이 프로토콜은 양이온성 펩타이드 Mel4와 펩타이드 모방 RK758의 항균 활성과 세포독성을 생성하고 평가하는 방법을 설명합니다. 화학 합성, 재조합 발현, 표준화된 기능 분석법을 통합함으로써, 펩타이드 및 소분자 모방체의 생산 및 시험을 위한 효율적인 워크플로우를 제공합니다.
이 프로토콜은 양이온성 펩타이드 Mel4와 펩타이드 모방 RK758의 항균 활성과 세포독성을 생성하고 평가하는 방법을 설명합니다. 화학 합성, 재조합 발현, 표준화된 기능 분석법을 통합함으로써, 펩타이드 및 소분자 모방체의 생산 및 시험을 위한 효율적인 워크플로우를 제공합니다.
항균 펩타이드(AMP)와 그 합성 모방제는 특히 항생제 내성 위협이 커지는 상황에서 기존 항생제의 유망한 대안으로 부상하고 있습니다. 자연적으로 발생하는 AMP는 선천 면역계의 필수 구성 요소이며 다양한 미생물 병원체에 대해 광범위 활성을 보이고, 펩티도미틱스와 폴리머 기반 유사체를 포함한 합성 모방제는 안정성을 높이고 독성을 줄이며 약동학을 개선하도록 설계되었습니다. 본 연구는 AMPs와 소분자 펩타이드 모방체의 생성, 특성 분석 및 생물학적 평가를 입증하는 것을 목표로 합니다. AMP는 재조합 발현 시스템이나 고상 펩타이드 합성을 통해 생성되어 아미노산 서열과 구조 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 소분자 펩타이드 모방체는 구조적 안정성과 약리학적 성능을 향상시키기 위해 안트라닐산(2-아미노벤조산) 스캐폴드 등 화학적 전략을 사용하여 합성됩니다. 합성 후에는 화합물을 정제하고 생물학적 시험에 들어가기 전에 화학적으로 특성 분석됩니다. 항균 활성은 시험관 내 최소 억제 농도(MIC) 검사법을 사용하여 평가되며, 포유류 세포주에 대한 세포독성을 평가하여 선택성을 결정합니다. 대표적인 결과는 두 암포 및 그 모방 모두 Klebsiella pneumoniae 와 Escherichia coli에 대해 강력한 활성을 보이며, 이들의 광범위 항균 잠재력을 강조합니다. 전반적으로 이 프로토콜은 차세대 항감염제로서 항균 펩타이드 및 그 모방체의 개발 및 체계적 평가를 위한 포괄적이고 재현 가능한 틀을 제공합니다.
항생제 내성(AMR)은 주요 전 세계 보건 위협으로 부상했습니다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, AMR은 2019년에 약 127만 명의 사망에 직접적인 원인이 되었으며, 전 세계적으로 약 495만 명의 사망에 기여했습니다. 기존 항생제의 과사용과 오용은 다제내성 병원체의 출현을 부각시켰으며, 박테리아, 곰팡이, 바이러스, 원생동물과 같은 미생물에 대한 치료 옵션이 제한적으로 남겨졌습니다. 이번 AMR 위기는 효과적이고 안정적이며 내성 발생 가능성이 적은 대체 항생제 전략 모색을 촉진시켰습니다. 가장 유망한 후보 중 하나는 AMPs와 그 합성 모방체입니다.
AMP는 인간, 동물, 식물의 선천 면역 체계에서 중요한 역할을 하는 자연적으로 존재하는 분자입니다. 이들은 일반적으로 막 파괴, 미생물 대사 간섭, 면역 반응 조절과 같은 메커니즘을 통해 광범위 항균 활성을 보입니다. 예를 들어, 인간 카텔리시딘 펩타이드 LL-37은 박테리아, 곰팡이, 바이러스에 대해 강력한 활성을 보여주었습니다7. 그러나 유망한 잠재력에도 불구하고, 자연 AMP의 대규모 치료적 사용은 낮은 자연 풍부도로 인해 종종 제한됩니다. 또한, 많은 펩타이드가 기능적으로 활성화되기 위해 특정 번역 후 변형이 필요하기 때문에 자연 출처에서 활성 형태를 얻는 것은 어려울 수 있습니다.
천연 AMPs의 한계를 해결하기 위해 연구자들은 합성 유사체와 펩타이드 모방제를 개발했습니다. 모방체는 자연 암페르의 항균 효능을 보존하면서도 안정성, 선택성, 약동학적 성능을 향상시키는 작고 합리적으로 설계된 분자일 수 있습니다.
