Synthese van informatiedragende Peptoids en hun reeks-geleide Dynamische Covalent Zelfassemblage

Samenvatting

Een protocol wordt gepresenteerd voor de synthese van informatie-gecodeerde peptoid oligomeren en voor de sequentie-gerichte zelfassemblage van deze peptoids in moleculaire ladders met behulp van amines en aldehyden als dynamische covalente reactant paren en Lewis zure zeldzame aarde metalen triflates als multi-role reagentia.

Samenvatting

Dit protocol presenteert het gebruik van Lewis zure multi-role reagentia om kinetische vangst waargenomen tijdens de zelfassemblage van informatie-gecodeerde oligomrische strengen bemiddeld door gepaarde dynamische covalente interacties op een manier nabootsen van de thermische fietsen vaak gebruikt voor de zelfassemblage van complementaire nucleïnezuur sequenties. Primaire amine monomeren met aldehyde en amine hanger moieties zijn gefunctionaliseerd met orthogonale beschermende groepen voor gebruik als dynamische covalente reactant paren. Met behulp van een gemodificeerde geautomatiseerde peptide synthesizer, de primaire amine monomeren zijn gecodeerd in oligo (peptoid) strengen door middel van solid-phase submonomeer synthese. Bij zuivering door high-performance vloeibare chromatografie (HPLC) en karakterisering door elektrospray ionisatie massaspectrometrie (ESI-MS), sequentie-specifieke oligomeren worden onderworpen aan hoge belasting van een Lewis zure zeldzame aarde metalen triflate die beide de beschermt de aldehyde moieties en beïnvloedt de reactante paar evenwicht zodanig dat strengen volledig scheiden. Vervolgens wordt een fractie van het Lewis-zuur geëxtraheerd, waardoor het gloeien van complementaire sequentiespecifieke strengen informatiegecodeerde moleculaire ladders kan vormen die worden gekenmerkt door matrixondersteunde laserdesorptie/ionisatiemassaspectrometrie (MALDI-MS). De eenvoudige procedure die in dit rapport wordt beschreven, omzeilt kinetische vallen die vaak worden ervaren op het gebied van dynamische covalente assemblage en dient als platform voor het toekomstige ontwerp van robuuste, complexe architecturen.

Inleiding

Vooruitgang in zelfassemblage, het proces waarbij kleine sub-eenheden grotere architecturen genereren door middel van thermodynamisch gestuurde trajecten, heeft een betere controle over macro- en supramoleculaire nanostructuren geboden, meestal door gebruik te maken van intermoleculaire interacties zoals π-stacking en waterstofbinding^1,2,3,4. In het bijzonder zijn nucleïnezuren (d.w.z. polynucleotiden) naar voren gekomen als opmerkelijk veelzijdige nanoconstructiemedia, omdat de hoge informatiedichtheid van de basiskoppeling van Watson-Crick de assemblage van complexe, sequentieselectieve structuren^4,5mogelijk maakt. Terwijl de inherent lage sterkte van deze voorbijgaande intermoleculaire bindingen sub-unit herschikking en foutcorrectie mogelijk maakt , zijn de resulterende structuren vaak gevoelig voor thermische en mechanische afbraak⁶. Dynamische covalente interacties^7,8,9, een klasse van covalente hechtingsvormende reacties die omkeerbaar of herschikbaar zijn onder milde omstandigheden en onlangs zijn gebruikt om ingewikkelde macromoleculen zoals ladders^10,11,12,13, kooien^14,15,16, en stapels¹⁷opleveren, verhoogde obligatiesterke punten en robuuste structuren. Helaas wordt de capaciteit voor herschikking en foutcontrole verminderd door de relatief lage herschikkingspercentages van deze covalente soorten, waardoor hun capaciteit voor zelfassemblage in de gewenste producten wordt ingeperkt¹⁸. Om deze kinetische overvulling aan te pakken, worden katalysatoren of barre reactieomstandigheden vaak gebruikt in combinatie met eenvoudige bouwstenen. Hier rapporteren we een proces dat kinetische overvulling omzeilt om de zelfassemblage van moleculaire ladders van sequentiespecifieke oligomeren mogelijk te maken, waarbij de hybridisatie wordt geleid door de informatie gecodeerd in de oligomerresidusequenties.

Gezien hun synthetische toegankelijkheid worden poly(N-vervangende glycine)s (d.w.z. peptoids) gebruikt als oligomeric precursoren waaruit de moleculaire ladders zijn geassembleerd¹⁹. Peptoids zijn structurele isomers van peptiden waarin hanggroepen worden aangebracht op de backbone-gedragen stikstof in plaats van gekoppeld aan de α-koolstof²⁰. Met behulp van solid-phase synthese, exacte plaatsing van dynamische covalente hanger groepen langs de peptoid keten is gemakkelijk bereikt, waardoor het ontwerp van voorloper oligomeren die kunnen monteren in complexe supramoleculaire structuren²¹.

De dynamische covalente herschikking van imine connectiviteit wordt gebruikt in deze procedure als de imine-genererende condensatie reactie biedt een handig middel om de zelfassemblage te karakteriseren door massaspectrometrie als elke band gevormd resulteert in een massareductie van 18 g/mol²². Bovendien kan het evenwicht tussen de amine en aldehydereactanten en imineproduct worden gevarieerd door de zuurconcentratie te veranderen. Met name worden metaaltriflaten van zeldzame aarde gebruikt om het evenwicht te beïnvloeden en bovendien ethyleenacetaat beschermde aldehyden^23,24,25te debeschermen . Om op te merken, scandium triflate wordt al vaak gebruikt op het gebied van dynamische covalente zelfassemblage, met inbegrip van het recente succes in het helpen van de synthese van covalente organische kaders (COFs) bij kamertemperatuur^26,27. Bovendien maakt de contrasterende oplosbaarheid van de oligo(peptoid) sequenties en de zeldzame metalen triflate evenwichtsbeheersing mogelijk door vloeistof-vloeibare extractie. Het gerapporteerde proces maakt gebruik van deze controle om de kinetische barrières te omzeilen die informatiegestuurde zelfassemblage verhinderen.

