Summary
Den effektiva fast fas peptidsyntes av en funktionaliserad bis-peptid trimer använder en "säkerhetsspärr" klyvning proceduren från HMBA harts beskrivs.
Abstract
År 1962 publicerade RB Merrifield det första förfarandet med fast fas peptidsyntes som en ny väg för att effektivt syntetisera peptider. Denna teknik visade sig snabbt fördelaktig jämfört med sin lösning fas föregångare i både tid och arbete. Förbättringar när det gäller karaktären av fast stöd skyddsgrupperna används och kopplingen metoder som används under de senaste fem decennierna har bara ökat nyttan av Merrifield ursprungliga system. Idag pionjär användningen av en Boc skydds-och bas / nukleofil klyvbara harts strategi eller Fmoc skydds-och surt spjälkbar harts strategi med RC Sheppard, används oftast för syntes av peptider 1.
Inspirerat av Merrifields burna fasta strategi, har vi utvecklat en Boc / tert-butyl-syntes i fast fas strategi för montering av funktionaliserade bis-peptider 2, vilken beskrivs häri. Användningen av fastfassyntes jämfört to lösningsfas metod är inte bara fördelaktigt både i tid och arbetskraft som beskrivits av Merrifield 1, men också tillåter större lätthet vid syntesen av bis-peptidbibliotek. Syntesen som vi visar här innehåller ett slutligt klyvning steg som använder en två-stegs "säkerhet fånga" mekanism för att frigöra funktionaliserade bis-peptiden från hartset genom diketopiperazin bildas.
Bis-peptider är styva, spiro-stege oligomerer av bis-aminosyror som är i stånd att positionera funktionalitet på ett förutsägbart och modifierbara sätt, som styrs av den typ och stereokemin av monomerenheterna och anslutningen mellan varje monomer. Varje bis-aminosyran är en stereokemiskt ren, cyklisk byggnadsställning som innehåller två aminosyror (en karboxylsyra med en α-amin) 3,4. Vårt laboratorium undersöker för närvarande möjligheterna av funktionella bis-peptider inom en mängd olika områden inklusive katalys, protein-protein interaktioner och nanomaterials.
Protocol
1. Inställning
- Reaktionen uppsättning för fast fas-syntes är en polypropen filterkassetten eller glasreaktor som är ansluten via polypropen slang till en sluten kolv filtrering under vakuum, såsom visas i figur 1. Reaktionen kan blandas med en magnetisk omrörarstav eller genom att bubbla kväve genom reaktorn.
- En gasgrenrör ansluten till en Argon cylinder utrustad med ett torkrör och oljebubblare rekommenderas också eftersom den tillåter reaktionskärlet som skall innehållas i en inert atmosfär och tillåter avlägsnande av reagens från förslutna behållare.
- All verksamhet utförs i dragskåp och ordentlig personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, laboratorierock och handskar nitril) krävs.
2. Fylla första Bis-peptiden på harts
- Väger 114 mg av HMBA-AM-harts (0,88 mmol / g satsning, 100 jimol) i 8 ml reaktionskärl och tillsätt magnetisk omrörarstav. Cap toppen av ee kärl med ett gummiseptum och spolades röret med argon under minst 5 minuter.
- Under tiden, väger 117,3 mg av förening 1 i Figur 3 (586,63 g / mol, 2 ekv) och 59,2 mg av 1 - (mesitylen-2-sulfonyl)-3-nitro-1 ,2,4-triazol (MSNT, 296,0 g / mol, 2 ekv) i en 15 ml engångs-centrifugrör och lös upp i 2 ml vattenfri diklormetan (DCM). Tillsätt 24 pl av 1-metylimidazol (NMI, 80,81 ml / mol, 3 ekv) till lösningen och blanda tills helt upplöst.
- Överföra den aktiverade lösningen till reaktionskärlet via spruta och omrördes under argon över natt (~ 10 timmar).