최근 펩타이드 화학과 분자생물학의 발전으로 고체 펩타이드 합성(SPPS), 액상 펩타이드 합성(LPPS), 재조합 발현 시스템과 같은 방법으로 AMPs의 효율적 생산이 가능해졌으며, 서열 조성, 전하 분포, 양형파성 등 주요 구조 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있게 되었습니다10. 재조합 발현 시스템은 대규모 생산과 더 긴 또는 더 복잡한 폴리펩타이드에 적합합니다. 최적화가 완료되면 재조합 방법—일반적으로 발효 또는 바이오리액터 시스템을 사용—은 치료 펩타이드의 산업 생산에 비용 효율적이고 확장 가능한 접근법을 제공합니다11.
이 글은 AMPs와 그 모방체의 생산 및 평가를 위한 보완적 접근법을 제시합니다. 고체 화학 합성은 펩타이드 생성에 널리 사용되지만, 응집, 낮은 수율, 정제 문제로 인해 긴 서열이나 고양이온성 펩타이드에서는 비효율적이고 비용이 많이 들 수 있습니다. 반면, 화학 합성은 정밀한 구조 변형과 비자연 잔기의 짧은 펩타이드 모방체를 생성하는 데 매우 유리하다13. 반면 재조합 발현 시스템은 미생물 숙주에서 더 길거나 구조적으로 복잡한 펩타이드의 비용 효율적이고 확장 가능한 생합성 생산을 가능하게 하며, 순수 합성 접근법에서 발생하는 길이와 수율의 한계를 극복합니다. 화학적 및 생물학적 생산 전략을 통합함으로써 이 결합된 프레임워크는 단독 방법보다 더 큰 유연성, 확장성, 번역 가능성을 제공하여 기전적 연구와 치료 개발에 특히 적합합니다.
생산 후에는 두 가지 주요 분석을 통해 이들 화합물의 생물학적 평가가 수행됩니다. 항균 활성 분석법은 각 펩타이드 또는 모방체의 대표 미생물에 대한 억제 잠재력을 측정하여 그 스펙트럼과 효능에 대한 통찰을 제공합니다. 독성 검사는 포유류 세포주를 이용해 세포 적합성을 평가하여 안전성과 선택성을 보장합니다. 이러한 실험적 단계 설계, 합성, 기능 테스트를 통합함으로써, 이 프로토콜은 AMP와 그 합성 유사체의 효능과 안전성을 평가하는 포괄적인 틀을 제공합니다. 이 방법론들은 AMR이라는 전 세계적 도전에 대응하기 위한 새로운 항균제를 개발하고 검증하는 체계적인 접근법을 확립합니다.
1. 안트라닐아마이드 펩타이드 모방 RK758의 합성
2. 고양이온성 항미생물 펩타이드 Mel4(KNKRKRRRRRRGRGRGRR)의 재조합 생산 및 정제
3. 항균 활성
4. 세포독성
RK758의 합성
중간 분석 데이터(중간 7명까지)는 이전에14명이 발표되었습니다. RK758 및 중간 8–9의 분석 데이터는 다음과 같습니다:
테르트-부틸(2-(3-페닐티오레이도)에틸)카바메이트 (8):
제품 8은 오프화이트 고체(1.89g, 87%)로 얻어졌으며; 기온은 167.4–168.3 °C; 1H NMR (300 MHz, DMSO-d 6) δ 9.58 (s, 1H), 7.71 (s, 1H), 7.44–7.29 (m, 4H), 7.11 (t, J = 12.0 Hz, 1H), 6.88 (br s, 1H), 3.55-3.53 (m, 2H), 3.13 (q, J = 4.0 Hz, 2H), 1.59 (s, 9H); 13C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ 180.9, 156.3, 139.5, 129.1, 124.7, 123.7, 78.2, 44.3, 28.7; HRMS (ESI+): m/z에서 C14H21N3O2 SNa+ [M + Na]+: 318.1247, 발견: 318.1252.
테르트-부틸(S,Z)-(3-((1H-인돌-3-일)메틸)-1-(2-(2-(2-나프타미도)-5-브로모펜닐)- 1,4-디옥소-9-(페닐리미노)-2,5,8,10-테트라아자도데칸-12-일)카바메이트 (9):
생성물 9는 흰색 고형(0.253g, 62%)으로 얻어졌으며; 기온은 173.4–174.9 °C; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6) δ 12.23 (s, 1H), 10.86 (s, 1H), 9.61 (s, 1H), 9.27 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 8.57-8.54 (m, 2H), 8.44 (s, 1H), 8.11 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 8.06-8.03 (m, 3H), 7.84 (dd, J = 4.0, 12.0 Hz, 1H), 7.78 (d, J = 12.0 Hz, 2H), 7.69–7.60 (m, 2H), 7.36 (t, J = 8.0 Hz, 2H), 7.27-7.23 (m, 5H), 7.01-6.97 (m, 3H), 4.82-4.78 (m, 1H), 3.14-3.13 (m, 10H), 1.32 (s, 9H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6) δ 172.3, 167.8, 165.1, 156.3, 154.4, 138.9, 136.5, 135.4, 134.9, 132.6, 131.7, 129.9, 129.1, 128.7, 128.4, 128.2, 127.6, 127.6, 126.4, 124.8, 124.1, 123.6, 122.8, 121.4, 118.9, 118.7, 115.1, 111.8, 110.9, 78.4, 55.2, 42.3, 41.9, 39.4, 38.3, 29.5, 28.6, 27.9; HRMS (ESI+): m / z 계산 C45H47BrN8O5 [M + H]+: 859.2926, 발견: 859.2925.