Protocol

LET OP: Verschillende chemische stoffen die in dit protocol worden gebruikt, zijn corrosief, ontvlambaar of giftig en mogen alleen onder een chemische rookkap worden gebruikt. Gebruik de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen en raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen (SDS) voor gebruik.

1. Monomeersynthese

OPMERKING: Primaire amines werden gesynthetiseerd op basis van gepubliceerde benaderingen.

1. Synthese van 4-(2-aminoethyl)-N-(allylcarbonyloxy)fenylamine (Npam)^25,28
   1. Voeg 5,0 g (36,7 mmol) van 4-(2-aminoethyl)aniline toe aan 150 mL azijnzuur (waterige oplossing, v/v).
      OPMERKING: Het gebruik van zwak zuur maakt selectieve bescherming van de aromatische amine mogelijk zonder de aliphatische amine aan te tasten als gevolg van het grote verschil in pK_een waarde tussen de twee groepen.
   2. Bereid een oplossing van 4,9 g (40,4 mmol; 1,1 equiv.) allyl chloroformate in 150 mL van 1,4-dioxaan.
   3. Combineer de oplossingen in een 500 mL ronde bodemkolf uitgerust met een magnetische roerstaaf en roer het reactiemengsel 's nachts op kamertemperatuur.
   4. Om de reactie op te werken, verdun met 500 mL gedeïoniseerd (DI) water en was met diethylether (Et₂O, 300 mL × 3). Gooi de organische fracties weg.
   5. Pas de waterige fase aan op pH 14 door 2 M NaOH (waterige oplossing) toe te voegen en extract met Et₂O (150 mL × 3).
   6. Combineer de organische breuken en was met DI water (150 mL × 3).
   7. Droog over Na₂SO_4,dan filteren.
   8. Verdampen tot droogte onder verminderde druk.
   9. Bevestig de identiteit van het geïsoleerde product, Npam, door nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. Verwacht de volgende resultaten: ¹H NMR (500 MHz, CdCl₃) δ: 7,31 (d, J = 8,0 Hz, 2H, Ar), 7,14 (d, J = 8,5 Hz, 2H, Ar), 6,65 (s, 1H, -NH-), 6,04 – 5,89 (m, 1H, -CH=CH₂), 5,36 (dq, J = 17,1, 1,6 Hz, 1H, -CH=CHH), 5,26 (dq, J = 10,5, 1,4 Hz, 1H, CH=CHH), 4,66 (dt, J = 5,8, 1,5 Hz, 2H, -C2-CH=CH₂), 2,94 (t, J = 6,8 Hz, 2H, -CH ₂-NH₂), 2,70 (t, J = 6,8 Hz, 2H, -CH₂-Ar), 1,04 (s, 2H, -CH₂-NH₂). ^13. C NMR (125 MHz, CD₃OD) δ: 154,85, 137,00, 134,98, 133,51, 129.36, 119,41, 116,92, 65.62, 59.89, 43.47, 38.72.
      OPMERKING: Het product is een lichtgele vaste stof en heeft een totale opbrengst van 69%. Gebruik het product zonder verdere zuivering.
2. Synthese van 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzonitril^29,30
   1. Los 25 g (0,19 mol) van 4-cyanobenzaldehyde op in 200 mL tolueen.
   2. Voeg 42,2 mL (0,768 mmol; 4 equiv.) ethyleenglycol en 0,02 g (0,1 mmol; 0,05 mol%) toe van tolueen-p-sulfoonzuur aan het reactiemengsel.
   3. Roer en reflux 's nachts bij 120 °C met behulp van een Dean-Stark val (d.w.z. azeotropische distillatie) om water te verwijderen dat tijdens de reactie wordt gegenereerd.
   4. Nadat de reactie is voltooid en gekoeld tot kamertemperatuur, voeg 40 mL van 5% NaHCO₃ (w/v) waterige oplossing toe.
   5. Haal de organische laag eruit en was drie keer met DI-water.
   6. Droog over Na₂SO_4,dan filteren.
   7. Verdampen tot droogte onder verminderde druk.
   8. Bevestig de identiteit van het geïsoleerde product, door NMR spectroscopie. Verwacht de volgende resultaten: ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 7,67 (d, J = 8,0, 2H, Ar), 7,59 (d, J = 8,4, 2H, Ar), 5,84 (s, 1H, CH), 4,12 - 4,03 (AAーBBー, 4H, (CH₂O)₂). ^13. C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 143,20, 132,34, 127,30, 118,72, 113,02, 102,56, 65,57.
      OPMERKING: Het product is een witte kristallijne vaste stof en heeft een totale opbrengst van 86%. Gebruik het product zonder verdere zuivering.
3. Synthese van 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzylamine (Npal)²⁹
   1. Bereid een oplossing van 10 g (0,057 mol) van 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzonitril in 100 mL watervrije Et₂O.
   2. Voeg voorzichtig 4,3 g (0,11 mol; 2 equiv.) lialh₄ tot 100 mL watervrije Et₂O toe in een ronde bodemkolf bij 0 °C. Roer om een goed gemengde ophanging te creëren en verzegel het systeem onder een inerte atmosfeer met behulp van een argon gevulde ballon. Blus voorzichtig met ethanol eventuele resterende LiAlH₄ op apparatuur die wordt gebruikt voor het wegen.
      LET OP: Lithium aluminium hydride (LiAlH₄₎is een milde pyrofore; handgreep onder inert gas en beschermen tegen vocht.
   3. Voeg de 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzonitriloplossing langzaam toe met behulp van een bijtellingstrechter of een spuitpomp met behoud van het reactiemengsel bij een temperatuur van 0 °C.
   4. Roer het reactiemengsel 4 uur bij 0 °C, gevolgd met 12 uur bij kamertemperatuur.
   5. Nadat de reactie is voltooid en gekoeld tot 0 °C, voeg langzaam 95% ethanol (30 mL) toe. Verder blussen door 50% ethanol in water toe te voegen (v/v, 20 mL). Een bubbler kan worden gebruikt om het blusproces te monitoren.
