Представлен протокол для синтеза закодированных информацией пептоидных олигомеров и для последовательной самосборки этих пептоидов в молекулярные лестницы с использованием аминов и альдегидов в качестве динамических ковалентных реактивных пар и Кислой редкой земли Льюиса металлические трифлы в качестве многоцелевых реагентов.
Этот протокол представляет собой использование Льюис акисливых многоцелевых реагентов, чтобы обойти кинетическое поглощение наблюдается во время самосборки информационно-кодированных олигомерных нитей опосредовано парных динамических ковалентных взаимодействий таким образом, имитируя тепловой езды на велосипеде обычно используется для самосборки дополнительных нуклеиновой кислоты последовательностей. Первичные амин мономеры, несущие альдегид и амин кулон moieties функционируют с ортогонализации групп для использования в качестве динамических ковалентных пар реактивантных. Используя модифицированный автоматизированный синтезатор пептида, первичные мономеры амин кодируются в олиго (пептоидные) нити через синтез субмономера твердой фазы. После очистки высокопроизводительной жидкой хроматографией (HPLC) и характеристики электроспрейи ионизации масс-спектрометрии (ESI-MS), последовательность конкретных олигомеров подвергаются высокой загрузке Льюис кислой редкоземельных металлических трифле, который как депрепрегирует альдегидные moieties и влияет на реакционную пару эквилибрия, так что нити полностью dissociate. Впоследствии, часть кислоты Льюиса извлекается, что позволяет аннулирования дополнительных последовательности конкретных нитей для формирования информационно-кодированных молекулярных лестниц характеризуется матрицы при содействии лазерной дезорпации / ионизации масс-спектрометрии (MALDI-MS). Простая процедура, изложенная в настоящем докладе, обходит кинетические ловушки, обычно встречающихся в области динамической ковалентной сборки, и служит платформой для будущего дизайна надежных, сложных архитектур.
Прогресс в самосборке, процесс, с помощью которого небольшие суб-единицы генерировать большие архитектуры через термодинамически управляемых путей, позволило улучшить контроль над макро- и надмолекулярных наноструктур, как правило, используя межмолекулярные взаимодействия, такие как укладка и водородных связей1,2,3,4. В частности, нуклеиновые кислоты (т.е. полинуклеотиды) стали удивительно универсальными наностроительными носителями, так как высокая плотность информации, обеспечиваемой спариванием базы Watson-Crick, позволяет сборку сложных, последовательно-селективных структур4,5. В то время как по своей сути низкая прочность этих переходных межмолекулярных связей позволяет переформатировать суб-единицу и коррекцию ошибок, резучивые структуры часто подвержены тепловой и механической деградации6. В отличие от динамических ковалентных взаимодействий7,8,9, класс ковалентных связей формирования реакций, которые являются обратимыми или перестроены в мягких условиях и недавно были использованы для выхода сложных макромолекулы, такие как лестницы10,11,12,13, клетки14,15,16, и стеки17, предложение сильные связи и надежные структуры. К сожалению, возможности для реорганизации и проверки ошибок уменьшается из-за относительно низких темпов перестановки этих ковалентных видов, сокращая их возможности для самостоятельной сборки в желаемые продукты18. Для решения этой кинетической захвата, катализаторы или суровые условия реакции часто используются в сочетании с простыми строительными блоками. Здесь мы сообщаем о процессе, который обходит кинетическое захват, чтобы позволить самосборке молекулярных лестниц из олигомеров, специфичных последовательности, где гибридизация направлена на информацию, закодированную в последовательности остатков олигомера.
Учитывая их синтетическую доступность, поли (N-заменители глицина) s (т.е. пептоиды) используются в качестве олигомерных прекурсоров, из которых молекулярные лестницы собраны19. Пептоиды являются структурными изомерами пептидов, в которых подчелюстные группы прикреплены к позвоночнику азота вместо того, чтобы в сочетании с углеродом20. Использование твердой фазы синтеза, точное размещение динамических ковалентных групп кулонов вдоль пептоидной цепи легко достигается, что позволяет для разработки прекурсоров олигомеров, которые могут собраться в сложные надмолекулярные структуры21.