(S,E)-N-(2-((1-((2-(3-(2-(2-(2-아미노에틸)-2-페닐구아니디노)에틸)아미노)-3-(1H-인돌- 3-일)-1-옥소프로판-2-일)카르바모일)-4-브로모페닐)-2-나프타마이드 (RK758) (10):
RK758은 오프화이트 고체(0.039g, 75%)로 얻었으며; m.p. 240.0–240.9 °C; 1H NMR (400 MHz, MeOD-d 4): δ 8.39 (초, 1시간), 8.27 (d, J = 12.0 Hz, 1시간), 7.98–7.95 (m, 3H), 7.88 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.79 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 7.71-7.60 (m, 4H), 7.40 (t, J = 8.0 Hz, 1H), 7.30-7.20 (m, 4H), 7.16 (s, 1H), 7.05-6.97 (m, 2H), 4.88-4.86 (m, 1H), 3.33-3.32 (m, 4H), 3H), 3.27-3.24 (남성, 5H); 13C NMR (100 MHz, MeOD-d 4): δ 174.3, 168.5, 166.4, 154.6, 137.1, 136.7, 135.1, 134.7, 131.4, 132.6, 131.3, 130.8, 129.8, 128.9, 127.97, 127.8, 127.9, 127.6, 127.5, 127.2, 126.8, 125.6, 123.5, 123.24, 123.2, 118.6, 117.8, 116.1, 111.1, 109.6; HRMS (ESI+): C40H39BrN8O3 [M + H]+에 대해 m/z가 계산됨: 759.2401, 발견: 759.2407.
RK758 합성은 Cbz-L-트립토판에서 7단계에 걸쳐 총 17%의 수율로 수행되었습니다(그림 4). 이 공정의 전체 수확률은 7번 주요 중간체에 44%, RK758에 19%였습니다. 1H NMR 데이터는 최종 화합물의 높은 순도와 주요 검출 가능한 불순물이 없음을 나타냅니다.
콜로니 PCR 스크리닝 결과 Mel4 및 His-KSI-Mel4 카세트가 선택된 변형체에 성공적으로 삽입되었음이 확인되었습니다(그림 5A). 미니프렙 분리 플라스미드의 PCR 분석은 예상 앰플리콘 크기를 추가로 확인하여, 발현을 위한 BL21(DE3)으로 변환되기 전 올바른 구성 구성 구성을 뒷받침하였습니다(그림 5B).
고양이온성 항균 펩타이드 멜4의 재조합 생산 및 정제
Mel4는 AusPep Peptide Company에서 최소 순도가 90%로 상업적으로 공급되었지만, SPPS에 의해 합성되었고, 생물학적으로 Mel4를 생산하기 위해 재조합 기법도 사용되었습니다. 프로토콜 종료 시점에서 용해된 세포 펠릿에서 추출한 전체 세포 단백질(TCP)의 웨스턴 블롯 분석으로 재조합 HIS-KSI-Mel4 융합 단백질의 발현이 확인되었습니다. 단백질 샘플은 SDS-PAGE로 분리되어 단백질 사다리를 분자량 기준으로 시각화했습니다. HIS-KSI-Mel4 융합 단백질의 예상 분자량에 해당하는 뚜렷한 밴드가 관찰되어, 표적 단백질이 숙주 세포에서 성공적으로 발현되었음을 확인했습니다(그림 5B).
선택된 모티프의 단백질 서열을 바탕으로 이론적 아미노산 조성을 계산하고, 정제된 HIS-KSI-TEV-Mel4 IB 펩타이드에서 얻은 실험적 아미노산 분석 결과와 비교하였습니다. 비교 결과, 예측된 아미노산 비율과 실험적으로 결정된 비율 간에 좋은 상관관계가 나타나, 발현된 펩타이드 서열의 정확성과 포함체 분획에서의 성공적인 분리가 확인되었습니다(표 2).
아스파라긴은 아스파르트산으로, 글루타민은 글루탐산으로 전환됩니다. 아미노산 분석 방법은 시스테인과 트립토판에 민감하지 않아 이 방법으로는 분석하지 않습니다. 이러한 점은 결과를 분석할 때 반드시 고려해야 합니다.