      LET OP: Voeg extra watervrije Et₂O toe als dat nodig is om een voldoende roeringspercentage te behouden.
   6. Scheid de ether supernatant en verdampen tot droogte onder verminderde druk.
   7. Filtreer de resulterende olie door een spuitfilter van 0,45 μm.
   8. Bevestig de identiteit van het geïsoleerde product NpaIdoor NMR spectroscopie. Verwacht de volgende resultaten: ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 7,44 (d, J = 8, 2H, Ar), 7,32 (d, J = 8, 2H, Ar), 5,80 (s, 1H, CH), 4,14 - 4,0 (AAーBB, 4H, (CH₂O)₂), 3,87 (s, 2H, -CH₂-NH₂). ^13. C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 144,53, 136,53, 127,16, 126,77, 103.72, 65,39, 46.35.
      OPMERKING: Het product is een gele olie en heeft een totale opbrengst van 70%. Gebruik het product zonder verdere zuivering.
4. Synthese van 2-(2-ethoxyethoxy)ethyltosylaat^29,31
   1. Voeg 20 g (0,15 mol) diethyleenglycol monoethylether en 50 mL tetrahydrofuran (THF) toe aan een 250 mL ronde bodemkolf met een magnetische roerder.
   2. Koel tot 0 °C af en sluit het systeem af onder een inerte atmosfeer met behulp van een met argon gevulde ballon.
   3. Voeg 50 mL van 6 M waterige NaOH (2 equiv.).
   4. Los 54 g (0,28 mol; 2 equiv.) tosylchloride op in 80 mL THF en voeg de oplossing toe aan het reactiemengsel dropwise. Roer 1 uur bij 0 °C.
   5. Laat het reactiemengsel op kamertemperatuur komen en roer nog een uur door.
   6. Haal het reactiemengsel eruit met Et₂O (400 mL).
   7. Was de organische laag met 1 M NaOH, dan met DI water.
   8. Droog over Na₂SO_4,dan filteren.
   9. Verdampen tot droogte onder verminderde druk.
   10. Bevestig de identiteit van het geïsoleerde product door NMR spectroscopie. Verwacht de volgende resultaten: ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 7,78 (d, J = 8,0, 2H, -S-C=CH-CH), 7,33 (d, J = 8,5, 2H, -S-C=CH-CH), 4,15 (t, J = 5,0, 2H, -CH₂-CH₂-O-Ts), 3,68 (t, J = 5,0, 2H, CH₂-CH₂-O-Ts), 3.60-3.42 (m, 6H, O-CH₂-CH₂-O-CH₂-CH₃), 2.43 (s, 3H, C-CH₃), 1.17 (t, J = 7,0, 3H, O-CH₂-CH₃). ^13. C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 144,79, 132,95, 130,26, 129,80, 127,90, 126,95, 70,75, 69,68, 69,29, 68,61, 66,57, 21,56 van 15,11.
       OPMERKING: Het product is een kleurloze vloeistof en heeft een totale opbrengst van 98%. Gebruik het product zonder verdere zuivering.
5. Synthese van 2-(2-ethoxyethoxy)ethylazide^29,31
   1. Los 40 g (0,14 mol) van 2-(2-ethoxyethoxy)ethyltosylaat op in 250 mL dimethylformamide (DMF) in een ronde bodemkolf met een magnetische roerder. Sluit het systeem onder een inerte atmosfeer met behulp van een argongevulde ballon.
   2. Voeg 32 g (0,49 mol; 3,5 equiv.) nan₃ toe aan het reactiemengsel.
      LET OP: Gebruik geen metalen spatel bij het wegen van NaN₃. NaN₃ kan reageren met lood en koper wat resulteert in de vorming van zeer explosieve metalen azides. Het is acuut giftig en fataal bij inslikken of in contact met de huid.
   3. Verwarm het reactiemengsel tot 60 °C en laat het 36 uur lopen. Koel dan af tot kamertemperatuur.
   4. Verdun met grote hoeveelheid water (500 mL) en extract met Et₂O (150 mL × 3).
   5. Isoleer de organische laag en voer waterwassingen uit.
   6. Droog over Na₂SO_4,dan filteren.
   7. Verdampen tot droogte onder verminderde druk.
   8. Bevestig de identiteit van het geïsoleerde product door NMR spectroscopie. Verwacht de volgende resultaten: ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 3,64 (m, 4H, O-CH₂-CH₂-O), 3,58 (m, 2H, N₃-CH₂-CH₂-O), 3,51 (q, J = 7,5, 2H, O-CH₂-CH₃), 3,38 (t, J = 5,0, 2H, N₃-CH₂-CH₂-O), 1,19 (t, J = 7,5, 3H, O-CH₂-CH₃). ^13. C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 70,70, 69,97, 69,80, 66,63, 50,60, 15,08.
      OPMERKING: Het product is een gele vloeistof en heeft een totale opbrengst van 85%. Gebruik het product zonder verdere zuivering.
6. Synthese van ethylamine 2-(2-ethoxyethoxy)(Neee)^29,31
   1. Los 20 g (0,13 mol) van 2-(2-ethoxyethoxy)ethylazide op in 160 mL THF in een 500 mL ronde bodemkolf met een magnetische roerder.
   2. Voeg 40 g (0,15 mol, 1,1 equiv.) triphenylphosfine toe en roer 's nachts bij kamertemperatuur onder argon.
   3. Blus het reactiemengsel met water (220 mL) en laat het nog een dag roeren.
   4. Was de resulterende oplossing met tolueen, gevolgd door dichloormethaan (DCM).
   5. Verdamp de waterige laag onder vacuüm.
   6. Bevestig de identiteit van het geïsoleerde product Neee,door NMR spectroscopie. Verwacht de volgende resultaten: ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 3,62-3,42 (m, 8H, NH₂-CH₂-CH₂-O-CH₂-CH₂-O-CH₂-CH₃), 2,82 (m, 2H, NH₂-CH₂-CH₂-O), 1,48 (s, 2H, NbH₂), 1,16 (t, J = 7,5, 3H, O-CH₂-CH₃). ^13. C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ: 73.14, 70.72, 69.64, 66.45, 41.35, 15.00.
      OPMERKING: Het product is een gele vloeistof en heeft een totale opbrengst van 58%. Gebruik het product zonder verdere zuivering.