Динамическая ковалентная перестановка иминовой связи используется в этой процедуре, так как реакция генерации имина обеспечивает удобное средство для характеристики самосборки масс-спектрометрией, поскольку каждая формируемая связь приводит к массовому сокращению на 18 г/моль22. Кроме того, равновесие между амин и альдегид реагенты и имин продукт может быть изменен путем изменения концентрации кислоты. В частности, редкоземельные металлические трифлы используются для воздействия на равновесие, и дополнительно дезащиты этилен ацетал-защищенных альдегидов23,24,25. Отметим, что скандий-трифлету уже широко используется в области динамической ковалентной самосборки, в том числе его недавний успех в содействии синтезу ковалентных органических рамок (COFs) при комнатной температуре26,27. Кроме того, контрастная растворимость последовательностей олиго (пептоид) и редкоземельный металлический трифлат обеспечивает равновесное управление посредством экстракции жидкостной жидкости. Этот процесс, о который сообщалось, использует этот контроль для обхода кинетических барьеров, препятствующих самосборке, направленной на информационную.
Техника здесь описывает динамическую ковалентную сборку информационно-несущих пептоидных олигомеров, где информация закодирована в последовательности их подсений групп. Использование Alloc-защищенных амина мономер в сочетании с этиленом ацетал-защищенных альдегида мономер позволяет ортогональное дезащита, что позволяет Alloc дезащиты на бисериной и ацетальной дезащиты на месте во время самосборки реакции, тем самым обеспечивая синтезированные последовательности преждевременно реагировать до олигомерной очистки и характеризации. Важно отметить, что синтез твердой фазы осуществляется с использованием фотолабильной сечения, чтобы олигомеррасщевание из бисера под УФ или фиолетовый облучение света, исключая преждевременное депротекции кислотно-лабилизованной, этилен ацетал основе защиты группы. Можно было бы рассмотреть несколько альтернативных схем дезащиты. Например, мы первоначально использовали группы защиты двойной кислоты-лабиля (Бок-амин и этилен ацеталь-альдегид) с намерением дезащиты на месте сильной кислотой, за которой следовала нейтрализация, чтобы позволить самосборке продолжить реакцию; однако этот подход привел к непосредственному порождению осадка после добавления базы. Кроме того, защита амина с фотолабильной защитной группой, 2-(2-нитрофенил)пропокскарбонил (NPPOC), была предусмотрена как альдегид может быть избирательно дезащищенных при лечении трифтороацетической кислоты (TFA) до очистки. К сожалению, на месте фотолиза группы защиты с ультрафиолетовым светом не позволяла количественной дезащиты, даже при наличии фотосенсибилизаторов и после длительных периодов облучения25. Trimethylsilylethoxycarbonyl (т.е. Теок) может быть использован в качестве группы защиты амина и подлежит расщеплению при лечении редкоземельными металлическими трифлятами; однако, количественная дезащита Теок требует гораздо более высоких редкоземельных металлических погрузок трифле, чем та, которая необходима для дезащиты этилена ацетала. Для этого протокола могут использоваться теок-амины, но концентрация кислоты Льюиса должна быть соответствующим образом скорректирована, поскольку субколичественная дезащита амина может оказаться проблематичной для более крупных самособранных структур. Алифатические функциональные группы были кратко рассмотрены, но дезащита алифатических альдегидов требует суровых условий, которые усечение пептоидных последовательностей32,33.
Включение Neee и Nma в качестве инертных остатков прокладки служить для улучшения олигомерной растворимости и позволяют легкой масс-пометки прекурсоров олигомеров, чтобы позволить себе готовые идентификации генерируемых видов масс-спектроскопии. Кроме того, с учетом “Книгэнд” конформации пептоидов, где соседние сегменты позвоночника принять противоположные вращательные состояния, чтобы сформировать линейный, твист-свободный олигомер34,35, последовательности, включающие чередующихся динамических ковалентных и инертных остатков пространства облегчает структуру, в которой реактивные группы подвески ориентированы в том же направлении. Учитывая универсальность метода субмономера, большая и разнообразная библиотека первичных аминов может быть использована для дальнейшего изменения пептоидных олигомеров, но может потребовать корректировки протокола для поддержания высокой эффективности соединения.
В то время как олиго (пептоиды) можно синтезировать вручную в стеклянном сосуде реакции19,автоматизация процесса уменьшает время для каждого добавления остатков от нескольких часов до получаса. Кроме того, автоматизация уменьшает количество отходов мономера и растворителя, особенно желательно при использовании первичных мономеров амина, которые не доступны на коммерческой уровне. Хотя расщепление Alloc от защищенных остатков амина является эффективной реакцией, окисление палладия может привести к неполной дезащите. Следовательно, предлагается проверить расщеплять часть смолы и охарактеризовать степень дезащиты с ESI-MS. Для испытательных расщеплений 30 мин под 405 нм облучения высвобождает достаточно пептоид для масс-спектрометрии. Частичная дезащита может быть ограничена с использованием анаэробных условий или повторением реакции дезащиты.