Mel4와 RK758의 항균 활성
RK758, Mel4, 콜리스틴의 최소 억제 농도(MIC)를 두 가지 그람 음성 박테리아 균주인 K. pneumoniae JIE 2709와 E. coli NCTC 13846에 대해 평가하였다(표 3). RK758은 K. pneumoniae 와 대장균 모두에 대해 16 μg/mL(21 μM)의 MIC를 보였습니다. 비교하자면, Mel4는 K. pneumoniae 에서 62.5 μg/mL(26.6 μM)의 MICs, 대장균에 대해 125 μg/mL(53.2 μM)로, RK758보다 효능이 낮음을 나타냈다. 비교 항생제로 콜리스틴이 사용되었으며, K. pneumoniae에서 가장 낮은 MIC 1 μg/mL(0.87 μM)를 보였으며, 콜리스틴 내성 E. coli 참조 균주는 MIC가 8 μg/mL(6.9 μM)로 나타났습니다.
Mel4와 RK758의 세포독성 효과
Mel4와 RK758의 세포독성 잠재력은 L929 마우스 섬유아세포(ATCC CCL-1)에서 24시간 연속 농도 노출 후 MTT 분석법을 사용하여 평가하였다. 두 화합물 모두 GraphPad Prism(버전 9.5.1)의 "억제제 대 정규화 반응 - 가변 기울기" 모델을 통해 비선형 회귀를 통해 분석한 전형적인 시그모이드 용량-반응 곡선을 보였으며, 농도에 따른 세포 생존 억제가 확인되었습니다. RK758은 CC50 값 172.6 μM을 보였고, Mel4는 147.5 μM의 CC50 에서 약간 더 높은 세포독성 효능을 보였으며, 이는 RK758보다 약 1.17배 높은 세포독성을 나타냅니다(그림 6 및 그림 7).

그림 1: p15TV-L-His-KSI-Mel4의 표현식 카세트의 도식식 . p15TV-L 발현 구조의 도식도로, T7 프로모터, 리보솜 결합 부위(RBS), 6×His 정제 태그, 케토스테로이드 이성질체(KSI) 융합 파트너, TEV 프로테아제 절단 부위, 그리고 Mel4 펩타이드 서열과 T7 전사 말단기를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 2: 재조합 단백질 발현에 대한 SDS-PAGE 및 서부 블롯 분석. (A) 조수 세포 용해액의 여과 및 흐름 후 포함체와 전체 세포 단백질의 SDS-PAGE. (B) 총 세포 단백질의 웨스턴 블롯. 초록색 화살표는 관심 단백질이 예상 분자량에서 위치함을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 3: TEV 절단 전후 재조합 단백질의 정량화. TEV 프로테아제 처리 후 분리된 포함체 분획과 절단된 재조합체 Mel4에 대해 BCA 분석으로 결정된 단백질 농도를 보여주는 막대 그래프. 오차 바는 측정값 간 실험적 변동을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 4: RK758을 얻기 위한 전체 합성 접근법. Cbz-L-트립토판에서 시작된 RK758의 7단계 화학 합성 반응 체계로, 중간 형성, 작용기 변형, 최종 탈보호 과정을 포함하여 펩타이드 모방체를 얻습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 5: 재조합 플라스미드의 아가로스 겔 전기영동. (a) His-Mel4 및 His-KSI-Mel4의 형질화체 집단 PCR. (B) 미니프렙 후 플라스미드의 PCR 확인. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 6. R929 섬유아세포에 대한 RK758의 세포독성. 증가하는 농도에서 RK758이 세포 생존력에 미치는 영향을 보여주는 용량-반응 곡선. CC50 값은 GraphPad Prism의 "억제제 대 정규화 반응 - 가변 기울기" 모델을 사용한 비선형 회귀로 계산되었으며, 농도에 따른 세포 생존력 억제가 확인되었습니다. 데이터는 세 개의 독립적인 생물학적 복제± 평균 SD를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 7: L929 세포에 대한 Mel4의 세포독성. Mel4가 세포 생존력에 미치는 농도 의존적 효과를 보여주는 용량-반응 곡선. CC50 값은 GraphPad Prism의 "억제제 대 정규화 반응 - 가변 기울기" 모델을 사용한 비선형 회귀로 계산되었으며, 농도에 따른 세포 생존력 억제가 확인되었습니다. 데이터는 세 개의 독립적인 생물학적 복제± 평균 SD를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 8: Cbz-L-트립토판에서 시작한 수정 합성 전략. Cbz-L-트립토판을 이용한 안트라닐아마이드 중간체 제조 및 구조 다각화를 위한 후속 기능화 단계를 보여주는 대체 합성 경로. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 9: 티우레아의 알킬화 후 아민 기질과의 친핵치환 .티우레아 황의 알킬화 후 아민 기질과의 친핵치환을 통해 구아니딘 함유 생성물을 생성하는 반응 경로 제안. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