2. Solid-phase submonomeersynthese van oligo(peptoids)

OPMERKING: De submonomeerbenadering van solid-phase synthese (SPS) werd gebruikt omdat het de productie van sequentiespecifieke oligomeren met een hoge koppelingsefficiëntie mogelijk maakt. Een geautomatiseerdpeptide synthesizer werd aangepast om snel te genereren oligo (peptoids). Instellingen kunnen moeten worden gewijzigd voor verschillende instrumenten.

1. Voorbereiding
   1. Weeg 0,125 g Fmoc-Photolabile SS hars (0,8 mmol/g typische belasting, 0,1 mmol schaal, 100-200 mesh, 1% DVB) en voeg toe aan een fritted geautomatiseerdsynthesizer reactieschip. Steek het vat in het magnetrongedeelte van de synthesizer.
   2. Vul de hoofdoplosmiddelfles met DMF en de debeschermingsfles met 20% 4-methylpiperidine in DMF (v/v). Leeg afval.
   3. Bereid 1 M-oplossingen voor van bromoazijnzuur en N,N'-diisopropylcarbodiimide (DIC) in DMF met totale volumes van 1,5 mL × (aantal residuen in volgorde) + 5 mL. De extra 5 mL zorgt ervoor dat er geen lucht in de machine komt. Voeg 0,47 mL azijnzuuranhydride toe aan DMF om een 5 mL capping-oplossing te maken.
      LET OP: DIC kan ernstige oogschade, huidirritatie en sensibilisatie veroorzaken, en irritatie en sensibilisatie van de luchtwegen.
   4. Bereid 0,5 M-oplossingen voor van elke primaire amine (Npam, Npal, Neee en Nma (2-methoxyethylamine)) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) die worden gebruikt voor de verplaatsingsstap. De totale volumes van de primaire amineoplossingen moeten 2,5 mL × (aantal residuen van de juiste primaire amine) + 2,5 mL bedragen.
   5. Voeg alle oplossingen toe aan het geautomatiseerde synthesizerspruitstuk.
2. Synthese
   LET OP: Voer uit met behulp van een geautomatiseerde peptide synthesizer.
   1. Zwellen de hars bij kamertemperatuur voor 5 min met 10 mL DMF. Giet het reactievat af.
   2. Splijt de Fmoc-groep met 3 mL van de 20% 4-methylpiperidineoplossing voor 30 s bij 75 °C en 90 s bij 90 °C. Laat het schip leeglopen. Herhaal. Wassen met DMF (2 mL × 2).
   3. Voeg aan het vat 1,5 mL van de bromoacetische zuuroplossing en 1,5 mL van de DIC-oplossing toe. Verwarm de reactie op 75 °C gedurende 4,5 min om de bromoacetylatiereactie uit te voeren. Was de hars (5 mL DMF × 3).
   4. Voer de verplaatsingsreactie uit door toevoeging van 2,5 mL primaire amine monomeeroplossing aan het reactievat. Verwarm bij 75 °C gedurende 4,5 min. Washars (5 mL DMF × 3).
   5. Herhaal stap 2.2.3. en 2.2.4. terwijl achtereenvolgens de primaire aminemonomeer wordt vervangen die in stap 2.2.4 wordt gebruikt. oligo(peptoid) keten te kweken op een sequentie-specifieke manier.
   6. Na de laatste verplaatsingsstap sluit u de reeks af door 2,5 mL van de azijnzuuranhydride-oplossing en 2 mL van de DIC-oplossing toe te voegen. Verwarm bij 50 °C gedurende 2 min. Was de hars (5 mL DMF × 6).
   7. Breng de hars over op een gefriteerd glazen reactievat uitgerust met een 3-weg stopcock. Het glazen reactievat moet eerder worden gesiliconiseerd om te voorkomen dat kralen zich aan de muren vasthouden. Silanize de wanden door het vullen van het vat met een 5% dichloordimethylsilane in dichloorethaan (DCE) (v/ v) oplossing aan de bovenkant en laat het zitten voor 30 min. Giet het vat af en wassen met DCE en methanol. Droog glazen vat voor gebruik.
   8. Was de hars met DCM (5 mL × 3), borrel met N₂ door de ene arm en trek vacuüm met een andere.
   9. Droog en bewaar hars en bevestigd oligo(peptoid) tot debescherming en decolleté.
3. Alloc-amine deprotection en decolleté van hars
   1. Als de hars meer dan een dag is opgeslagen, reswell de hars door te borrelen met 5 mL DMF gedurende 10 min. Giet het vat af en voeg een kleine magnetische roerstaaf toe.
   2. Voeg 3 mL droge DCM toe aan het glazen peptidevat.
   3. Weeg 0,1 equivalenten tetrakis(triphenylfosfine)palladium(0) en 25 equivalenten fenylsilane per Alloc-groep. Gebruik een klem om het reactievat onder een hoek boven een roerplaat te plaatsen, zodat de hars zachte agitatie ondergaat terwijl ze in het oplosmiddel blijft hangen. Om te voorkomen dat de DCM verdampt, sluit u het reactievat af.
   4. Na 1 uur, filter de oplossing en was de hars met DCM (3 × 5 mL).
   5. Herhaal stap 2.3.2. en 2.3.3.
   6. Spoel de hars achtereenvolgens af met methanol en DCM twee maal.
   7. Breng de hars en magnetische roerstaaf over op een flacon van 20 mL.
   8. Dompel de hars onder in DMF, roer en kloven gedurende 36 uur onder bestraling bij ongeveer 25 mW.cm^-2 met 405 nm. Een klein deel van hars kan worden gespleten en gekenmerkt in ESI-MS voor deze stap om volledige Alloc deprotection van amine te garanderen. Als er Alloc-groepen overblijven, herhaalt u de stappen 2.3.2 en 2.3.3.
   9. Scheid bevrijde oligo(peptoid) van hars via een spuitfilter. Verwijder oplosmiddel onder vacuüm.
4. Zuivering en karakterisering van oligo(peptoids)
   1. Reconstrueren de peptoids in een 50/50 mengsel van water / acetonitril.
   2. Zuiveren met reverse-phase preparatieve HPLC (C18). Combineer gezuiverde fracties, vries en lyofiel en opbrengst off-white poeder. Het poeder kan worden opgeslagen voor verder gebruik.
   3. Analyseren met ESI-MS na zuivering.
   4. Voer MALDI massaspectrometrie uit in reflectron positieve ionenmodus. Meng 2 μL van een oplossing van het monster (1 mM) met 6 μL van een mengsel van 10 mg matrix [2-(4-hydroxyphenylazo)benzoëzuur (HABA)] in 200 μL acetonitril. Spot op een MALDI monster plaat en laat de lucht drogen.
   5. Voer voor zuiverheid analytische HPLC uit van gezuiverd oligo (peptoids).

