Um aparelho simples, barato e novo para realizar sínteses de peptídeos em fase sólida em um reator de micro-ondas comercial é apresentado.
Artigo de método
Um aparelho simples, barato e novo para realizar sínteses de peptídeos em fase sólida em um reator de micro-ondas comercial é apresentado.
Um aparelho caseiro para realizar a síntese de peptídeos em fase sólida (SPPS), auxiliado por irradiação e aquecimento por micro-ondas, é apresentado. Em contraste com os vasos de reação SPPS convencionais, que drenam solventes e subprodutos por meio de uma frita localizada no fundo do recipiente, o aparelho apresentado emprega um tubo de dispersão gasosa sob vácuo para remover solventes, subprodutos e reagentes em excesso. O mesmo tubo de dispersão de gás fornece agitação de gás nitrogênio dos grânulos SPPS durante as etapas de reação de acoplamento e desproteção. O aquecimento por microondas é benéfico para acoplamentos SPPS de resíduos estericamente impedidos, como o ácido alfa-aminoisobutírico (Aib), um resíduo de aminoácido alfa, alfa-dialquilado. Este aparelho caseiro tem sido usado para preparar, por meio de métodos manuais de Fmoc SPPS, peptídeos heptâmeros e octaméricos dominados pelo resíduo de Aib, que é notoriamente difícil de acoplar em condições padrão de temperatura ambiente e reagentes. Além disso, os reatores SPPS de micro-ondas comerciais típicos são dedicados exclusivamente à síntese de SPPS, tornando-os inacessíveis a usuários não SPPS. Em contraste, o aparelho apresentado preserva a versatilidade do reator de micro-ondas para aceleração convencional de reações químicas em micro-ondas, pois o aparelho é trivialmente removido do reator de micro-ondas comercial.
A introdução de Merrifield da síntese de peptídeos em fase sólida SPPS na década de 1960 revolucionou as sínteses peptídicas e químicas e foi justamente recompensada com o Prêmio Nobel de Química 1,2. Nas décadas subsequentes, muitos pesquisadores refinaram as técnicas originais de Merrifield, levando a duas alternativas que dominam as práticas de SPPS: à base de fluorenilmetoxicarbonila (FMOC) versus à base de terc-butil oxicarbonila (BOC)3. A clivagem final do peptídeo da resina sólida em FMOC requer um coquetel contendo ácido trifluoracético, em comparação com HF para técnicas de BOC, tornando os métodos baseados em FMOC a escolha preferida de muitos laboratórios.
Os métodos SPPS de última geração são ocasionalmente desafiados pelas sequências desejadas. Nos últimos anos, houve avanços superando algumas preocupações idiossincráticas de agregação4, formação de dicetopiperazina5 e resíduos de aminoácidos N-metilados 6. Em um esforço para otimizar o rendimento do acoplamento, milhares de reagentes e aditivos de acoplamento foram explorados7. Especificamente, a ativação do ácido carboxílico via COMU 8,9 ou fluoretos ácidos 10,11,12, juntamente com aditivos como Oxyma 13 e hidroxibenzotriazol (HOBt), foram desenvolvidos para acoplamentos particularmente desafiadores, como aqueles que envolvem resíduos α,α-dialquilados.
Outros métodos não baseados em reagentes têm sido empregados para aumentar o rendimento de acoplamentos difíceis, incluindo tempos de reação estendidos, "acoplamento duplo" e aquecimento, especialmente aquecimento por micro-ondas 14,15,16. De fato, os sintetizadores de peptídeos automatizados disponíveis comercialmente que empregam aquecimento por micro-ondas estão entre as unidades de maior sucesso comercial do mercado, pois aceleram as taxas de reação, parecem melhorar a pureza final dos peptídeos e minimizar o desperdício de solvente. Infelizmente, essas unidades podem ser caras, custando mais de US$ 100.000 em alguns casos.
