Fastfase-syntese af en funktionaliseret Bis-peptid ved anvendelse af "sikkerheds" Metode

Biology
 

Summary

Den effektive fastfase-peptidsyntese af en funktionaliseret bis-peptid trimer anvendelse af en "sikkerheds"-spaltning proceduren fra HMBA harpiks er beskrevet.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Pfeiffer, C. T., Schafmeister, C. E. Solid Phase Synthesis of a Functionalized Bis-Peptide Using "Safety Catch" Methodology. J. Vis. Exp. (63), e4112, doi:10.3791/4112 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

I 1962, publiceret RB Merrifield den første procedure under anvendelse af fast-fase peptidsyntese som en hidtil ukendt vej til effektivt syntetisere peptider. Denne teknik hurtigt bevist fordelagtigt i forhold til dets løsning-fase forgænger i både tid og arbejdskraft. Forbedringer vedrørende arten af ​​fast støtte, de beskyttende grupper ansat og koblingen anvendte metoder i løbet af de sidste fem årtier har kun øget nytten af ​​Merrifield oprindelige system. Dag, anvendelse af en Boc-baseret beskyttelse og base / nukleofil fraspaltelig harpiks strategi eller Fmoc beskyttelses-og sure spaltelig harpiks strategi udviklet af RC Sheppard, der mest almindeligt anvendes til syntese af peptider 1.

Inspireret af Merrifield solide understøttet strategi har vi udviklet en Boc / tert-butyl fastfasesyntese strategi for samling af funktionaliserede bis-peptider 2, som er beskrevet heri. Anvendelse af fast-fase syntese sammenlignet to opløsning-fase metode er ikke blot fordelagtigt i tid og arbejdskraft, som beskrevet af Merrifield 1, men tillader også større lethed ved syntese af bis-peptidbiblioteker. Syntesen at Vi viser her omfatter en afsluttende spaltning trin, der anvender en totrins-"sikkerheds"-mekanisme for at frigive den funktionaliserede bis-peptidet fra harpiksen ved diketopiperazin-dannelse.

Bis-peptider er stive, spiro-ladder oligomerer af bis-aminosyrer, der er i stand til at positionere funktionalitet i en forudsigelig og designable måde, der kontrolleres af typen og stereokemien af ​​de monomere enheder, og forbindelsen mellem hver monomer. Hver bis-aminosyre er en stereokemisk ren cyklisk skelet, der indeholder to aminosyrer (en carboxylsyre med en α-amin) 3,4. Vores laboratorium øjeblikket undersøge potentialet af funktionelle bis-peptider på tværs af en lang række områder, herunder katalyse og protein-protein interaktioner og nanomaterials.

Protocol

1. Opsætning

  1. Reaktionsblandingen set-up for fast-fase syntese er en polypropylen filterpatron eller glasreaktor, der er forbundet via polypropylen rør til en lukket filtrering kolbe under vakuum, som vist i figur 1. Reaktionen kan blandes med en magnetisk omrørerstav eller ved at boble nitrogen gennem reaktoren.
  2. En gas-manifolden forbundet til en Argon cylinder forsynet med et tørrerør og oliebobler anbefales også, da det tillader reaktionsbeholderen, der skal indeholdes under en inert atmosfære og tillader fjernelse af reagenser fra forseglede beholdere.
  3. Alle operationer udføres i et stinkskab og korrekt personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, laboratoriekittel og nitril handsker) er påkrævet.

2. Lastning første bis-peptid på Resin

  1. Afvej 114 mg HMBA-AM-harpiks (0,88 mmol / g påføring, 100 pmol) i 8 ml reaktionsbeholder, og der tilsættes magnetisk omrørerstav. Sæt låg på toppen af ​​the fartøj med en gummiskillevæg, og udskillelse af røret med argon i mindst 5 minutter.
  2. I mellemtiden vejer 117,3 mg af forbindelse 1 i figur 3 (586,63 g / mol, 2 ækv) og 59,2 mg 1 - (mesitylen-2-sulfonyl)-3-nitro-1 ,2,4-triazol (MSNT, 296,0 g / mol, 2 ækv) i en 15 ml engangs centrifugerør og opløses i 2 ml vandfri dichlormethan (DCM). Tilsættes 24 pi 1-methylimidazol (NMI, 80,81 ml / mol, 3 ækv) til opløsningen og blandes indtil det er fuldstændigt opløst.
  3. Overfør den aktiverede opløsning til reaktionsbeholderen via sprøjte, og der omrøres under argon natten over (ca. 10 timer).
  4. Fjerne septum og dræne reaktionsblandingen. Resinen vaskes med DCM (5x) og dimethylformamid (DMF) (5x). Udfør "methylrødt test" beskrevet i afsnit 10,1 for at vurdere graden af ​​harpiks belastning. Hvis harpiksen forbliver rødt under methylrødt testen derefter trin 2,2 og 2,3 bør gentages. En gul farve, der indikerer et negativt methylrødt test, er foretrukne;kan dog idet eventuelle resterende hydroxylgrupper vil blive udjævnet i næste trin, et svagt positivt resultat (lys orange harpiks farve) være acceptabel.