В то время как эта статья посвящена Sc(OTf)3 как многоцелевому реагенту, другие редкоземельные металлические трифляты, такие как трифляты ytterbium, были показаны для успешного посредничества в информационной сборке молекулярных лестниц. Примечательно, что Sc(OTf)3 является самым кислым Льюисом из редкоземельных металлических трифлятов; таким образом, из-за снижения каталитической способности, предоставляемой другими редкоземельными металлическими трифлятами24,36, большие эквиваленты могут потребоваться для осуществления полной этиленовой ацеталной дезащиты и диссоциации нитей. Требуемое количество эквивалентов можно определить с помощью масс-спектрометрии MALDI путем наблюдения точки, в которой нити полностью разъединяются. Диссоциация имеет решающее значение в процессе самосборки и аналогична таянию нитей нуклеиновой кислоты при поднятой температуре. Последующая извлечение катализатора позволяет формировать и срыва динамических ковалентных пар, стимулирующих сборку дуплексов, специфичных последовательности. Это постепенное аннулирование олигомерных нитей обходит кинетическое улавливание (которое, для молекулярных лестниц, может дать вне реестра видов или неправильно парных последовательностей) опытных другими методами.
Хлороформ является отличным растворителем, как фазовое разделение в хлороформ / ацетонитрил / вода тернари система, используемая здесь способствует частичной добычи Льюис кислоты, не приводя к осадкам самосборных структур37. Кроме того, хлороформ является одним из немногих растворителей, который способствует образованию имина при сохранении молекулярной растворимости лестницы. Из-за динамичного характера системы часто можно наблюдать следы вне реестра и неправильно парных дуплексов. Хотя эта система в значительной степени не зависит от небольших изменений в редкоземельных металлических концентрациях трифле при добыче, иногда недостаточная добыча катализаторов генерирует значительную часть неполной гибридизации и неспецифических олигомерных соединений. В этом случае, как правило, предпочтительнее сначала повторно разъединить с еще 1,5 эквивалентами катализатора, а затем извлечь второй раз, а не повторно извлечь немедленно, так как полная диссоциация отдельных нитей имеет жизненно важное значение для процесса. Для одновременной сборки нескольких уникальных закодированных информацией молекулярных лестниц может потребоваться увеличить концентрацию раствора редкоземельных металлических трифлопов, используемого для поддержания эквивалентов и общего объема реакции.
Хотя эти самосборки в первую очередь характеризуется масс-спектрометрии, другие методы, включая флуоресценцию резонансной передачи энергии (FRET) возможны. Ограничения включают в себя количество необходимых материалов, доступность мономеров и соотношение сигнала к шуму. Методы, требующие растворителей, таких как 1H NMR, могут дополнительно страдать от неразрешительности самособранных конструкций. Кроме того, редкоземельные концентрации металлоконструкций после экстракции могут определяться такими методами, как ICP-MS или 19F NMR с внутренним стандартом.
По мере продвижения к совершенствованию контроля над макро- и надмолекулярными наноструктурами и материалами возникает задача разработки и изготовления регулярных, но модифицируемых сборок. Протокол, описанный в настоящем докладе, обеспечивает путь к достижению таких наноструктур с помощью последовательно-селективных сборок с помощью динамических ковалентных взаимодействий.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Министерством энергетики США, Управлением по науке, фундаментальным энергетическим наукам, в соответствии с премией #DESC0012479. S.C.L. признает поддержку Программы стипендий Национального научного фонда для аспирантов, а A.F.A. – поддержку Национальной нефтяной компании Абу-Даби (ADNOC).