Nosso laboratório tem interesse na preparação de variações de peptídeos contendo o resíduo fortemente helicogênico de ácido alfa-aminoisobutírico (Aib)17,18,19. Devido ao impedimento estérico decorrente da dialquilação de seu carbono alfa, o Aib é notoriamente difícil de acoplar. Os métodos mencionados acima (fluoretos ácidos, aquecimento por microondas20), bem como a química inteligente do "dipeptídeo" SPPS21, foram usados para adaptar o SPPS aos desafios de acoplamento de Aib. A preparação de dímeros de Aib sem resina, embora melhore o rendimento geral, requer química úmida adicional e temperaturas elevadas (50 ° C) 21 . Além disso, evitamos empregar fluoretos ácidos de Aib devido à natureza tóxica dos agentes fluorantes. Infelizmente, nosso laboratório não possui um sintetizador SPPS automatizado baseado em micro-ondas dedicado, com vasos de reação dedicados para a drenagem necessária dos subprodutos do SPPS. No entanto, um relatório recente do grupo de Clayden mostrando um sucesso espetacular na preparação de oligômeros baseados em Aib usando SPPS e irradiação de micro-ondas22 nos estimulou a adaptar a unidade de micro-ondas CEM Discover SP de nosso laboratório para sínteses de SPPS.
Primeiro, investigamos o acessório comercialmente disponível da CEM para converter o reator de micro-ondas em uma unidade manual de micro-ondas23. Além do custo, este acessório exigiria o compromisso de nossa unidade de micro-ondas apenas com SPPS manual. Outros usuários de laboratório não teriam mais acesso aos excelentes recursos da unidade de micro-ondas. Portanto, a implementação do acessório comercial foi considerada inaceitável em nosso caso.
Em vez disso, montamos, por meio de componentes comparativamente baratos, um aparelho para realizar SPPS assistido por micro-ondas na escala milimolar. O protocolo abaixo descreve o uso de componentes simples e comparativamente baratos para efetuar SPPS manual assistido por micro-ondas.
1. Monte o aparelho (Figura 1)
NOTA: Todos os componentes para montagem do aparelho encontram-se na Tabela de Materiais.
2. Prepare reagentes
3. Preparação da resina peptídica
4. Remoção de FMOC
NOTA: As resinas estão disponíveis pré-carregadas com uma variedade de aminoácidos protegidos por FMOC pré-carregados como resíduos C-terminal. Portanto, a remoção do FMOC geralmente é o primeiro passo após o inchaço da resina.
5. Acoplamento de aminoácidos FMOC
6. Repita os ciclos de peptídeos SPPS
7. Clivagem peptídica
Exemplos de sequências de peptídeos preparadas com nosso aparelho são mostrados na Figura 2 e na Figura 3. A Tabela 1 resume as soluções, parâmetros de micro-ondas e lavagens que empregamos. A confirmação da espectrometria de massa MALDI-TOF é mostrada nas figuras. A recuperação em massa desses peptídeos tem sido superior a 80%. Significativamente, todas essas sequências têm múltiplos acoplamentos entre aminoácidos alfa e alfa-dialquilados adjacentes. Estes estão entre os resíduos mais difíceis de acoplar por meio da formação de ligações peptídicas.

Figura 1: O aparelho SPPS manual assistido por micro-ondas construído em casa. (A) Esquema mostrando 1) ETFE "tee"; 2) Válvula de ETFE para vácuo; 3) Válvula ETFE para gás nitrogênio; 4) tubo de dispersão de gás, dentro de 5) vaso de reação do tubo de ensaio pirex; 6) Septo tipo RMN para unir tubos de Teflon de 1/8" ao tubo de dispersão de gás; 7) válvula de agulha para controlar o fluxo de gás nitrogênio; 8) balão de braço lateral para coletar resíduos de reação. Consulte a Tabela de Materiais para fabricantes e números de catálogo de componentes. (B) Fotografia da imagem montada. A numeração é idêntica à Figura 1A. Abreviaturas: SPSS = síntese de peptídeos em fase sólida; ETFE = etileno tetrafluoroetileno; RMN = ressonância magnética nuclear. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Estrutura do peptídeo 1, sintetizado por meio de métodos SPPS de micro-ondas e confirmação de MALDI-TOF. (A) CHCA foi empregado como matriz. O pico em m / z = 880,18 é aduto de potássio, [MK +], calculado m / z = 880,45. (B) Traço de HPLC do peptídeo bruto 1. O gradiente de solvente é MeCN de 20% a 80% sobre 0,1% de TFA aquoso, 20 min. Comprimento de onda de observação = 222 nm. Abreviaturas: SPSS = síntese de peptídeos em fase sólida; MALDI-TOF = ionização de dessorção a laser assistida por matriz-tempo de voo; CHCA = ácido alfa-ciano-4-hidroxicinâmico, HPLC = cromatografia líquida de alta resolução; MeCN = acetonitrila; TFA = ácido trifluoroacético. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Estrutura do peptídeo 2, sintetizada por meio de métodos SPPS de micro-ondas e confirmação de MALDI-TOF. (A) CHCA foi empregado como matriz. O pico em m/z = 1022,7 é atribuído ao aduto de potássio, [MK+], calculado m/z=1023,5. O pico em m / z = 966,5 foi provisoriamente atribuído a uma oxazolona C-terminal via perda de água24, calculada m / z = 967,5. (B) Traço de HPLC do peptídeo bruto 2. O gradiente de solvente é MeCN de 20% a 80% por 20 min sobre TFA aquoso a 0,1%. Comprimento de onda de observação = 222 nm. Abreviaturas: SPSS = síntese de peptídeos em fase sólida; MALDI-TOF = ionização de dessorção a laser assistida por matriz-tempo de voo; CHCA = ácido alfa-ciano-4-hidroxicinâmico, HPLC = cromatografia líquida de alta resolução; MeCN = acetonitrila; TFA = ácido trifluoroacético, Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Passo | Solução/solvente | Volume (mL) | Tempo (min) | Temp (°C) | |
| 1 | Desproteção | 20% de morfolina | 7 | 2 | 90 |
| 2 | Lava | DMF | 4, 4, 4 | - | RT |
| 3 | Desproteção | 20% de morfolina | 7 | 2 | 90 |
| 4 | Lava | DMF | 4, 4, 4 | - | RT |
| 5 | Acoplamento | Fmoc-AA-OH, OXYMA, DIC | 5, 2, 2 | 10 | 100 |
| 6 | Lava | DMF | 4, 4, 4 | - | RT |
| 7 | Repetir | ||||
| Fim | Clivagem | TFA/DICAS/H2O | 1 | >120 |
Tabela 1: Etapas para um ciclo de SPPS assistido por micro-ondas em escala de 0,1 mmol: desproteção FMOC, lavagens e acoplamento FMOC-aminoácido. 0,2 M FMOC-AA-OH, 0,5 M OXYMA, 1,0 M DIC. Soluções adicionadas manualmente por micropipetador diretamente no tubo de ensaio para cada etapa. Abreviaturas: SPSS = síntese de peptídeos em fase sólida; FMOC = fluorenilmetoxicarbonil; DIC = di-isopropilcarbodiimida.
Arquivo Suplementar 1: Relatório do Reator de Microondas CEM Discover SP para remoção do grupo protetor Fmoc e Relatório do Reator de Microondas CEM Discover SP para acoplamento de um aminoácido protegido por Fmoc. Clique aqui para baixar este arquivo.
O aparelho apresentado aqui invoca um método simples, novo e barato para remover solventes, excesso de reagentes e resíduos, bem como adicionar agitação de gás nitrogênio, durante SPPS assistido por micro-ondas. Em contraste com os vasos SPPS convencionais, que invocam uma frita no fundo do vaso, o aparelho apresentado invoca um tubo de dispersão de gás sob vácuo para aspirar o vaso. O vaso de reação é, portanto, um tubo de ensaio comum, que é aquecido no local recomendado pelo fabricante do reator de microondas dentro do "atenuador de vaso aberto".
Nossa principal inovação é remover solventes e subprodutos de reação do tubo de ensaio por meio de um "tubo de dispersão de gás" sob vácuo. Durante as transformações químicas sob irradiação de micro-ondas, bem como durante as lavagens com solvente (N,N-dimetilformamida (DMF) ou N-metilpirrolidinona, NMP), os grânulos SPPS são agitados pelo gás nitrogênio disperso através do tubo. O vácuo e o gás nitrogênio são controlados por válvulas ETFE para otimizar a resistência ao solvente. Os resíduos SPPS são recolhidos num balão Erlenmeyer de braço lateral. Todos os componentes são conectados por meio de tubos de Teflon de 1/8". Enquanto usamos vácuo "doméstico", uma bomba de vácuo mecânica também serviria. A Figura 1, acima, é um esquema do nosso aparelho.