3. Opeenvolging-selectieve ladder zelfassemblage

1. Zelfassemblage door dissociatie/extractie/annealing
   1. Bereid 10 mM stock oplossingen van elke oligo (peptoid) sequentie gebruikt voor zelfassemblage en een 10 mM voorraad oplossing van scandium triflate (Sc(OTf)₃) in watervrije acetonitril.
   2. Voeg 20 μL van elke peptoidstockoplossing toe aan een flacon van 3 mL, uitgerust met een magnetische roerstaaf. Voeg 1,5 eq van Sc(OTf)₃ per potentiële imine obligatie uit de voorraad oplossing. Voeg voldoende water en acetonitril toe om een totaal van 200 μL 2% (v/v) water/acetonitriloplossing te vormen.
   3. Roer voorzichtig bij 70 °C gedurende 2 uur voor acetale-deprotection van de aldehyde en dissociatie van alle strengen.
   4. Laad de flacon op met 200 μL chloroform en 2 mL water. Schud voorzichtig.
   5. Laat het mengsel staan (ten minste 15 min) en, na volledige fasescheiding, de organische laag extraheren met een microliterspuit.
   6. Roer een nieuwe flacon bij 70 °C voor oligomer annealing, meestal 6 uur. Ladder hybridisatie kan ook worden uitgevoerd bij kamertemperatuur, maar over een langere periode.
2. Karakterisering van zelfgeassembleerde soorten
   1. Voer MALDI-TOF massaspectrometrie uit op de oplossing van het reactiemengsel na de stappen 3.1.3., 3.1.5., en 3.1.6. om de reactie te volgen. Als hybridisatie onvolledig is, voeg dan 1,5 eq van Sc(OTf)₃ per potentiële imine-obligatie toe aan de aandelenoplossing en herhaal stap 3.1.3-3.1.6. tot het klaar is.
   2. Droog het monster onder een gestage stroom stikstof en reconstrueren in 1 mL van 2% salpeterzuur (waterige oplossing, v/v). Verdun 4 × 10^6-voudigmet HPLC water. Bepaal de post-extractie scandiumconcentratie met inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (ICP-MS).

Resultaten

Om het vermogen van informatie-gecodeerde peptoids aan te tonen om reeks-selectieve dynamische covalente zelfassemblage in moleculaire ladders te ondergaan, werd een representatieve bundel, H₂N-[Npam-Neee-Npal-Neee]₂-Npam-Nma, gesynthetiseerd en gehybridiseerd met zijn complementaire peptoidopeenvolging. De monomeren Npam en Npal (gekenmerkt door ¹H NMR (500 MHz), figuur 1) werden gebruikt als dynamische covalente reactant paren met Neee helpen oplosbaarheid van de uiteindelijke zelfgeassembleerde producten. Bovendien maakt de integratie van de commercieel beschikbare Nma monomeer een massadifferentiatie tussen de twee complementaire sequenties mogelijk. Na voltooiing van de solid-phase submonomeersynthese werd de Alloc-groep verwijderd met Pd(PPh₃)₄. Voor en na de bescherming werden delen van de hars onder 405 nm licht gespleten en gekenmerkt door ESI-MS (figuur 2). De sequentie werd gezuiverd door prep HPLC, lyophilized om een off-white poeder te bereiken, en zuiverheid bevestigd met analytische HPLC (Figuur 3). Het oligo (peptoid) werd vervolgens gehybridiseerd met zijn complementaire volgorde, H₂N-[Npal-Neee-Nam-Neee]₂-Npal, om zich een in het register ladder te veroorloven die door MALDI-MS (Figuur 4) werd bevestigd .