- Avlägsna septum och dränera reaktionsblandningen. Tvätta hartset med DCM (5x) och dimetylformamid (DMF) (5x). Utför "metylrött test" som beskrivs i avsnittet 10,1 för att bedöma graden av harts belastning. Om plasten kvar rött under metylrött testet sedan steg 2,2 och 2,3 bör upprepas. En gul färg, som indikerar en negativ metylrött test, är föredragna;kan dock eftersom alla återstående hydroxylgrupper kommer att begränsas i nästa steg, ett svagt positivt resultat (ljus orange plast färg) vara acceptabelt.
3. Avskyddning av första bis-peptid och simultan Resin Tak
- Tillsätt 1 ml DCM till reaktionskärlet tillsätt sedan 1 ml 33% vätebromid i ättiksyra droppvis under 30 sekunder (bubblande inträffar) och låt omröra under 15 minuter. Töm och tvätta hartset med DCM (5x) upprepa sedan bearbeta igen.
- Tvätta hartset med DCM (5x) och därefter DMF (5x). Neutralisera hartset genom tvättning två gånger med en 5% volym / volym-lösning av N, N-diisopropyletylamin (DIPEA) i DMF tvätta sedan med DCM (5x) och DMF (5x) igen. Utför "metylrött test" och "kloranil test" diskuteras i avsnitt 10,1 och 10,2. Resultat bör vara negativt för metylrött testet och positivt för kloranil testet.
4. Koppling Boc / tBu-skyddade funktionaliserad bis-Amiingen syra
- Återinföra en inert atmosfär till den hartsinnehållande reaktionskärl genom tvättning tre gånger med vattenfri DCM fäster sedan en skiljevägg och argon linje. Rensa och tvätta kärlet genom att tillsätta 1-2 ml vattenfri DCM och låta rör om under 30 sekunder och sedan avrinning kärlet tills argonslang bubblare börjar stiga. Gör detta minst en gång.
- Framställ en lösning av 0,15 M funktionaliserad bis-aminosyra (3 ekv) och 245 mg 1-hydroxi-7-azabensotriazol (HOAt, 136,11 g / mol, 18eq) i 2 ml av 2:1 DCM: DMF i en flamtorkad prov röret under argonatmosfär. Tillsätt 47 pl av diisopropylkarbodiimid (DIC, 156,6 ml / mol, 3 ekv) och omröras under 90 minuter.
- Tillsätt 35 pl DIPEA (174,19 ml / mol, 2 ekv) i 666 | il vattenfri DMF till hartset och omrördes under 5 minuter.
- Överföra den föraktiverade bis-aminosyra lösning till reaktionskärlet via spruta och omrördes över natten.
- Dränera reaktionsblandningen och tvätta två gånger med vattenfri DCM medan under argon.
- För att främja nedläggningen av diketopiperazin, lägg en 0,25 M lösning av HOAt (136,11 g / mol, 10 ekv) och DIC (156,6 ml / mol, 10 ekv) i en 4 ml 1:1 DCM: DMF och rör under argon under 1 timme.
- Avlägsna septum och dränera reaktionsblandningen. Tvätta hartset med DCM (5x) och DMF (5x). Om så önskas utför "kloranil test" diskuteras i avsnitt 10,2.
5. Avblockering av Boc / tBu skyddat funktionaliserad bis-Amino Acid
- Tillsätt 2 ml av en lösning av 95:5 trifluororacetic ättiksyra (TFA): triisopropylsilan (TIPS) till reaktionskärlet och låt den stå under omröring under 1 timme. Töm och tvätta hartset i ca 30 sekunder med DCM (5x) sedan upprepa processen en gång till.
- Tvätta hartset med DCM (5x) och därefter DMF (5x). Neutralisera hartset genom tvättning två gånger med en 5% volym / volym lösning av DIPEA i DMF och tvätta DCM (5x) och DMF (5x) igen. Om så önskas utför "kloranil test" diskuteras i avsnitt 10,2.
7. Funktionalisering av den bis-peptid Prolidine Slut
- Den prolidine änden av den växande bis-peptid kan vara acylerad oberoende av varandra eller tillsammans genom en diketopiperazin. Dessutom kan denna ände lämnas skyddas, vilket kommer att klyvas senare, vilket gav den fria aminosyran. Om så önskas utför "kloranil test" diskuteras i avsnitt 10,2 för att bedöma koppling effektivitet.