| 섹션 | 이름/특징 | 순서 | |||
| 프라이머 | XbaI_KNRPR_Start | 5'-TAGGGGAATTGTGAGGGGATAACAATTCCCCTCTAGAAATAATT-3' | |||
| T7_TERM_REV | 5'-CCAAGGGGTTATGTAGTTATTGCTCA-3' | ||||
| 유전자 카세트 | His-KSI-Mel4 아미노산 서열 | MDHHHHHMIDETQRKATVLEYFERVNAKDLDGVKLF ATDAVVADPVGAPPVAGEEALRAYFQRVLHEFDTHDVPGV PSGAQDGQSVALPLKATINNPQDPTGGVRLDVNLVSVFTIG EDGLISEMRAYWGLTDIAPAGASSGRENLYFQGKNKRKRRR 으르르 | |||
| DNA 서열 | 5'-TAACAATTCCTCTAGAAATAATTTTTTTTTAACTTTAAGAGAGA 가타타카트가트카가트가악 GCAACGTAAGCGACGGTCTTAGATTTTTGAACGGGTGAATGCAA AAGACTTGGATGGCGTGTTAAACTCTTTGCGACGGACGCCGTGT AGCCGACCCTGTGTGCACCACCACCAGTGGCTGGTGAGGAGGCACTC CGTGCCTACTTCCAGCGGTCTTGCATGAATTTGACACCCATGATGTCC CGGGCGTTCCATCTGGTGCTCAGGATGGCCAATCAGTCGCACTCCCAC TTAAAGCAACCATCAACAATCCTCAAGATCCACAAGGCGGGGGCC TTGATGTGAACTTAGTGAGGTATTATCACGATTGGCGAAGGGGTTAAT CTCCGAGATGGTGCGTACTGGGGGTGTGTGACTGATTGCTCCGGCAGGT GCAAGCAGTGGTCGCGAGAACTTGTACTTCCAAGGTAAGAACAAGCGTA AGAGACGCCGGGCCGGAGGAGGAGGAGGAGGAGGAGAGGTCGCTAATCGAAC TCGAGATCCGGCT-3' | ||||
표 1: PCR 검증에 사용된 프라이머 서열과 최종 플라스미드 구성체의 전체 유전자 카세트 서열.
| 아미노산드 | 계산된 것 | 테스트 |
| 히스티딘 | 4.70% | 4.70% |
| 세린 | 3.60% | 3.40% |
| 아르기닌 | 10.70% | 9.20% |
| 글리신 | 9.50% | 11% |
| 아스파르트산 | 11.30% | 11.50% |
| 글루탐산 | 8.90% | 8.90% |
| 트레오닌 | 4.70% | 4.60% |
| 알라닌 | 9.50% | 9.70% |
| 프롤라인 | 5.30% | 5.30% |
| 라이신 | 4.10% | 4.50% |
| 티로신 | 2.40% | 2.20% |
| 메티오닌 | 1.80% | 1.90% |
| 이솔로신 | 3.00% | 3.20% |
| 류신 | 7.10% | 7.40% |
| 페냐라닌 | 3.60% | 3.60% |
| 발린 | 9.50% | 8.90% |
| 트립토판 | 0.60% | - |
표 2: 아미노산 조성 분석.
| 박테리아 균주 | MIC μg/mL (μM) | ||
| RK758 | 멜4 | 콜리스틴 | |
| K. pneumoniae JIE 2709 | 16 (21) | 62.5 (26.6) | 1 (0.87) |
| 대장균 NCTC 13846 | 16 (21) | 125 (53.2) | 8 (6.9) |
표 3: RK758, Mel4, 콜리스틴의 MIC가 그람 음성 박테리아에 대해 발견되었습니다.
여기서 설명하는 프로토콜은 양이온성 AMP Mel4(다른 AMP와 함께 사용할 수 있도록 변형 가능)와 펩타이드 모방 RK758의 생산 및 기능 평가를 위한 포괄적인 틀을 제공합니다. 이 워크플로우는 대장균 에서 다단계 화학 합성 또는 재조합 발현과 항균 및 세포독성 검사를 결합합니다. 이러한 접근법의 통합은 체계적인 AMP 연구를 위한 다재다능한 플랫폼을 제공하여 화학적으로 합성된 펩타이드와 생물학적 생산된 펩타이드 간의 직접 비교를 가능하게 합니다. 이 프로토콜의 여러 단계는 성공적인 펩타이드 생산 및 활성 평가에 특히 중요합니다.
RK758은 안트라닐아마이드 스캐폴드를 기반으로 한 합성 펩타이드 모방체입니다. 새로운 AMP 모방체 발견을 위한 화합물 스크리닝 단계에서는 합성물 라이브러리를 계획하는 데 실 리코 스크리닝을 활용하는 것이 어렵습니다. 따라서 이러한 모방 분석은 화합물 라이브러리의 다양성을 허용하는 비계 위에 하는 것이 중요합니다. 안트라닐아마이드 비계는 이러한 이유로 선택되었습니다. 안트라닐아마이드 기반 스캐폴드의 추가적인 이점은 RK758 대사산물인 5-브로모안트라닐산이 항균 특성을 가진 것으로 밝혀졌다는 점입니다.