Figuur 1: Monomeer synthetische schema's en ¹H-NMR spectra. A) Monomeer synthetische schema's met reagentia en voorwaarden: i) allyl chloroformate, 10% waterig azijnzuur, 1,4-dioxaan, kamertemperatuur, 's nachts; ii) ethyleenglycol, tolueen-p-sulfoonzuur, tolueen, reflux, 's nachts; iii) LiAlH₄, watervrije Et₂O, 0 °C voor 4 uur en vervolgens de kamertemperatuur van 12 uur; iv) tosylchloride, THF, 0 °C; v) NaN₃, DMF, 60 °C, 36 h; vi) triphenylphosfineine, THF, 's nachts. (B) Monomeer ¹H-NMR-spectra (500 MHz, CDCl_3): i) 4-(2-aminoethyl)-N-(allylcarbonyloxy)fenylamine (Npam); ii) 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzylamine (Npal); iii) 2-(2-ethoxyethoxy)ethylamine (Neee). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2: Synthese en debescherming van een sequentiespecifiek oligo(peptoid). (A) Structuren van H₂N-[Npam-Neee-Npal-Neee]₂-Npam-Nma voor en na alloc-beschermende groepsverwijdering met bijbehorend (B) ESI massaspectrum. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 3: Zuivering en karakterisering van een informatiegecodeerde peptoid. (A) HPLC chromatogram van de strengzuivering door voorbereidende HPLC met een lineaire gradiënt van acetonitril (MeCN) en water: (1) 30% MeCN, 0,1-2,1 min; (2) 30-95% MeCN, 2,1-16,1 min; (3) 95% MeCN, 16,1-23,1 min; (4) 95% MeCN, 23.1-26.1 min. Pieken i en ii komen overeen met respectievelijk lage moleculaire gewichtsbijproducten, voornamelijk DIC-urere, en oligomericsoorten, met inbegrip van het gewenste product. (B) Analytisch HPLC chromatogram en (C) ESI massaspectrum van H₂N-[Npam-Neee-Npal-Neee]₂-Npam-Nma na lyophilisatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 4: Zelfassemblage van H₂N-[Npam-Neee-Npal-Neee]₂-Npam-Nma en zijn complementaire volgorde, H₂N-[Npal-Neee-Nam-Neee]₂-Npal. (A) Structuren van de twee sequenties en de resulterende sequentie-gedreven assemblage. (B) MALDI massaspectrum van de moleculaire ladder na het annealing bij kamertemperatuur 's nachts. Massa's: verwacht [M+Na]⁺ = 3306.7, gevonden 3306.0; verwacht [M_{-1 imine}+Na]⁺ = 3324,7, gevonden 3323,9; verwacht [M_{-2 imine} +Na]⁺ = 3342,7, gevonden 3342,8; verwacht [M_{-2 imine} +CH₃OH+H]⁺ = 3352,8, gevonden 3352.0. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussie

De techniek hierin beschrijft de dynamische covalente assemblage van informatiedragende peptoid oligomeren, waar informatie wordt gecodeerd in de volgorde van hun hangergroepen. Het gebruik van een alloc-beschermde aminemonomeer in combinatie met een ethyleenacetaal beschermde aldehydemonomeer maakt orthogonale debescherming mogelijk, waardoor Alloc-deprotection op kraal- en acetale deprotection ter plaatse tijdens de zelfassemblagereactie mogelijk is, waardoor de gesynthetiseerde sequenties niet voortijdig reageren vóór oligomerzuivering en karakterisering. Belangrijk is dat de solid-fase synthese wordt uitgevoerd met behulp van een fotolabile hars om oligomer decolleté van de kraal onder UV- of violetlichtbestraling mogelijk te maken, waardoor vroegtijdige debescherming van de zuur-labiele, ethyleenacetaalgebaseerde beschermende groep wordt uitgesloten. Verschillende alternatieve debeschermingsregelingen kunnen worden overwogen. Zo maakten we in eerste instantie gebruik van dual acid-labile protecting groups (Boc-amine en ethyleen acetal-aldehyde) met de bedoeling om in situ deprotection door een sterk zuur gevolgd met neutralisatie om de zelfassemblagereactie door te laten gaan; deze aanpak resulteerde echter in de onmiddellijke generatie van neerslag bij toevoeging van de basis. Als alternatief werd de bescherming van de amine met een fotolabile protecting groep, 2-(2-nitrofenyl)propoxycarbonyl (NPPOC), voor ogen als de aldehyde selectief kon worden beschermd bij behandeling met trifluoroacezuur (TFA) voorafgaand aan de zuivering. Helaas, in situ fotolyse van de beschermende groep met UV-licht niet veroorloven kwantitatieve debescherming, zelfs in aanwezigheid van fotosensibilisaat en na langdurige bestralingsperiode²⁵. Trimethylsilylethoxycarbonyl (d.w.z. Teoc) kan worden gebruikt als een aminebeschermende groep en is onderworpen aan decolleté bij behandeling met metaaltriflaten van zeldzame aarde; kwantitatieve Teoc-deprotection vereist echter veel hogere polyflatebelastingen van zeldzame aardmetalen dan nodig is voor de bescherming van het acetaat van ethyleen. Voor dit protocol mogen Teoc-amines worden gebruikt, maar de lewiszuurconcentratie moet dienovereenkomstig worden aangepast, aangezien subkwantitatieve aminedeprotection problematisch zou kunnen blijken voor grotere zelfgeassembleerde structuren. Aliphatic functionele groepen werden kort overwogen, maar debescherming van aliphatic aldehyden vereist strenge voorwaarden die peptoid opeenvolgingen^32,33afkappen.