1,4-Dioxane | Fisher Scientific | D1114 | Certified ACS |
2-(4-Hydroxyphenylazo)benzoic acid (HABA) | Millipore-Sigma | 54793 | Matrix substance for 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-Toluenesulfonyl chloride | Oakwood Chemical | BR1703 | 99% |
50 mL High Performance Centrifuge Tubes | VWR International | 21008-240 | Centrifuge Tubes used for automated synthesizer |
Acetic acid | Fisher Scientific | A38-212 | Glacial |
Acetic anhydride | Fisher Scientific | A10 | Certified ACS |
Acetonitrile | Millipore-Sigma | 34851 | For HPLC; Gradient grade; ≥99.9% |
All-plastic Norm-Ject syringes | Thermo Fisher Scientific | S7510-10 | Luer-Slip Syringe |
Allyl chloroformate | Acros Organics | 221741000 | 97% |
Bromoacetic acid | Alfa Aesar | A14403 | ≥98.0% |
Chloroform | Millipore-Sigma | 288306 | Anhydrous; ≥99%; Contains 0.5-1.0% ethanol as stabilizer |
Chloroform-d | Acros Organics | AC320690075 | For NMR; 99.8 atom % D; Packaged in 0.75 ml ampoules |
Dichlorodimethylsilane | Acros Organics | 1133100 | ≥99.0% |
Dichloroethane | Fisher Scientific | E175 | Certified ACS |
Dichloromethane | Fisher Scientific | D37-4 | Stabalized; Certified ACS |
Diethyl ether | Acros Organics | 615080010 | Anhydrous; ACS reagent |
Diethylene glycol monoethyl ether | TCI America | E0048 | ≥99.0% |
Ethanol | Decon Labs | 2701 | 200 Proof; Anhydrous |
Ethylene glycol | Fisher Scientific | E178 | Certified |
Fmoc-Photolabile SS resin | CreoSalus | SA50785 | 100-200 mesh; 1% DVB |
Glass Peptide Vessel | Chemglass | CG-1866-02 | Solid Phase, T-Bore PTFE Stpk, Vacuum, Medium Frit, GL 25 Thread |
LC-6AD HPLC pumps | Shimadzu Corporation | Equipment | |
LED 405nm | ThorLabs | M405L2-C1 | 405 nm LED used for photocleavage of peptoid |
LED Driver | ThorLabs | LEDD1B | Driver for LED light used in photocleavage of peptoid |
Liberty Blue Automated Peptide Synthesizer | CEM Corporation | Equipment | |
Lithium aluminum hydride | Millipore-Sigma | 199877 | Powder; Reagent grade; 95%; CAUTION: Mildly pyrophoric, handle under inert gas and protect from moisture |
Luna C18 analytical RP-HPLC column | Phenomenex | 00G-4252-E0 | Equipment |
Luna C18 prepatory RP-HPLC column | Phenomenex | 00G-4253-P0-AX | Equipment |
Methanol | Fisher Scientific | A412 | Certified ACS |
Microliter Syringe | Hamilton Company | 80700 | Cemented Needle (N) |
N,N'-Diisopropylcarbodiimide (DIC) | Oakwood Chemical | M02889 | ≥99.0%; CAUTION: DIC is hazardous to eyes, skin, via respiratory inhalation, and may cause skin sensitization |
N,N-Dimethylformamide | Millipore-Sigma | 319937 | ACS reagent; ≥99.8% |
Nitric acid | Fisher Scientific | A200-212 | Certified ACS Plus |
Nitrogen gas | Cryogenic Gases | Contents under pressure, may explode if heated | |
Phenylsilane | Oakwood Chemical | S13600 | 97% |
Prominence SPD-10A UV/vis Detector | Shimadzu Corporation | Equipment | |
p-Toluenesulfonic acid monohydrate | Millipore-Sigma | 402885 | ACS reagent; ≥98.5% |
Scandium(III) triflate | Oakwood Chemical | 009343 | 99% |
Single-use Needle | Exel International | 26420 | 18G x 1 1/2″ |
Sodium azide | Oakwood Chemical | 094448 | 99%; CAUTION: NaN3 may react with lead and copper which results in the formation of highly explosive metal azides. It is acutely toxic and fatal if swallowed or in contact with skin. |
Sodium bicarbonate | Fisher Scientific | S233 | Powder; Certified ACS |
Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318-100 | Pellets; Certified ACS |
Sodium sulfate | Fisher Scientific | S421-500 | Anhydrous; Granular; Certified ACS |
Syringe Filter 0.45 µm | VWR International | 28145-497 | PTFE, Syringe Filters with Polypropylene Housing |
Tetrahydrofuran | Fisher Scientific | T397 | Certified |
Tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0) | Oakwood Chemical | 034279 | 98% |
Toluene | Fisher Scientific | T324 | Certified ACS |
Triphenylphosphine | Oakwood Chemical | 037818 | 99% |