8. Borttagande av skydd av Fmoc och Acylering av den kvartära Slutet av bis-peptid
- En 2 ml lösning av 20% piperidin i DMF tillsätts och reaktionen omrördes under 20 minuter. Töm och tvätta hartset med DMF (5x) sedan upprepa processen en gång till.
- Tvätta hartset med DCM (5x) och därefter DMF (5x).
- Framställa en 0,15 M lösning av aminosyra (3 ekv) i 2 ml N-metylpyrrolidon (NMP) med 114 mg 2 - (7-aza-1H-bensotriazol-1-yl) -1,1,3,3-tetrametyluronium-hexafluorfosfat (HATU, 380,2 g / mol, 3 ekv) och 104,5 pl DIPEA (174,19 ml / mol, 6eq) och blanda väl. Lägg till reaktionskärlet och omrördes under 6 timmar.
- Tvätta hartset med DCM (5x) och därefter DMF (5x).
9. Avlägsna Boc-gruppen från den hartsbundna aminosyran och klyva från harts
- Tillsätt 2 ml av en 1:1 TFA: DCM-lösning till reaktionskärlet och omrördes under 30 minuter. Töm och tvätta hartset med DCM (5x) upprepa sedan bearbeta igen.
- Tvätta och tömma hartset under 30 sekunder med DCM (5x) och därefter DMF (5x).
- Tillsätt 2 ml av en lösning av 10% DIPEA i vattenfri DMF och omrördes 24-48 timmar.
- Samla reaktionsblandningen i förväg vägd kolv med rund botten. Överföra 30 | il av denna lösning till 450 | il THF i en LC-MS flaska och lämna för analys. Tvätta hartset med ytterligare portioner av DMF och samla in den rundbottnade kolven och avlägsna sedan lösningsmedlet under vakuum.
10. Rening av bis-peptid
- Lös råa bis-peptid i en minimal mängd av dimetylsulfoxid (100-250 | il) och överför till HPLC-flaska insatsen. Ställe insatsen in i autosamplern av halv-prepitive HPLC-system (Hewlett Packard 1100-serien) utrustad med en Xterra Prep MS C18 5 ^ m 7.8x150 mm kolonn och en 100 | il injektionsslinga.
- Utföra flera 50 il injektioner av provet med användning av en gradientprogram av 5-95% acetonitril i vatten med 0,1% myrsyra under 30 minuter under övervakning vid 274 nm. Samla produkten topp i en förvägd disponibla centrifugrör och frystorka med en lyofilisator. Försiktighet bör vidtas med den första körningen som en liten förskjutning i retentionstid jämfört med analytiska LCMS typiskt observeras.
11. Bedömningsmetoder
- Metylrött TEST 7: Avlägsna ~ 1 mg torrt harts via en engångspipett och skölj in 4 ml reaktionskärl. Tillsätt en lösning av 20 mg metylrött, 50 pl N, N'-diisopropylkarbodiimid (DIC), och 5 mg 4-dimetylaminopyridin (DMAP) i 500 | il vattenfri DCM och omrördes under 5-10 minuter. Töm och tvätta harts med DCM tills filtratet blir färglös. Positivt tecken är hartspärlorna återstående orange eller rött.
- Kloraniltest 12: Transfer ~ 1 mg torrt harts i en liten flaska via engångspipett. Tillsätt 3 droppar både en 0,8 mM kloranil i DMF-lösning och 2% acetaldehyd i DMF-lösning och fick stå vid rumstemperatur under 5-10 minuter. Positivt tecken är hartspärlorna blir blå / lila.
- AKTIVERING TRAP TEST: Aktiverade föreningar under syntesen kan bedömas genom att överföra en liten mängd (5-10 ^ il) av den aktiverade lösningen till en vätskekromatografi-masspektrometri (LC-MS) flaska innehållande 50 | il av pyrrolidin. Blanda för hand under några sekunder (solutiden bör bli gul) späd sedan med 450 pl tetrahydrofuran (THF) och skicka in för LC-MS-analys.