Integratie van Neee en Nma als inerte spacer residuen dienen om de oplosbaarheid van oligomeer te verbeteren en facile mass-tagging van de voorloper oligomeren in staat stellen zich een gedeready identificatie van de gegenereerde soorten door massaspectroscopie veroorloven. Bovendien, gezien de "Σ-streng" conformatie van peptoids waar aangrenzende ruggengraat segmenten nemen tegengestelde rotatietoestanden om een lineaire, twist-free oligomer^34,35vormen , sequenties waarin afwisselend dynamische covalent en inerte afstandsmateriaal residuen vergemakkelijkt een structuur waarin reactieve hanger groepen zijn gericht in dezelfde richting. Gezien de veelzijdigheid van de submonomeermethode kan een grote en diverse bibliotheek van primaire amines worden gebruikt om de peptoid oligomeren verder te wijzigen, maar kan aanpassingen van het protocol vereisen om een hoge koppelingsefficiëntie te behouden.

Terwijl oligo(peptoids) handmatig kan worden gesynthetiseerd in een glazen reactievat¹⁹, verkort de automatisering van het proces de tijd voor elke residutoevoeging van enkele uren tot een half uur. Bovendien vermindert automatisering de hoeveelheid monomeer en wasoplosmiddelafval, met name wenselijk bij het gebruik van primaire aminemonomeren die niet commercieel beschikbaar zijn. Hoewel Alloc decolleté van de beschermde amine residuen is een efficiënte reactie, palladium oxidatie kan resulteren in onvolledige deprotection. Bijgevolg wordt voorgesteld om een deel van de hars te testen en de omvang van de bescherming met ESI-MS te karakteriseren. Voor testdecolletés geeft 30 min onder 405 nm bestraling voldoende peptoid vrij voor massaspectrometrie. Gedeeltelijke debescherming kan worden beperkt met het gebruik van anaerobe aandoeningen of het herhalen van de deprotection reactie.

Terwijl dit artikel zich richt op Sc(OTf)₃ als een multi-role reagens, andere zeldzame aarde metalen triflates, zoals ytterbium triflate, is aangetoond dat met succes bemiddelen de informatie-gerichte assemblage van moleculaire ladders. Met name Sc(OTf)₃ is de meest Lewis zuur van de zeldzame aarde metalen triflates; Door het verminderde katalytische vermogen van andere metaaltriflaten van zeldzame aarde^24,36, kunnen dus grotere equivalenten nodig zijn om volledige ethyleenacetale deprotection en stranddissociatie te bewerkstelligen. Het aantal vereiste equivalenten kan met MALDI-massaspectrometrie worden bepaald door het punt waar strengen volledig loskomen te observeren. Dissociatie is van cruciaal belang in het zelfassemblageproces en is analoog aan het smelten van nucleïnezuurstrengen bij verhoogde temperatuur. De daaropvolgende extractie van katalysator maakt de vorming en verstoring van dynamische covalente combinaties die de assemblage van sequentie-specifieke duplexen. Deze geleidelijke annealing van de oligomeric strengen omzeilt de kinetische vangst (die voor moleculaire ladders, buiten registersoorten of verkeerd paarsequenties) kan opleveren die door andere methodes worden ervaren.

Chloroform is een uitstekend oplosmiddel als fasescheiding in de chloroform / acetonitril/water ternaire systeem hier gebruikt bevordert de gedeeltelijke extractie van Lewis zuur zonder dat resulteert in neerslag van zelfgemonteerde structuren³⁷. Bovendien, chloroform is een van de weinige oplosmiddelen die imine vorming bevordert met behoud van moleculaire ladder oplosbaarheid. Sporen van out-of-registry en verkeerd gekoppelde duplexen kunnen vaak worden waargenomen vanwege de dynamische aard van het systeem. Hoewel dit systeem grotendeels wordt beïnvloed door kleine variatie in de concentraties van zeldzame metalen triflate bij extractie, genereert onvoldoende katalysatorextractie soms een aanzienlijk deel van onvolledige hybridisatie en niet-specifieke oligomeerkoppelingen. In dit geval is het over het algemeen beter om eerst opnieuw te scheiden met nog eens 1,5 equivalenten katalysator en vervolgens een tweede keer te extraheren in plaats van onmiddellijk opnieuw te extraheren, omdat de volledige dissociatie van enkele strengen van vitaal belang is voor het proces. Om tegelijkertijd verschillende unieke informatiegecodeerde moleculaire ladders te monteren, kan het nodig zijn om de concentratie van de zeldzame metalen triflatestockoplossing die wordt gebruikt om equivalenten en het totale reactievolume te behouden, te verhogen.

Hoewel deze zelfassemblages voornamelijk worden gekenmerkt door massaspectrometrie, zijn andere technieken, waaronder fluorescentieresonantieenergieoverdracht (FRET) mogelijk. Beperkingen omvatten de hoeveelheid materiaal die nodig is, betaalbaarheid van monomeren en signaal-ruisverhouding. Technieken die oplosmiddelen vereisen, zoals ¹H NMR, kunnen bovendien lijden onder de onoplosbaarheid van zelfgeassembleerde structuren. Bovendien kunnen de concentraties van metaaltriflate van zeldzame aardnat na extractie worden bepaald door middel van methoden als ICP-MS of ¹⁹F NMR met een interne standaard.