3. Afbeskyttelse af første bis-peptid og samtidig Resin Loft

  1. Tilsæt 1 ml af DCM til reaktionsbeholderen derefter tilsættes 1 ml 33% hydrogenbromid i eddikesyre i løbet af 30 sekunder (boblende forekommer) og omrøres i 15 minutter. Tøm og vask harpiksen med DCM (5x) og gentag processen en gang mere.
  2. Resinen vaskes med DCM (5x), derefter DMF (5x). Neutralisere den harpiksen ved vask to gange med en 5% volumen / volumen opløsning af N, N-diisopropylethylamin (DIPEA) i DMF, hvorefter der vaskes med DCM (5x) og DMF (5x) igen. Udfør "methylrødt test" og "chloranil test" diskuteret i afsnit 10,1 og 10,2. Resultaterne skulle være negativ for methylrødt testen og positiv for chloranil test.

4. Kobling Boc / tBu-beskyttet funktionaliserede Bis-AmiIngen syreproduktion

  1. Genindføre en inert atmosfære til harpiks-holdige reaktionsbeholder ved vask tre gange med vandfrit DCM derefter fastgøre et septum og argon linie. Rense og vask beholderen ved tilsætning 1-2 ml vandfri DCM og lade blandingen omrøres i 30 sekunder og derefter dræner beholderen, indtil argon linie absorptionskolben begynder at stige. Gør dette mindst en gang mere.
  2. Fremstille en opløsning af 0,15 M funktionaliseret bis-aminosyre (3 ækv) og 245 mg 1-hydroxy-7-azabenzotriazol (HOAt, 136,11 g / mol, 18eq) i 2 ml 2:1 DCM: DMF i en flammetørret test Røret under argonatmosfære. Tilsættes 47 uL af diisopropylcarbodiimid (DIC, 156,6 ml / mol, 3 ækv), og blandingen omrøres i 90 minutter.
  3. Tilsættes 35 uL DIPEA (174,19 ml / mol, 2 ækv) i 666 ul vandfrit DMF til harpiksen, og der omrøres i 5 minutter.
  4. Overføre præ-aktiverede bis-aminosyre-opløsning til reaktionsbeholderen via sprøjte, og der omrøres natten over.
  5. Dræne reaktionsblandingen og vaskes to gange med vandfrit DCM under under argon.
  6. At fremme lukning af diketopiperazin, tilsættes en 0,25 M opløsning af HOAt (136,11 g / mol, 10eq) og DIC (156,6 ml / mol, 10eq) i en 4 ml af 1:1 DCM: DMF og omrøres under argon i 1 time.
  7. Fjerne septum og dræne reaktionsblandingen. Resinen vaskes med DCM (5x) og DMF (5x). Hvis det ønskes, udføre "chloranil test" omtalt i afsnit 10,2.

5. Afbeskyttelse af Boc / tBu-beskyttet funktionaliseret Bis-Amino Acid

  1. Tilsæt 2 ml af en opløsning af 95:5 trifluororacetic syre (TFA): triisopropylsilan (TIPS) til reaktionsbeholderen, og gør det muligt at omrøre i 1 time. Drænes og vaskes harpiksen i 30 sekunder med DCM (5x), derefter gentage processen igen.
  2. Resinen vaskes med DCM (5x), derefter DMF (5x). Neutralisere den harpiksen ved vask to gange med en 5% volumen / volumen opløsning af DIPEA i DMF og derefter vaske DCM (5x) og DMF (5x) igen. Hvis det ønskes, udføre "chloranil test" omtalt i afsnit 10,2.
le "> 6. Gentag trin 4 og 5, som ønskede at syntetisere målrettede bis-peptid.

7. Funktionalisere Bis-peptid Prolidine End

  1. Den prolidine ende af det voksende bis-peptid kan acyleres uafhængigt eller sammen gennem en diketopiperazin. Desuden kan denne forbindelse efterlades beskyttes, som vil blive spaltet sidstnævnte giver den frie aminosyre. Hvis det ønskes, udføre "chloranil test" diskuteret i afsnit 10,2 for at vurdere kobling effektivitet.