- Analytiska LC-MS: kan den slutliga produkten och aktiverade intermediärer kan bedömas med användning av en HP-1200-serien LC-MS-system utrustat med en Waters Xterra MS C18 3,5 | im 4,6 mm x 150 mm kolonn och ett gradientsystem av 5-95% acetonitril i vatten med 0,1% myrsyra under 30 minuter.
12. Representativa resultat
Ett exempel på både rå (Figur 4) och renat (Figur 5) är LCMS spår tillhandahålls. Renade avkastning på ungefär 10% förväntas med de metoder som beskrivs ovan.
Figur 1. Diagram över Experimentell uppsättning för fastfassyntes.
Figur 2.Relevant nomenklatur av bis-aminosyror / BIS-peptider.
Figur 3. Övergripande Syntesschema. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 4a. HPLC-graf av råa produkten vid 274 nm.
Figur 4b. MS-spektrum av den råa produkten Peak.
Figur 5a. HPLC-spår av renad produkt vid 274 nm.
Figur 5b. MS-spektrum av renad Produkt Peak.
Discussion
Den syntetiska metoden som presenteras häri ger en metod för syntes av funktionaliserade bis-peptider från bis-amino-block syra byggnadsmaterial med användning av gemensamma fast-fas-peptidsyntestekniker. Monomeren Syntesen av dessa "Pro4" byggstenarna från trans-4-hydroxiprolin 3 är skalbar och har med framgång slutförts på hydantoin scenen på en 600 mmol (234 g) skala (opublicerad). När monomererna är i hand, ger användning av fastfastekniker en snabbare metod för bis-peptidsyntes än vår nuvarande lösningen fas metodik 4 genom att eliminera behovet för reaktion work-ups och mellanliggande reningar.
Den främsta utmaningen i fast fas syntes diagnostisera syntetiskt framsteg och problemlösning eftersom inga mellanprodukter isoleras. Detta har lett till utvecklingen av många kolorimetriska tester inklusive att identifiera om fria aminer (Kaiser Test 10) eller fri hydroxietoxiYLS (metylrött test 7) är exponerade på hartset. Olyckligtvis är det vanligen använda Kaiser-testet 10 inte allmänt tillämpbar i vår fast fas-syntes på grund av den nästan exklusiv användning av sekundära aminer eller aminer bundna till ett kvaternärt kol. Andra alternativ för en bedömning av HMBA harts inkluderar tester klyftor med en nukleofil, såsom hydrazin 11, kvantitativ Fmoc klyvning övervakas av UV / Vis 1,11 och fånga och analysera inkommande aktiverade föreningar.
En annan förbisedd fråga i fastfassyntes är repetitiva karaktär av syntetiska steg som krävs av operatören. Med detta i åtanke, författarna rekommenderar användningen av en kalkylblad eller checklista när du utför någon manuell fast fas peptidsyntes.
Den svårighet i att använda bis-peptider för fastfas-syntes jämfört med vanliga α-aminosyror innefattar potentialen för svårare kopplingar på grund av steriskt hindrance, behovet av på-harts diketopiperazin förslutningar, och samtidiga deprotections (Boc / tBu; Cbz / tBu). En annan svårighet ligger i att uppnå kvantitativa frisättning från hartset med denna "säkerhetsspärr"-metoden jämfört med mer konventionella metoder. Med dessa faktorer i åtanke, är det mycket möjligt att ytterligare optimering av denna metod kan uppnås och nuvarande insatser pågår i vår grupp för att förbättra den metod som presenteras här.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Dr Zachary Z. Brown och Jennifer Alleva för den inledande utvecklingen av denna fastfassyntes teknik och Matthew FL Parker för värdefulla diskussioner. Detta arbete stöds av Defense Threat Reduction Agency (DOD-DTRA) (HDTRA1-09-1-0009) och Horst Witzel Fellowship Award stöds av Cephalon, Inc.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| HMBA-Am Resin | Novabiochem, EMD Millipore | 855018 | |