Naarmate de vooruitgang in de richting van een betere controle op macro- en supramoleculaire nanostructuren en materialen vordert, ontstaat de uitdaging om regelmatige, maar aanpasbare samenstellingen te ontwerpen en te fabriceren. Het in dit verslag beschreven protocol biedt een pad om dergelijke nanostructuren te bereiken door middel van sequentieselectieve samenstellingen via dynamische covalente interacties.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
1,4-Dioxaan	Fisher Scientific	D1114	Gecertificeerd ACS
2-(4-Hydroxyfenylazo)benzoëzuur (HABA)	Millipore-Sigma	54793	Matrixstof voor MALDI-MS; ≥99,5%
4-(2-Aminoethyl)aniline	Ontario Chemicals	A2076	98%
4-Cyanobenzaldehyde	Oakwood Chemical	049317	99%
4-Methylpiperidine	TCI America	P0445	≥98,0%
4-Tolueensulfonylchloride	Oakwood Chemical	BR1703	99%
50 mL High Performance Centrifuge Tubes	VWR International	21008-240	Centrifugebuizen gebruikt voor geautomatiseerde synthesizer
Azijnzuur	Fisher Scientific	A38-212	Glaziaal
Azijnzuuranhydride	Fisher Scientific	A10	Gecertificeerd ACS
Acetonitrile	Millipore-Sigma	34851	Voor HPLC; Gradientkwaliteit; ≥99,9%
Alleen-kunststof Norm-Ject spuiten	Thermo Fisher Scientific	S7510-10	Luer-Slip spuit
Allyl chloroformaat	Acros Organics	221741000	97%
Broomazijnzuur	Alfa Aesar	A14403	≥98,0%
Chloroform	Millipore-Sigma	288306	Watervrij; ≥99%; Bevat 0,5-1,0% ethanol als stabilisator
Chloroform-d	Acros Organics	AC320690075	Voor NMR; 99,8 atoom % D; Verpakt in ampullen van 0,75 ml
Dichlorodimethylsilaan	Acros Organics	1133100	≥99,0%
Dichloorethyleen	Fisher Scientific	E175	Gecertificeerd ACS
Dichloormethaan	Fisher Scientific	D37-4	Gestabiliseerd; Gecertificeerd ACS
Di-ethylether	Acros Organics	615080010	Watervrij; ACS-reagens
Diethyleenglycol mono-ethylether	TCI America	E0048	≥99,0%
Ethanol	Decon Labs	2701	200 Proof; Watervrij
Ethyleenglycol	Fisher Scientific	E178	Gecertificeerd
Fmoc-fotolabiele SS-hars	CreoSalus	SA50785	100-200 maas; 1% DVB
Glaspeptidevat	Chemglass	CG-1866-02	Solid Phase, T-Bore PTFE Stpk, Vacuum, Medium Frit, GL 25 Thread
LC-6AD HPLC-pompen	Shimadzu Corporation		Apparatuur
LED 405nm	ThorLabs	M405L2-C1	405 nm LED gebruikt voor fotokleavering van peptoid
LED Driver	ThorLabs	LEDD1B	Driver voor LED-licht gebruikt bij fotokleavering van peptoid
Liberty Blue geautomatiseerde peptidesynthesizer	CEM Corporation		Apparatuur
Lithiumaluminiumhydride	Millipore-Sigma	199877	Poeder; Reagenskwaliteit; 95%; VOORZICHTIG: Mild pyrofoor, onder inerte gas behandelen en beschermen tegen vocht
Luna C18 analytische RP-HPLC-kolom	Phenomenex	00G-4252-E0	Apparatuur
Luna C18 bereidings RP-HPLC-kolom	Phenomenex	00G-4253-P0-AX	Apparatuur
Methanol	Fisher Scientific	A412	Gecertificeerd ACS
Microliterspuit	Hamilton Company	80700	Gecementeerde naald (N)
N,N'-Diisopropylcarbodiimide (DIC)	Oakwood Chemical	M02889	≥99,0%; VOORZICHTIG: DIC is gevaarlijk voor ogen, huid, via respiratoire inhalatie, en kan huidsensibilisatie veroorzaken
N,N-Dimethylformamide	Millipore-Sigma	319937	ACS-reagens; ≥99,8%
Salpeterzuur	Fisher Scientific	A200-212	Gecertificeerd ACS Plus
Stikstofgas	Cryogenic Gases		Inhoud onder druk, kan ontploffen als verwarmd
Fenylsilaan	Oakwood Chemical	S13600	97%
Prominence SPD-10A UV/vis-detector	Shimadzu Corporation		Apparatuur
p-Tolueensulfonzuurmonohydraat	Millipore-Sigma	402885	ACS-reagens; ≥98,5%
Scandium(III)triflat	Oakwood Chemical	009343	99%
Eenmalige naald	Exel International	26420	18G x 1 1/2″
Natriumazid	Oakwood Chemical	094448	99%; VOORZICHTIG: NaN3 kan reageren met lood en koper, wat resulteert in de vorming van zeer explosieve metaalaziden. Het is acuut toxisch en dodelijk bij inslikken of in contact met de huid.
Natriumbicarbonaat	Fisher Scientific	S233	Poeder; Gecertificeerd ACS
Natriumhydroxide	Fisher Scientific	S318-100	Pellets; Gecertificeerd ACS
Natriumsulfaat	Fisher Scientific	S421-500	Watervrij; Korrelig; Gecertificeerd ACS
Spuitfilter 0,45 µm	VWR International	28145-497	PTFE, spuitfilters met polypropyleen behuizing
Tetrahydrofuraan	Fisher Scientific	T397	Gecertificeerd
Tetrakis(trifenylfosfine) palladium(0)	Oakwood Chemical	034279	98%
Tolueen	Fisher Scientific	T324	Gecertificeerd ACS
Trifenylfosfine	Oakwood Chemical	037818	99%