O SPPS bem-sucedido requer não apenas um aparelho, mas protocolos químicos de temperatura, tempo e reagentes químicos. Empregando o protocolo de Clayden et al.22, preparamos vários peptídeos que seriam difíceis, senão impossíveis, de preparar por meio de métodos convencionais de SPPS à temperatura ambiente. Para o acoplamento de aminoácidos, usamos diisopropil carbodiimida (DIC) e oxima como coquetel de acoplamento e irradiamos a 100 °C por 10 min. Acredita-se que o oxima suprima a racemização de resíduos durante o processo de acoplamento13. Para a desproteção do FMOC, usamos 20% de morfolina no DMF, irradiado a 90 °C por 2 min e repetido mais uma vez. Entre as reações, usamos DMF para enxaguar repetidamente (3x) os grânulos SPPS (resina de Wang).
Usando este aparato manual, preparamos peptídeos difíceis de sintetizar a uma taxa de cerca de 40 min por resíduo. Ainda não estudamos possíveis otimizações dessa taxa. Por exemplo, acreditamos que o tempo dentro do reator de microondas provavelmente poderia ser limitado ao "tempo total de reação", em oposição ao "tempo na temperatura alvo", sem diminuir os resultados. Isso se deve à quantidade de tempo gasto assintoticamente se aproximando da temperatura alvo (consulte o Arquivo Suplementar 1 para obter detalhes). Além disso, em princípio, pode-se adicionar todos os reagentes e solventes sem remover o recipiente de reação do microondas. No entanto, preferimos poder inspecionar a resina em todas as etapas.
Embora nosso caso de uso esteja em SPPS, deve-se notar que os métodos de fase sólida estão sendo cada vez mais aplicados a uma variedade de sínteses, como dendrímero25, RNA26 e sínteses eletroquímicas27. Uma variedade de casos de uso pode se beneficiar da assistência de micro-ondas, para a qual este aparelho seria adequado. Por último, embora o aparelho tenha sido construído para realizar SPPS assistido por micro-ondas, seu vaso de reação fundamental é um tubo de ensaio. Portanto, o aparelho pode ser empregado em SPPS convencionais à temperatura ambiente, bem como SPPS conduzidos em temperaturas elevadas, por exemplo, em banho de óleo.
Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Os autores agradecem o apoio das bolsas INSPIRE da Fairfield University, o apoio do Departamento de Química e Bioquímica da Fairfield University e a assistência da Dra. Dorothy Szobcynski por sua experiência no gerenciamento do laboratório. Além disso, os autores agradecem aos professores Jillian Smith-Carpenter e Aaron Van Dyke pelas discussões sobre peptídeos e síntese orgânica. Os autores agradecem o apoio do Fundo de Publicação da Faculdade de Artes e Ciências da Fairfield University.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| CEM Discover Reator de Micro-ondas SP | CEM | Descontinuado. Recentemente substituído na linha de produtos pelo Discover 2.0 | |
| Diisopropilcarbodimimida (DCC) | TCI América | ||
| Dimetilformamida (DMF) | Termo-Química Científica | ||
| Tubo de dispersão de gás, micro, | Chemglass | CG-207-02 | Porosidade média |
| Microsepto | ChemGlass | CG-3022-20 | Septo tipo "tubo RMN" |
| Morfolina | Termo-Química Científica | ||
| Aminoácidos protegidos por N-Fmoc | |||
| Oyxma Pure | TCI América | ||
| Frasco Ehrlenmeyer de arma lateral | Diversos fornecedores | Coleta de resíduos | |
| "Tee" | Idex | P-713 | ETFE |
| Tubo de teflon 1/8", | Restek | 25306 | OD x 0,063" de dia-diâmetro, 3 m |
| Tubo de ensaio (suporte para recipiente de reação externo ao micro-ondas) & nbsp; | Diversos fornecedores | (30 x 175) | |
| Tubo de ensaio (vaso de reação) | Vidro Corning | 9820-25X | Pyrex 25 x 200 mm, sem borda |
| Válvula | Idex | P-721 | ETFE (2x) |
| Wang SPPS Resin, divinilbenzeno reticulado a 1%, malha 100-200 | Tecnologia Química Avançada |