8. Afbeskyttelse af Fmoc og acylering af kvartære End af bis-peptid

  1. En 2 ml opløsning af 20% piperidin i DMF tilsættes, og reaktionsblandingen blandes i 20 minutter. Tøm og vask harpiksen med DMF (5x) gentag processen en gang mere.
  2. Resinen vaskes med DCM (5x), derefter DMF (5x).
  3. Fremstilling af en 0,15 M opløsning af aminosyre (3 ækv) i 2 ml N-methylpyrrolidon (NMP) med 114 mg 2 - (7-aza-1H-benzotriazol-1-yl) -1,1,3,3-tetramethyluroniumhexafluorphosphat (HATU, 380,2 g / mol, 3 ækv) og 104,5 ul DIPEA (174,19 ml / mol, 6eq) og bland godt. Tilsættes til reaktionsbeholderen, og der omrøres i 6 timer.
  4. Resinen vaskes med DCM (5x), derefter DMF (5x).

9. Fjerne Boc-gruppen fra det harpiksbundne aminosyre og spaltes fra harpiks

  1. Tilsæt 2 ml af en 1:1 TFA: DCM-opløsning til reaktionsbeholderen, og der omrøres i 30 minutter. Tøm og vask harpiksen med DCM (5x) og gentag processen en gang mere.
  2. Vaske og tømme harpiksen i 30 sekunder med DCM (5x), derefter DMF (5x).
  3. Tilsæt 2 ml af en opløsning af 10% DIPEA i vandfrit DMF og omrøres 24-48 timer.
  4. Samle reaktionsblandingen i tarerede rundbundet kolbe. Overføre 30 ul af denne opløsning til 450 pi THF i en LC-MS hætteglas og sende til analyse. Resinen vaskes med yderligere portioner af DMF og opsamles i den rundbundede kolbe og derefter fjerne opløsningsmidlet i vakuum.
dflinebreak ">

10. Oprensning af Bis-peptid

  1. Opløs rå bis-peptid i en minimal mængde dimethylsulfoxid (100-250 pi) og overføres til HPLC hætteglas insert. Sted insertet i autosampleren delvis prepitive HPLC-system (Hewlett Packard 1100 Series) udstyret med en XTERRA Prep MS C18 5 um 7.8x150 mm søjle og en 100 pi injektionssløjfe.
  2. Udføre flere 50 ul injektioner af prøven under anvendelse af en gradient program på 5-95% acetonitril i vand med 0,1% myresyre i løbet af 30 minutter under overvågning ved 274 nm. Opsaml produktet top i en forvejet engangs centrifugerør og fryse tør bruge en frysetørringsapparat. Der skal udvises forsigtighed med det første løb som en lille forskydning i toppen retentionstiden forhold til analytiske LCMS typisk observeres.

11. Vurderingsmetoder

  1. Methylrødt TEST 7: Fjernes ~ 1 mg tør harpiks via engangspipette og skylles i 4 ml reaktionsbeholder. Tilsættes en opløsning af 20 mg methyl-rødt, 50 ul N, N'-diisopropylcarbodiimid (DIC) og 5 mg 4-dimethylaminopyridin (DMAP) i 500 ul vandfrit DCM og omrøres i 5-10 minutter. Drænes og vaskes harpiksen med DCM, indtil filtratet bliver farveløst. Positiv indikation er harpiksperlerne resterende orange eller rød.
  2. Chloranil TEST 12: Transfer ~ 1 mg tør harpiks i et lille hætteglas via engangspipette. Tilsættes 3 dråber af både 0,8 mM chloranil i DMF-opløsning og 2% acetaldehyd i DMF-opløsning, og lad stå ved stuetemperatur i 5-10 minutter. Positiv indikation er harpiksperlerne dreje blå / lilla.
  3. AKTIVERING TRAP TEST: Aktiverede forbindelser under syntesen kan vurderes ved at overføre en lille mængde (5-10 pi) af den aktiverede opløsning til en væskekromatografi-massespektrometri (LC-MS) hætteglas indeholdende 50 pi pyrrolidin. Blandes med håndkraft i nogle få sekunder (løsninden bør blive gul) fortynd dernæst med 450 ul af tetrahydrofuran (THF) og indsende til LC-MS-analyse.
  4. ANALYTISK LC-MS: Det endelige produkt og aktiverede mellemprodukter kan vurderes under anvendelse af en HP 1200-serien LC-MS-system udstyret med en Waters XTERRA MS C18 3,5 um 4,6 mm x 150 mm kolonne og et gradientsystem af 5-95% acetonitril i vand med 0,1% myresyre i 30 minutter.

12. Repræsentative resultater

Et eksempel på både rå (fig. 4) og oprenset (fig. 5) LCMS spor er tilvejebragt. Oprensede udbytter på 10% forventes ved anvendelse af fremgangsmåderne beskrevet ovenfor.

Figur 1
Figur 1. Diagram over forsøgsopstilling til fastfasesyntese.

