución/disolvente | Volumen (mL) | Tiempo (min) | Temperatura (°C) | |
| 1 | Desprotección | 20% Morpholine | 7 | 2 | 90 |
| 2 | Lava | DMF | 4, 4, 4 | - | RT |
| 3 | Desprotección | 20% Morpholine | 7 | 2 | 90 |
| 4 | Lava | DMF | 4, 4, 4 | - | RT |
| 5 | Acoplamiento | Fmoc-AA-OH, OXYMA, DIC | 5, 2, 2 | 10 | 100 |
| 6 | Lava | DMF | 4, 4, 4 | - | RT |
| 7 | Repetir | ||||
| Fin | Escote | TFA/CONSEJOS/H2O | 1 | >120 |
Tabla 1: Pasos para un ciclo de SPPS asistido por microondas a escala de 0,1 mmol: desprotección FMOC, lavados y acoplamiento FMOC-aminoácidos. 0,2 M FMOC-AA-OH, 0,5 m OXYMA, 1,0 m DIC. Las soluciones se añaden manualmente mediante micropipeta directamente en el tubo de ensayo para cada paso. Abreviaturas: SPSS = síntesis de péptidos en fase sólida; FMOC = fluorenilmetoxicarbonilo; CID = diisopropilcarbodiimida.
Archivo Suplementario 1: Informe del reactor de microondas CEM Discover SP para la eliminación del grupo protector de Fmoc e Informe del reactor de microondas CEM Discover SP para el acoplamiento de un aminoácido protegido por Fmoc. Haga clic aquí para descargar este archivo.
El aparato presentado aquí invoca un método simple, novedoso y económico para eliminar solventes, reactivos excesivos y productos de desecho, así como agregar agitación de gas nitrógeno, durante SPPS asistido por microondas. A diferencia de los recipientes SPPS convencionales, que invocan una frita en el fondo del recipiente, el aparato presentado invoca un tubo de dispersión de gas al vacío para aspirar el recipiente. Por lo tanto, el recipiente de reacción es un tubo de ensayo ordinario, que se calienta en el lugar recomendado por el fabricante del reactor de microondas dentro del "atenuador de recipiente abierto".
Nuestra principal innovación es eliminar los disolventes y los subproductos de reacción del tubo de ensayo a través de un "tubo de dispersión de gases" al vacío. Durante las transformaciones químicas bajo irradiación de microondas, así como durante los lavados con disolvente (N,N-dimetilformamida (DMF) o N-metilpirrolidinona, NMP), las perlas de SPPS son agitadas por el gas nitrógeno disperso a través del tubo. El vacío y el gas nitrógeno están controlados por válvulas de ETFE para optimizar la resistencia al solvente. Los residuos de SPPS se recogen en un matraz Erlenmeyer de brazo lateral. Todos los componentes están conectados a través de un tubo de teflón de 1/8". Si bien usamos vacío "doméstico", una bomba de vacío mecánica también serviría. La figura 1, arriba, es un esquema de nuestro aparato.
El éxito de SPPS requiere no solo un aparato, sino protocolos químicos de temperatura, tiempo y reactivos químicos. Empleando el protocolo de Clayden et al.22, hemos preparado varios péptidos que serían difíciles, si no imposibles, de preparar mediante métodos convencionales SPPS a temperatura ambiente. Para el acoplamiento de aminoácidos, utilizamos diisopropilcarbodiimida (DIC) y oxyma como cóctel de acoplamiento e irradiamos a 100 °C durante 10 min. Se cree que Oxyma suprime la racemización de residuos durante el proceso de acoplamiento13. Para la desprotección de FMOC, utilizamos un 20% de morfolina en DMF, irradiado a 90 °C durante 2 min, y repetimos una vez más. Entre reacciones, usamos DMF para enjuagar repetidamente (3 veces) las perlas SPPS (resina Wang).
Utilizando este aparato manual, preparamos péptidos difíciles de sintetizar a una velocidad de unos 40 minutos por residuo. Todavía no hemos estudiado posibles optimizaciones de esta tasa. Por ejemplo, creemos que el tiempo dentro del reactor de microondas probablemente podría limitarse al "tiempo total de reacción", en lugar del "tiempo a la temperatura objetivo", sin disminuir los resultados. Esto se debe a la cantidad de tiempo que se pasa acercándose asintóticamente a la temperatura objetivo (consulte el Archivo Suplementario 1 para obtener más detalles). Además, en principio, se podrían añadir todos los reactivos y disolventes sin necesidad de retirar el recipiente de reacción del microondas. Sin embargo, preferimos poder inspeccionar la resina en todos los pasos.
Si bien nuestro caso de uso es SPPS, debe tenerse en cuenta que los métodos de fase sólida se aplican cada vez más a una variedad de síntesis, como el dendrímero25, el ARN26 y las síntesis electroquímicas27. Una variedad de casos de uso podrían beneficiarse de la asistencia de microondas, para los cuales este aparato sería adecuado. Por último, si bien el aparato fue construido para realizar SPPS asistido por microondas, su recipiente de reacción fundamental es un tubo de ensayo. Por lo tanto, el aparato puede emplearse en SPPS convencionales a temperatura ambiente, así como SPPS conducidos a temperaturas elevadas, por ejemplo, en un baño de aceite.
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Los autores están agradecidos por el apoyo de las subvenciones INSPIRE de la Universidad de Fairfield, el apoyo del Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de Fairfield y la asistencia de la Dra. Dorothy Szobcynski por su experiencia en la gestión del laboratorio. Además, los autores agradecen a los profesores Jillian Smith-Carpenter y Aaron Van Dyke por las discusiones sobre la síntesis orgánica y de péptidos. Los autores agradecen el apoyo del Fondo de Publicaciones de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Fairfield.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Reactor de Microondas CEM Discover SP | CEM | Descontinuado. Recientemente reemplazado en la línea de productos por el Discover 2.0 | |
| Diisopropilcarbodimimida (DCC) | TCI América | ||
| Dimetilformamida (DMF) | Química Termocientífica | ||
| Tubo de dispersión de gases, micro, | Chemglass | CG-207-02 | Porosidad media |
| Microtabique | ChemGlass | CG-3022-20 | Tabique tipo "tubo RMN" |
| Morfolina | Química Termocientífica | ||
| Aminoácidos protegidos por N-Fmoc | |||
| Oyxma Pure | TCI América | ||
| Matraz Ehrlenmeyer de arma corta | Proveedores variados | Recogida de residuos | |
| "Tee" | Idex | P-713 | ETFE |
| Tubo de teflón 1/8", | Restek | 25306 | DIE x 0,063" de diámetro interior, 3 m |
| tubo de ensayo (soporte para recipiente de reacción externo al microondas) & nbsp; | Proveedores variados | (30 x 175) | |
| Tubo de ensayo (recipiente de reacción) | Vidrio Corning | 9820-25X | Pyrex 25 x 200 mm, sin reborde |
| Válvula | Idex | P-721 | ETFE (2x) |
| Wang SPPS Resin, divinilbenceno reticulado al 1%, malla 100-200 | Tecnología Química Avanzada |