| MSNT | Novabiochem, EMD Millipore | 851011 | |
| NMI | Sigma-Aldrich | 336092 | Toxic, Corrosive |
| DCM | Sigma-Aldrich | D65100 | Carcinogenic |
| Anhydrous DCM | Acros Organics | 34846 | Carcinogenic |
| 33% Hydrogen Bromide in Acetic Acid | Sigma-Aldrich | 248630 | Toxic, Corrosive, Fumes when open |
| DIPEA | Sigma-Aldrich | 387649 | Flammable, Toxic, Corrosive |
| DMF | Fisher Scientific | AC27960 | Flammable, Toxic |
| Anhydrous DMF | Acros Organics | 34843 | Flammable, Toxic |
| HOAt | GenScript | C01568 | |
| DIC | Acros Organics | BP590 | Flammable, Toxic, Corrosive |
| TFA | Sigma-Aldrich | T6508 | Toxic, Corrosive |
| TIPS | Acros Organics | 21492 | Flammable, Toxic |
| Piperidine | Sigma-Aldrich | 104094 | Flammable, Toxic, Corrosive |
| HATU | GenScript | C01566 | Toxic |
| NMP | Acros Organics | 36438 | Toxic |
| DMAP | Novabiochem, EMD Millipore | 851055 | Toxic |
| Methyl Red | Sigma-Aldrich | 250198 | |
| THF | Sigma-Aldrich | 401757 | Flammable, Toxic, Peroxide Forming |
| Pyrrolidine | Sigma-Aldrich | P73803 | Flammable, Toxic, Corrosive |
| Dimethyl Sulfoxide | Fisher Scientific | D1281 | |
| SPPS Reaction Vessels | Grace | 211108 | |
| LCMS | Agilent Technologies | 1200 Series | |
| Semi-Prep LC | Hewlett-Packard | 1100 Series | |
| Lyophilizer | Labconco Corp. | 7934027 | |
| Rotovapor | Buchi | R-210 Series | |
| Argon | Airgas | AR PP300CT |
References
- Atherton, E., Sheppard, R. C. Solid Phase Peptide Synthesis: A Practical Approach. , Oxford University Press. (1989).
- Brown, Z. Z., Alleva, J., Schafmeister, C. E. Solid-Phase Synthesis of Functionalized Bis-Peptides. Biopolymers. 96, 578-585 (2010).
- Schafmeister, C. E., Brown, Z. Z., Gupta, S. Shape-Programmable Macromolecules. Acc. Chem. Res. 41, 1387-1398 (2008).
- Brown, Z. Z., Schafmeister, C. E. Synthesis of Hexa- and Pentasubstituted Diketopiperazines from Sterically Hindered Amino Acids. Org. Let. 12, 1436-1439 (2010).
- Nielson, J., Lyngso, L. O. Combinatorial Solid-Phase Synthesis of Balanol Analogues. Tet. Lett. 37, 8439-8442 (1996).
- Blankemeyer-Menge, B., Nimtz, M., Frank, R. An Efficient Method for Anchoring Fmoc-Amino Acids to Hydroxyl-Functionalized Solid Supports. Tet. Lett. 31, 1701-1704 (1990).
- Komba, S., Sasaki, S., Machida, S. A New Colorimetric Test for Detection of Hydroxyl Groups in Solid-Phase Synthesis. Tet. Lett. 48, 2075-2078 (2007).
- Demner, O., Dijkgraaf, I., Schottelius, M., Wester, H. J., Kessler, H. Introduction of Functional Groups into Peptides via N-Alkylation. Org. Lett. 10, 2015-2018 (2008).
- Plas, S. E. V. ander, Van Hoeck, E., Lynen, F., Sandra, P., Madder, A. Toward a New SPE Material for EDCs: Fully Automated Synthesis of a Library of Tripodal Receptors Followed by Fast Screening by Affinity LC. Eur. J. Org. Chem. 11, 1796-1805 (2009).
- Kaiser, E., Colescot, R. L., Bossinger, C. D., Cook, P. I. Color Test for Detection of Free Terminal Amino Groups in Solid-Phase Synthesis of Peptides. Anal. Biochem. 34, 595-598 (1970).
- Chan, W. C., White, P. D. Fmoc Solid Phase Peptide Synthesis: A Practical Approach. , Oxford University Press. (2000).
- Vojkovsky, T. Detection of Secondary Amines on Solid-Phase. Peptide Research. 71, 236-237 (1995).