이전 연구들은 RK758 및 유사체의 구조와 항균 활성을 최적화하는 데 다양한 합성 절차를 사용했습니다. 원래의 구조 최적화 연구는 다양한 양이온기와 치환기가 안트라닐 페닐기에 미치는 영향을 조사했습니다. 따라서 합성은 L-트립토판 메틸 에스터와 이사토익 무수화물 유도체의 고리 개방으로 시작되었습니다. 그 후 쿠푸사미 등(등)이 보여준 대로 제품을 변형할 수 있습니다. 후속 연구에서는 소수성 그룹의 구조와 위치를 조사했습니다. 후속 연구에서는 브로모 치환 스캐폴드는 나프틸 위치에서 다양한 소수성 그룹을 허용하며, 중간 4는 브로모 위치에서 스즈키 교차 결합에 적합하다는 것을 보여주었으며, 이는 그림 8에 나타났다.
현재 연구는 이전 접근법의 문제점 중 일부를 다루고 있습니다. 그림 4에 나타난 접근법에서는, 중간체 11이 디에틸 에테르와의 분열을 통해 정제된다고 보고했음에도 불구하고, 이 결과를 재현하려는 시도는 이후 크로마토그래피 정제가 필요한 끈적한 불순물 혼합물을 낳았습니다. 또한 중간학 6도 이 방법을 이용한 크로마토그레시 정제가 필요했습니다. 전반적으로 원래 연구는 L-트립토판 메틸 에스터 하이드로클로라이드로부터 6단계 동안 중간 7/21%의 수율을 달성했습니다. 두 번째 접근법15는 수율이 낮았음에도 불구하고(Cbz-L-트립토판 14%), 중간 체는 더 적은 단계로 다루기 쉬운 중간체를 생산했습니다.
이 연구는 초기 연구 단계에서 관찰된 바와 같이 Cbz-L-Trp와 N-Boc-에틸렌디아민을 결합할 때 잔류 DMF가 잔여하지 않도록 최적화가 필요함을 확인했습니다. DMF와 DCM의 비율이 3:8(v/v)인 혼합 용매 시스템을 사용하면 DMF 양이 줄어들어 작업 중 제거가 용이해졌습니다; 하지만 염소 첨가 용매를 대체하는 것은 환경 영향에 대한 우려를 불러일으킬 수 있습니다. 이 변형으로 수율도 87%로 향상되었는데, 이는 EDC가 DCM 혼합물에 침전하여 반응을 촉진하는 요인으로 작용한 것으로 보입니다. 수소 첨가는 보통 90%>를 내는 병목 현상도 확인되었습니다. 이 연구에서는 메탄올 대신 THF를 사용했을 때 정량적 수율이 3로 줄었으며, 이전 연구에서는 85%였고 반응 시간도 4시간으로 단축되었습니다. 이는 원래 연구에서 남아 있는 DMF가 팔라듐 촉매를 오염시켰을 가능성이 있어 더 순수한 출발물질을 사용했기 때문일 수도 있습니다. 전반적으로, 이전 접근법과 비교했을 때, Cbz-L-트립토판으로부터 5단계 만에 중간 7의 수율이 48%로 향상되었습니다. 앞서 논의한 이전 실험에서는 전체 수율이 21%였고, 추적 반응은 14%였으나, 이 연구에서는 화합물 7에 대해 48%의 수율을 기록하여 적절히 치환된 이자토계 무수화물 유도체에서 합성할 수 있는 유사체의 다양성을 보여주었습니다.
안트라닐아마이드 4의 고도로 탈활성화된 아민( 그림 8 참조)은 효율적인 반응을 위해 세 가지 산성 염화물이 필요합니다. 화학양론적 양론만 사용할 경우, 4에서 6으로의 변환이 불완전해져, 중간체 4와 6의 크로마토그래피 및 용해도 특성이 유사해 정제가 복잡해집니다. 저자들은 이것이 비계의 한계임을 인정하며, 과도한 산 염화물을 줄이기 위한 새로운 방법론을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
티우레아 8을 아민 7에 결합하는 끝에서 두 번째 반응에는 매우 독성이 강하고 환경에 매우 해로운 수은(II) 염화물이 필요하며, 대규모 합성을 위한 이 방법을 불가능하게 할 수 있습니다. 이 접근법은 실온에서 수은(II) 매개 티우레아스 부착이 진행되기 때문에 현재 연구에서 사용되었습니다. 티우레아 8을 이용한 또 다른 방법은 황 원자를 알킬화한 후 아민 기질로 친핵 치환을 하는 것입니다(그림 9에 나타난 것). 이러한 반응은 보고된 바 있으나, 많은 경우 기질20,21과 부산물이 형성될 수 있는 높은 온도와 기본 조건이 필요합니다. 또는 유사한 메틸화된 티우레아 기질을 사용하여 Saetan 등에 의해 광촉매 접근법이 보고되었습니다. 그들은 이 반응이 백색 LED 빛을 이용한 방사선 조사 하 주변 온도에서 일어난다고 보고합니다. 이 반응은 다양한 1차 및 2차 아민에서 일어나 80% 이상의 생성물을 생성한다고 보고되었습니다. 최종 반응에서는 디에틸 에테르로 분쇄 후 동결 건조를 거쳐 추가 정제가 필요 없는 생성물이 나옵니다(>MeOD-d4에서 1HNMR로 95% 순도). 주요 불순물은 잔류하는 고끓는점 1,2-에탄에디티올로, 독특한 양배추 같은 냄새로 쉽게 감지됩니다. Mel4의 재조합 발현은 최적의 광학 밀도(OD600 0.5–0.6)에서의 유도와 박테리아의 생존력을 유지하면서 포함체 형성을 극대화하기 위해 유도 온도의 신중한 유지가 필요하다22.
항균 및 세포독성 검사에는 정확하고 재현 가능한 결과를 얻기 위한 필수 단계도 포함됩니다. 박테리아 밀도나 펩타이드 용해도의 작은 변동이 측정된 MIC 및 MBC 값을 크게 바꿀 수 있으므로 정확한 접종 제제와 펩타이드의 연속 희석이 필요합니다16. MTT 세포독성 검사에서는 정확한 세포 계수, 균일한 씨앗 투여, 완전한 포르마잔 용해가 신뢰할 수 있는 대사 측정을 얻는 데 매우 중요합니다23.
프로토콜에 여러 수정을 통해 일반적인 문제를 해결할 수 있습니다. 수용성이 제한된 펩타이드는 0.01% 아세트산16 에 용해될 수 있으며, 펩타이드 또는 모방체는 DMSO24 에 용해되거나 0.1–0.2% BSA17 을 보충하여 MIC 결정 중 플라스틱 표면에 흡착되는 것을 방지할 수 있습니다. 재조합 포함체는 구아니디늄 클로라이드 또는 요소 농도를 조절한 후 단계적 투석을 통해 용해되고 재접힐 수 있습니다. MTT 분석의 경우, 부드러운 흔들기와 DMSO 완전한 용해가 흡수도 측정값의 변동성을 줄일 수 있습니다.
이 프로토콜의 중요성은 보완적인 생산 및 평가 전략의 통합에 있으며, 이는 표준 단일 방법 접근법에 비해 이점을 제공합니다. 많은 연구들이 펩타이드 또는 모방 생산에 단일 방법에 초점을 맞추지만, 모든 화합물에 이상적인 단일 방법은 없습니다; 펩타이드 특성에 따라 적절한 방법을 선택하면 최적의 수율과 기능을 보장합니다. 예를 들어, 화학 합성은 비천연 아미노산과 펩타이드 모방체를 정밀하게 통합할 수 있게 하는데, 이는 재조합 시스템에서 어려울 수 있습니다. 반대로, 재조합 발현은 화학 합성 과정에서 응집할 수 있는 고양이온성 펩타이드를 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다. 두 방법을 표준화된 기능적 분석법과 결합함으로써, 이 프로토콜은 표준 MIC 분석만의 범위를 넘어 AMP 활성과 세포독성의 엄밀한 특성 분석을 가능하게합니다.
전통적인 독립형 접근법과 비교할 때, 이 프로토콜은 항균 펩타이드 연구와 치료 개발에 폭넓게 적용 가능합니다. 구조-활성 관계를 탐구하고, 펩타이드 효능을 최적화하며, 독성을 평가하는 데 적응할 수 있습니다. 더불어, 이 방법들은 펩타이드 라이브러리의 고처리량 스크리닝, 박테리아 내성 기전 연구, 기존 항생제와의 병용 요법 평가를 지원할 수 있습니다. 항균 응용 외에도, 이 워크플로우는 항바이러스 또는 항진균 펩타이드 검사, 감염 통제를 위한 표면 코팅, 바이오필름 파괴나 면역조절과 같은 생의학적 응용 분야에도 적용될 수 있습니다.
결론적으로, 이 프로토콜은 AMP와 펩타이드 모방체의 생산, 정제 및 기능 평가를 위한 다재다능하고 재현 가능한 워크플로우를 제공합니다. 중요한 방법론적 고려사항을 다루고, 문제 해결 전략을 제공하며, 다양한 응용을 가능하게 함으로써 항균 및 생의학 연구의 견고한 기반을 마련합니다.
저자들은 이해 상충을 선언할 필요가 없습니다.
저자들은 뉴사우스웨일스 대학교의 마크 웨인라이트 분석 센터 및 재조합 제품 시설(RPF)에 감사의 뜻을 전합니다. 특히, HRMS 분석을 위한 생물분석 질량분석기와 NMR 기기 접근을 위한 NMR 시설이 포함됩니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1,2-에탄에디티올 | 오크우드 | M03555 | |
| 100X 항생제 | 시그마 올드리치 | A5955-20ML | |
| 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드 염산염 | 콤비 블록 | SS-7536 | 이제부터 EDC라고 부릅니다 |
| 2-나프톨일 클로라이드 | 콤비 블록 | OR-0173 | |
| 아세트산 | 아약스 파인쳐 | R18401O | |
| 아세토니트릴 | VWR | 20060.35 | |
| 알칼리성 인산효소 | 뉴잉글랜드 바이오랩스 | M0525S | |
| 소 혈청 알부민 (BSA) | 시그마 올드리치 | A1933 | |
| 양이온 조정 뮐러-힌튼 브로스 (CAMHB) | 벡턴, 디킨슨 앤 컴퍼니 | 212322 | |
| Cbz-L-Trp | 콤비 블록 | QB-6691 | |
| 콜리스틴 | 시그마 올드리치 | C4461 | |
| 데이-엥글리 (D/E) 중화 육수 | 옥소이드 | R453042 | |
| 규조토 (Celite 545) | 시그마 올드리치 | 102693 | 입자 크기 0.02-0.1 mm |
| 디클로로메탄 (DCM) | VWR | 23366.327 | |
| 디에틸 에테르 | 켐-서플라이 | EA036 | |
| 디메틸 설폭사이드 (DMSO) | 켐-서플라이 Pty Ltd.; | LCS-CHEM-0098 | |
| 디티오트레이톨(DTT) | 써모 사이언티픽 | J15397.03 | |
| DMEM 배양 배양지 | 서모 피셔 사이언티픽 | UCS-BIO-0058 | |
| 대장균 BL21(DE3) 숙주 | 시그마 올드리치 | 70235-M | |
| 전기공공기 | 써모 사이언티픽 | NEON1SK | |
| 에틸 아세테이트 | 켐-서플라이 | EA011-2.5L-P | |
| 에틸렌디아미네테트라아세트산 (EDTA) | 써모 사이언티픽 | 118432500 | |
| 태아 소 혈청 (FBS) | 시그마 올드리치 | 12003C-500ML | |
| 그가 태그한 TEV Protease | 시그마 올드리치 | T4455 | |
| 하이드록시벤조트리아졸 하이드레이트 | 켐-임플렉스 | 24755 | |
| 이미다졸 | 써모 사이언티픽 | 288-32-4 | |
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| 루리아-베르타니 브로스 (LB), 그리고 nbsp; | 써모 사이언티픽 | 12795027 | |
| 용해 완충제 | 써모 사이언티픽 | 89822 | |
| 수은(II) 염화물 | 시그마 올드리치 | 215465 | |
| 메탄올 (HPLC 그레이지) | VWR | A452-4K | |
| MTT 시약 | 시그마 올드리치 | M2128-100MG | |
| N,N-디이소프로필레틸아민 (DIPEA) | 시그마 올드리치 | 3440 | |
| N,N-디메틸 포름아마이드 (DMF) | 켐-서플라이 | RP1051 | |
| 나노드롭 | 써모 사이언티픽 | ND-원 | |
| N-복-에틸렌디아민 | 콤비 블록 | AM-1613 | |
| NTA 어피니티 레진 컬럼 | 시그마 올드리치 | 70666 | |
| 탄소 위에 팔라듐 | 시그마 올드리치 | 205699 | 10% 백백 백성 |
| 플라스미드 정제 키트 | 치아겐 | 27104 | |
| 폴리프로필렌 마이크로타이터 튜브 | SARSTEDT | 72.690.008 | |
| 플래시 컬럼 크로마토그래피용 실리카 젤 | 실리사이클 | R12030B | 실리카 젤 60, 230-400 메쉬 |
| 실리카 겔 얇은 층 크로마토그래피 플레이트 | 메르크 | 1055540001 | 알루미늄 백킹에 0.2 mm 두께의 층을 적용하고 254 nm 형광 지시기 |
| 인산나트륨, 0.2M 완충 | 써모 사이언티픽 | J63816. AP | |
| 무균 평평한 바닥 96웰 폴리프로필렌 마이크로타이터 플레이트 뚜껑 | 코닝 | 3599 | |
| T4 DNA 리가제 | 뉴잉글랜드 바이오랩스 | M0202S | |
| 트리에틸아민 (Et3N) | 켐-서플라이 | TR02151000 | |
| 트리플루오로아세트산 (TFA) | 시그마 올드리치 | T6508 | |
| 트리스-HCL | 써모 사이언티픽 | J62848. AK | |
| 트리톤 X-100 | 써모 사이언티픽 | A16046.AE | |
| 트리판 블루 | MP 바이오메디컬스 오스트레일리아 Pty Ltd | ||
| 트립신-EDTA (0.25%) | 시그마 올드리치 | T4049-500ML | |
| 트립티카제 대두 농가와 nbsp; | 벡턴, 디킨슨 앤 컴퍼니 | 211043 | |
| 요소와 nbsp; | 써모 사이언티픽 | 29700 | |
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