Figur 2
Figur 2.Relevant nomenklatur Bis-aminosyrer / BIS-peptider.

Figur 3
Figur 3. Samlet synteseskema. Klik her for at se større figur .

Figur 4a
Figur 4a. HPLC spor af råproduktet ved 274 nm.

Figur 4b
Figur 4b. MS-spektrum råprodukt Peak.

Figur 5a
Figur 5a. HPLC spor af oprenset produkt ved 274 nm.

Figur 5b
Figur 5b. MS spektrum af oprenset ProductionTpeak.

Discussion

Den syntetiske fremgangsmåde er præsenteret heri tilvejebringer en fremgangsmåde til syntese af funktionaliserede bis-peptider fra bis-aminosyre byggeblokke anvender fælles fastfase-peptidsynteseteknikker. Den monomer syntese af disse "Pro4" byggeklodser fra trans-4-hydroxyprolin 3 er meget skalerbar og er blevet afsluttet til hydantoin scenen på en 600 mmol (234 g) skala (ikke offentliggjort). Når de monomerer er i hånden, anvendelse af fastfase-teknikker tilvejebringer en hurtigere metode til bis-peptidsyntese end vores nuværende opløsning-fase metode 4 ved at eliminere behovet for reaktionen arbejde op-og mellemliggende oprensninger.

Den primære udfordring i fast-fase syntese diagnosticere syntetisk fremskridt og problemløsning da ingen mellemprodukter isoleres. Dette har ført til udviklingen af mange kolorimetriske tests, herunder dem, der angiver, om frie aminer (Kaiser test 10) eller frit hydroxyls (methylrødt Test 7) udsættes for harpiks. Uheldigvis er almindeligt anvendte Kaiser-test 10 er generelt ikke anvendes i vores fastfasesyntese på grund af den næsten udelukkende anvendelse af sekundære aminer eller aminer bundet til et kvaternært carbonatom. Andre muligheder for vurdering af HMBA harpiks indbefatter test skel ved hjælp af en nukleofil, såsom hydrazin 11, kvantitativ Fmoc spaltning overvåges af UV / Vis 1,11, og indfangning og analysere indkommende aktiverede forbindelser.

Et andet overset problem i fast-fase syntese er den repetitive natur af syntetiske trin, der kræves af brugeren. Med dette in mente, forfatterne anbefaler brug af et regneark eller en tjekliste, når du udfører en manuel fast-fase-peptidsyntese.

Den vanskeligt at bruge bis-peptider til fast-fase syntese sammenlignet med almindelige α-aminosyrer omfatter potentialet for mere vanskeligt koblinger på grund af sterisk hindrance, behovet for on-harpiks diketopiperazin lukninger, og samtidige afbeskyttelser (Boc / tBu; Cbz / tBu). Anden vanskeligt ligger opnå kvantitativ afgivelse fra harpiksen ved anvendelse af denne "sikkerhedslåsen"-metoden i sammenligning med mere konventionelle midler. Med disse faktorer in mente, er det meget muligt, at yderligere optimering af denne metode kan opnås, og den nuværende indsats er i gang i vores gruppe for at forbedre den metode, der præsenteres her.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Dr. Zachary Z. Brown og Jennifer Alleva for den indledende udvikling af denne fastfasesyntesen teknik og Matthew FL Parker for nyttige diskussioner. Dette arbejde understøttes af Defense Threat Reduction Agency (DOD-DTRA) (HDTRA1-09-1-0009) og Horst Witzel Fellowship Award støttes af 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Atherton, E., Sheppard, R. C. Solid Phase Peptide Synthesis: A Practical Approach. Oxford University Press. (1989).
  2. Brown, Z. Z., Alleva, J., Schafmeister, C. E. Solid-Phase Synthesis of Functionalized Bis-Peptides. Biopolymers. 96, 578-585 (2010).
  3. Schafmeister, C. E., Brown, Z. Z., Gupta, S. Shape-Programmable Macromolecules. Acc. Chem. Res. 41, 1387-1398 (2008).
  4. Brown, Z. Z., Schafmeister, C. E. Synthesis of Hexa- and Pentasubstituted Diketopiperazines from Sterically Hindered Amino Acids. Org. Let. 12, 1436-1439 (2010).
  5. Nielson, J., Lyngso, L. O. Combinatorial Solid-Phase Synthesis of Balanol Analogues. Tet. Lett. 37, 8439-8442 (1996).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Chan, W. C., White, P. D. Fmoc Solid Phase Peptide Synthesis: A Practical Approach. Oxford University Press. (2000).
  12. Vojkovsky, T. Detection of Secondary Amines on Solid-Phase. Peptide Research. 71, 236-237 (1995).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics