Síntesis de peptoides que llevan información y su autoensamblaje covalente dinámico dirigido por secuencia

Chemistry
 

Summary

Se presenta un protocolo para la síntesis de oligómeros peptoides codificados con información y para el autoensamblaje dirigido por secuencia de estos peptoides en escaleras moleculares utilizando aminas y aldehídos como pares reactivos covalentes dinámicos y Lewis de tierras raras ácidas metal triflos como reactivos multifunción.

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Leguizamon, S. C., Alqubati, A. F., Scott, T. F. Synthesis of Information-bearing Peptoids and their Sequence-directed Dynamic Covalent Self-assembly. J. Vis. Exp. (156), e60442, doi:10.3791/60442 (2020).

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Abstract

Este protocolo presenta el uso de reactivos multifunciones ácidos Lewis para eludir la captura cinética observada durante el autoensamblaje de hebras oligoméricas codificadas en información mediadas por interacciones covalentes dinámicas emparejadas de una manera que imita el ciclo térmico comúnmente empleado para el autoensamblaje de secuencias de ácido nucleico complementarias. Los monómeros de aminas primarias que llevan aldehído y mitades colgantes de amina se funcionalizan con grupos de protección ortogonal para su uso como pares de reactivos covalentes dinámicos. Usando un sintetizador de péptidoautomatizado modificado, los monómeros de amina primaria se codifican en hebras oligo(peptoide) a través de la síntesis de sumonómero de fase sólida. Tras la purificación por cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) y la caracterización por espectrometría de masas de ionización por electrospray (ESI-MS), los oligómeros específicos de la secuencia se someten a una alta carga de un triflato de metal de tierras raras ácido Lewis que desprotege las mitades de aldehído y afecta al equilibrio del par de reactivos de manera que las hebras se disocian por completo. Posteriormente, se extrae una fracción del ácido Lewis, lo que permite recocido de hebras complementarias específicas de secuencia para formar escaleras moleculares codificadas en información caracterizadas por espectrometría de masas de desorción/ionización asistida por matriz (MALDI-MS). El sencillo procedimiento descrito en este informe elude las trampas cinéticas que se experimentan comúnmente en el campo del ensamblaje covalente dinámico y sirve como plataforma para el diseño futuro de arquitecturas robustas y complejas.

Introduction

El progreso en el autoensamblaje, el proceso mediante el cual las pequeñas subunidades generan arquitecturas más grandes a través de vías impulsadas termodinámicamente, ha dado un mejor control sobre las nanoestructuras macro y supramoleculares típicamente explotando interacciones intermoleculares tales como apilamiento y unión de hidrógeno1,2,3,4. En particular, los ácidos nucleicos (es decir, los polinucleótidos) han surgido como medios de nanoconstrucción notablemente versátiles como la alta densidad de información proporcionada por el emparejamiento de base Watson-Crick permite el montaje de estructuras complejas y selectivas en secuencia4,5. Mientras que la resistencia inherentemente baja de estos enlaces intermoleculares transitorios permite la reorganización de subunidades y la corrección de errores, las estructuras resultantes son a menudo susceptibles a la degradación térmica y mecánica6. Por el contrario, las interacciones covalentes dinámicas7,8,9, una clase de reacciones covalentes de formación de bonos que son reversibles o reorganizables en condiciones suaves y se han empleado recientemente para producir intrincadas macromoléculas como escaleras10,11,12,13, jaulas14,15,16,y pilas17, ofrecen mayores resistencias de unión y estructuras robustas. Desafortunadamente, la capacidad de reorganización y comprobación de errores se ve disminuida por las tasas de reorganización relativamente bajas de estas especies covalentes, reduciendo su capacidad de autoensamblaje en los productos deseados18. Para hacer frente a esta captura cinética, los catalizadores o las condiciones de reacción adversas se utilizan a menudo junto con bloques de construcción simples. Aquí, informamos de un proceso que elude la captura cinética para permitir el autoensamblaje de escaleras moleculares a partir de oligómeros específicos de secuencia donde la hibridación está dirigida por la información codificada en las secuencias de residuos de oligómeros.

Dada su accesibilidad sintética, la poli(N-sustituida glicina) (es decir, peptoides) se emplean como los precursores oligoméricos a partir de los cuales se ensamblan las escaleras moleculares19. Los peptoides son isómeros estructurales de péptidos en los que los grupos colgantes se fijan al nitrógeno transportado por la columna vertebral en lugar de acoplarse con el carbono20. Utilizando la síntesis de fase sólida, la colocación exacta de grupos colgantes covalentes dinámicos a lo largo de la cadena peptoide se logra fácilmente, lo que permite el diseño de oligomeros precursores que pueden ensamblar en estructuras supramoleculares complejas21.

La reorganización covalente dinámica de la conectividad imine se emplea en este procedimiento, ya que la reacción de condensación generadora de iminas proporciona un medio conveniente para caracterizar el autoensamblaje por espectrometría de masas, ya que cada enlace formado da como resultado una reducción de masa de 18 g/mol22. Además, el equilibrio entre los reactivos de amina y aldehído y el producto imine puede variar alterando la concentración de ácido. Específicamente, los triplanos metálicos de tierras raras se utilizan para afectar el equilibrio, y además desprotegen los aldehidos protegidos por etilentey23,24,25. Cabe señalar que el scandium triflate ya se utiliza comúnmente en el campo del autoensamblaje covalente dinámico, incluyendo su reciente éxito en la síntesis de marcos orgánicos covalentes (COF) a temperatura ambiente26,27. Además, la solubilidad contrastante de las secuencias oligo(peptoide) y el triflato metálico de tierras raras permite el control de equilibrio a través de la extracción líquido-líquido. El proceso notificado utiliza este control para eludir las barreras cinéticas que impiden el autoensamblaje dirigido por información.

Protocol

ADVERTENCIA: Varios productos químicos utilizados en este protocolo son corrosivos, inflamables o tóxicos y solo deben utilizarse bajo una campana de humo sorquímico. Utilice el equipo de protección personal adecuado y consulte todas las fichas de datos de seguridad (SDS) pertinentes antes de su uso.

1. Síntesis de monómeros

NOTA: Las aminas primarias se sintetizaron de acuerdo con los enfoques publicados.

  1. Síntesis de 4-(2-aminoetilo)-N-(alilcarboniloxy)fenilamina (Npam)25,28
    1. Añadir 5.0 g (36.7 mmol) de 4-(2-aminoetil)anilina a 150 mL de 10% de ácido acético (solución acuosa, v/v).
      NOTA: El uso de ácido débil permite la protección selectiva de la amina aromática sin afectar a la amina alifática debido a la gran diferencia en pKun valor entre los dos grupos.
    2. Preparar una solución de 4,9 g (40,4 mmol; 1,1 equiv.) cloroformato de alilo en 150 ml de 1,4 dioxanos.
    3. Combine las soluciones en un matraz de fondo redondo de 500 ml equipado con una barra de agitación magnética y revuelva la mezcla de reacción a temperatura ambiente durante la noche.
    4. Para trabajar la reacción, diluir con 500 ml de agua desionizada (DI) y lavar con éter dietílico (Et2O, 300 ml a 3). Deseche las fracciones orgánicas.
    5. Ajuste la fase acuosa a pH 14 añadiendo 2 M NaOH (solución acuosa) y extraiga con Et2O (150 ml a 3).
    6. Combinar las fracciones orgánicas y lavar con agua DI (150 ml a 3).
    7. Secar sobre Na2SO4y luego filtrar.
    8. Evaporar a la sequedad bajo presión reducida.
    9. Confirmar la identidad del producto aislado, Npam,mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Espere los siguientes resultados: 1H NMR (500 MHz, CdCl3) :7,31 (d, J a 8,0 Hz, 2H, Ar), 7,14 (d, J a 8,5 Hz, 2H, Ar), 6,65 (s, 1H, -N H- ), 6,04 – 5,89 (m, 1H, -C H á CH 2 ), 5,36 (s, 1H, -N H- ), 6,04 – 5,89 (m, 1H, -C H , CH 2 ), 5,36 (s, 1H, -N H- ), 6,04 – 5,89 (m, 1H, -C H , CH 2 ), 5,36 (s, 1H, -NH-), 6,04 – 5,89 (m, 1H, -CH, CH2), 5,36 (dq, J a 17,1, 1,6 Hz, 1H, -CH-CHH), 5,26 (dq, J a 10,5, 1,4 Hz, 1,4 Hz, 1,4 Hz, -CH,CHH), 4,66 (dt, J a 5,8, 1,5 Hz, 2H, -CH2-CH2), 2,94 (t, J a 6,8 Hz, 2H, -C H, -CH 2-NH2), 2,70 (t, J a 6,8 Hz, 2H, -CH2-Ar), 1,04 (s, 2H, -CH2-NH2). 13 C NMR (125 MHz, CD3OD) :154.85, 137.00, 134.98, 133.51, 129.36, 119.41, 116.92, 65.62, 59.89, 43.47, 38.72.
      NOTA: El producto es un sólido amarillo claro y tiene un rendimiento general del 69%. Utilice el producto sin más purificación.
  2. Síntesis de 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzonitrilo29,30
    1. Disolver 25 g (0,19 mol) de 4-cianobenzaldehyde en 200 ml de tolueno.
    2. Añadir 42,2 ml (0,768 mmol; 4 equiv.) de etilenglicol y 0,02 g (0,1 mmol; 0,05 mol%) de tolueno-p-ácido sulfónico a la mezcla de reacción.
    3. Revuelva y reaflua durante la noche a 120 oC utilizando una trampa Dean-Stark (es decir, destilación azeotrópica) para eliminar el agua generada durante la reacción.
    4. Una vez completada la reacción y enfriada a temperatura ambiente, añada 40 ml de 5% de Solución acuosa NaHCO3 (p/v).
    5. Extraiga la capa orgánica y lave con agua DI tres veces.
    6. Secar sobre Na2SO4y luego filtrar.
    7. Evaporar a la sequedad bajo presión reducida.
    8. Confirmar la identidad del producto aislado, mediante espectroscopia de RMN. Espere los siguientes resultados: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) :7.67 (d, J a 8.0, 2H, Ar), 7.59 (d, J a 8.4, 2H, Ar), 5.84 (s, 1H, CH), 4.12 - 4.03 (AA-BB, 4H, (CH2O)2). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) á:143.20, 132.34, 127.30, 118.72, 113.02, 102.56, 65.57.
      NOTA: El producto es un sólido cristalino blanco y tiene un rendimiento general del 86%. Utilice el producto sin más purificación.
  3. Síntesis de 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzylamine (Npal)29
    1. Preparar una solución de 10 g (0,057 mol) de 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzonitrilo en 100 mL de anhidro Et2O.
    2. Añadir cuidadosamente 4,3 g (0,11 mol; 2 equiv.) de LiAlHde 4 a 100 ml de anhidro Et2O en un matraz inferior redondo a 0 oC. Revuelva para crear una suspensión bien mezclada y sellar el sistema bajo una atmósfera inerte utilizando un globo lleno de argón. Atemple cuidadosamente con etanol cualquier LiAlH4 residual en el equipo utilizado para el pesaje.
      ADVERTENCIA: El hidruro de aluminio de litio (LiAlH4) es un pirofórico suave; bajo gas inerte y proteger de la humedad.
    3. Añadir lentamente la solución de benzonitrilo 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl) utilizando un embudo adicional o una bomba de jeringa mientras mantiene la mezcla de reacción a una temperatura de 0 oC.
    4. Agitar la mezcla de reacción durante 4 h a 0 oC, seguido con 12 h a temperatura ambiente.
    5. Una vez completada la reacción y enfriada a 0oC, añadir lentamente un 95% de etanol (30 ml). Aquente más mediante la adición de 50% de etanol en agua (v/v, 20 mL). Un burbujeador se puede utilizar para monitorear el proceso de enfriamiento.
      NOTA: Agregue et2O anhidro adicional según sea necesario para mantener una tasa de agitación adecuada.
    6. Separe el sobrenadante de éter y evapore hasta la sequedad bajo presión reducida.
    7. Filtrar el aceite resultante a través de un filtro de jeringa de 0,45 m.
    8. Confirmar la identidad del producto aislado, NpaI,por espectroscopia de RMN. Espere los siguientes resultados: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) :7,44 (d, J, 8, 2H, Ar), 7,32 (d, J, 8, 2H, Ar), 5,80 (s, 1H, CH), 4,14 - 4,0 (AABB, 4H, (CH2O)2), 3,87 (s, 2H, -CH2-NH2). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) á:144.53, 136.53, 127.16, 126.77, 103.72, 65.39, 46.35.
      NOTA: El producto es un aceite amarillo y tiene un rendimiento total del 70%. Utilice el producto sin más purificación.
  4. Síntesis de 2-(2-etoxietoxi)tosilato de etilo29,31
    1. Añadir 20 g (0,15 mol) de éter monoetilo de dietilenglicol y 50 ml de tetrahidrofurano (THF) a un matraz inferior redondo de 250 ml con un agitador magnético.
    2. Enfríe a 0 oC y selle el sistema bajo una atmósfera inerte utilizando un globo lleno de argón.
    3. Añadir 50 mL de 6 M de NaOH acuoso (2 equiv.).
    4. Disolver 54 g (0,28 mol; 2 equiv.) de cloruro de tosilo en 80 ml de THF y añadir la solución a la mezcla de reacción en forma de gota. Revuelva durante 1 h a 0 oC.
    5. Deje que la mezcla de reacción alcance la temperatura ambiente y revuelva durante otra hora.
    6. Extraiga la mezcla de reacción con Et2O (400 ml).
    7. Lavar la capa orgánica con 1 M NaOH, luego con agua DI.
    8. Secar sobre Na2SO4y luego filtrar.
    9. Evaporar a la sequedad bajo presión reducida.
    10. Confirmar la identidad del producto aislado mediante espectroscopia de RMN. Espere los siguientes resultados: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) :7,78 (d, J a 8,0, 2H, -S-C-CH-CH), 7,33 (d, J a 8,5, 2H, -S-C-CH-CH), 4,15 (t, J 5,0, 2H, -CH2-CH2-O-Ts), 3,68 (t, J a 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 a 7,0, 3H, O-CH2-CH3). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) :144.79, 132.95, 130.26, 129.80, 127.90, 126.95, 70.75, 69.68, 69.29, 68.61, 66.57, 21.56, 15.11.
      NOTA: El producto es un líquido incoloro y tiene un rendimiento general del 98%. Utilice el producto sin más purificación.
  5. Síntesis de 2-(2-etoxietoxi)azida29,31
    1. Disolver 40 g (0,14 mol) de 2-(2-etoxietoxi)etilo tosilato en 250 ml de dimetilformamida (DMF) en un matraz inferior redondo con un agitador magnético. Selle el sistema bajo una atmósfera inerte usando un globo lleno de argón.
    2. Añadir 32 g (0,49 mol; 3,5 equiv.) de NaN3 a la mezcla de reacción.
      ADVERTENCIA: No utilice una espátula metálica al pesar NaN3. NaN3 puede reaccionar con plomo y cobre, lo que resulta en la formación de azidas metálicas altamente explosivas. Es agudamente tóxico y mortal si se ingiere o está en contacto con la piel.
    3. Calentar la mezcla de reacción a 60oC y dejar que corra durante 36 h. A continuación, enfríe a temperatura ambiente.
    4. Diluir con gran cantidad de agua (500 ml) y extraer con Et2O (150 ml a 3).
    5. Aísle la capa orgánica y realice lavados de agua.
    6. Secar sobre Na2SO4y luego filtrar.
    7. Evaporar a la sequedad bajo presión reducida.
    8. Confirmar la identidad del producto aislado mediante espectroscopia de RMN. Espere los siguientes resultados: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) á:3,64 (m, 4H, O-CH2-CH2-O), 3,58 (m, 2H, N3-CH2-CH2-O), 3,51 (q, J a 7,5, 2H, O-CH2-CH3), 3,38 (t, J a 5,0, 2H, N3-CH2-CH2-O), 1,19 (t, J a 7,5, 3H, O-CH2-CH3). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) á:70,70, 69,97, 69,80, 66,63, 50,60, 15,08.
      NOTA: El producto es un líquido amarillo y tiene un rendimiento total del 85%. Utilice el producto sin más purificación.
  6. Síntesis de 2-(2-etoxietoxi)etilamina (Neee)29,31
    1. Disolver 20 g (0,13 mol) de 2-(2-etoxietoxi)azida etoxilegena en 160 ml de THF en un matraz inferior redondo de 500 ml con un agitador magnético.
    2. Añadir 40 g (0,15 mol, 1,1 equiv.) de trifenilffosfina y revuelva durante la noche a temperatura ambiente bajo argón.
    3. Atemple la mezcla de reacción con agua (220 ml) y deje que se revuelva durante otro día.
    4. Lavar la solución resultante con tolueno, seguido de diclorometano (DCM).
    5. Evaporar la capa acuosa al vacío.
    6. Confirmar la identidad del producto aislado, Neee,mediante espectroscopia de RMN. Espere los siguientes resultados: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) :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, NH2), 1,16 (t, J a 7,5, 3H, O-CH2-CH3). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) á: 73.14, 70.72, 69.64, 66.45, 41.35, 15.00.
      NOTA: El producto es un líquido amarillo y tiene un rendimiento total del 58%. Utilice el producto sin más purificación.

2. Síntesis de sumonómero de fase sólida de oligo(peptoides)

NOTA: Se empleó el enfoque de sumonómero para la síntesis de fase sólida (SPS), ya que permite la producción de oligómeros específicos de secuencia con alta eficiencia de acoplamiento. Un sintetizador de péptido automatizado fue adaptado para generar rápidamente oligo(peptoides). Los ajustes pueden requerir modificaciones para diferentes instrumentación.

  1. Preparación
    1. Pesar 0,125 g de resina Fmoc-Photolabile SS (0,8 mmol/g de carga típica, escala de 0,1 mmol, malla 100-200, 1% DVB) y añadir a un recipiente de reacción sintetizador automatizado fritado. Inserte el recipiente en la parte de microondas del sintetizador.
    2. Llene el frasco principal de disolvente con DMF y el frasco de desprotección con 20% 4-metilpiperidina en DMF (v/v). Residuos vacíos.
    3. Preparar 1 M de soluciones de ácido bromoacético y N,N'-diisopropylcarbodiimide (DIC) en DMF con volúmenes totales de 1,5 ml (número de residuos en secuencia) + 5 ml. Los 5 ml adicionales garantizan que no entre aire en la máquina. Añadir 0,47 ml de anhídrido acético a DMF para hacer una solución de tapado de 5 ml.
      ADVERTENCIA: DIC puede causar daños oculares graves, irritación y sensibilización de la piel, e irritación y sensibilización respiratoria.
    4. Preparar 0.5 M soluciones de cada amina primaria (Npam, Npal, Neee, y Nma (2-metoxietilamina)) en N-metil-2-pirrolidona (NMP) utilizado para el paso de desplazamiento. Los volúmenes totales de las soluciones de amina primaria deben ser de 2,5 ml (número de residuos de la amina primaria adecuada) + 2,5 ml.
    5. Agregue todas las soluciones al colector de sintetizador automatizado.
  2. Síntesis
    NOTA: Realice utilizando un sintetizador de péptidoautomatizado.
    1. Hincha la resina a temperatura ambiente durante 5 min con 10 mL de DMF. Escurra el recipiente de reacción.
    2. Deje el grupo Fmoc con 3 ml de la solución 20% 4-metilpiperidina para 30 s a 75 oC y 90 s a 90 oC. Escurra la nave. Repetir. Lavar con DMF (2 ml a 2).
    3. Añadir al recipiente 1,5 ml de la solución de ácido bromoacético y 1,5 ml de la solución DIC. Calentar la reacción a 75 oC durante 4,5 min para realizar la reacción de bromoacetilación. Lavar la resina (5 ml de DMF 3).
    4. Realice la reacción de desplazamiento añadiendo una solución de monómero de amina primaria de 2,5 ml al recipiente de reacción. Calentar a 75oC durante 4,5 min. Lavar resina (5 ml de DMF a 3).
    5. Repita los pasos 2.2.3. y 2.2.4. sustituyendo secuencialmente el monómero de amina primario utilizado en el paso 2.2.4. para crecer la cadena oligo(peptoide) de una manera específica de la secuencia.
    6. Después del paso de desplazamiento final, tapar la secuencia añadiendo 2,5 ml de la solución de anhídrido acético y 2 ml de la solución DIC. Calentar a 50oC durante 2 min. Lavar la resina (5 mL de DMF a 6).
    7. Transfiera la resina a un recipiente de reacción de vidrio frito equipado con un tapón de 3 vías. El recipiente de reacción de vidrio debe ser previamente siliconizado para evitar que las perlas se adhieran a las paredes. Silanizar las paredes llenando el recipiente con un 5% de diclorodimetilsilano en solución de dicloroetano (DCE) (v/v) en la parte superior y dejándolo sectuir durante 30 minutos. Vaso de vidrio seco antes de su uso.
    8. Lavar la resina con DCM (5 ml a 3), burbujeando con N2 a través de un brazo y tirando del vacío con otro.
    9. Secar y almacenar la resina y el oligo(peptoide) unido hasta la desprotección y el escote.
  3. Desprotección de la amina y escote de la resina
    1. Si la resina se ha almacenado durante más de un día, vuelva a envolver la resina burbujeando con 5 ml de DMF durante 10 min. A continuación, drene el recipiente y agregue una pequeña barra de agitación magnética.
    2. Añadir 3 ml de DCM seco al recipiente péptido de vidrio.
    3. Pesar 0,1 equivalentes de tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0) y 25 equivalentes de fenilsilano por grupo Alloc. Utilice una abrazadera para colocar el recipiente de reacción en un ángulo por encima de una placa de agitación de tal manera que la resina se someta a una agitación suave mientras permanece suspendida en el disolvente. Para evitar que el DCM se evapore, tapa el recipiente de reacción.
    4. Después de 1 h, filtrar la solución y lavar la resina con DCM (3 x 5 ml).
    5. Repita los pasos 2.3.2. y 2.3.3.
    6. Enjuague la resina secuencialmente con metanol y DCM dos veces.
    7. Transfiera la resina y la barra de agitación magnética a un vial de 20 ml.
    8. Sumerja la resina en DMF, revuelva y seque bajo irradiación durante 36 h a aproximadamente 25 mW.cm-2 con 405 nm. Una pequeña porción de resina se puede celar y caracterizar en ESI-MS antes de este paso para asegurar la desprotección completa de Alloc de amina. Si queda algún grupo de Alloc, repita los pasos 2.3.2 y 2.3.3.
    9. Separe el oligo(peptoide) liberado de la resina a través de un filtro de jeringa. Retire el disolvente al vacío.
  4. Purificación y caracterización de oligo(peptoides)
    1. Reconstituir los peptoides en una mezcla 50/50 de agua/acetonitrilo.
    2. Purificar con HPLC preparativo de fase inversa (C18). Combine fracciones purificadas, congele y liofilice para producir polvo blanquecino. El polvo se puede almacenar para su uso posterior.
    3. Analizar con ESI-MS después de la purificación.
    4. Realice espectrometría de masas MALDI en modo iónico positivo de reflectron. Mezclar 2 l de una solución de la muestra (1 mM) con 6 l de una mezcla de 10 mg de matriz [2-(4-hidroxifeninafta)ácido benzoico (HABA)] en 200 ml de acetonitrilo. Detectar en una placa de muestra MALDI y dejar secar al aire.
    5. Para la pureza, realizar HPLC analítico de oligo purificados (peptoides).

3. Autoensamblaje de la escalera selectiva de secuencia

  1. Autoensamblaje mediante disociación/extracción/analización
    1. Preparar soluciones de stock de 10 mM de cada secuencia oligo(peptoide) utilizada para el autoensamblaje y una solución de stock de 10 mM de scandium triflate (Sc(OTf)3) en acetonitrilo anhidro.
    2. A un vial de 3 ml equipado con una barra de agitación magnética, agregue 20 ml de cada solución de peptoides. Añadir 1.5 eq de Sc(OTf)3 por posible enlace imine de la solución de stock. Agregue suficiente agua y acetonitrilo para formar un total de 200 sL 2% (v/v) de solución de agua/acetonitrilo.
    3. Revuelva suavemente a 70 oC durante 2 h para la desprotección acetal del aldehído y la disociación de todas las hebras.
    4. Cargue el vial con 200 ml de cloroformo y 2 ml de agua. Agitar suavemente.
    5. Deje reposar la mezcla (al menos 15 min) y, tras la separación completa de la fase, extraiga la capa orgánica con una jeringa de microlitro.
    6. Agitar un vial nuevo a 70 oC para el recocido de oligomer, típicamente 6 h. La hibridación de escalera también se puede realizar a temperatura ambiente pero durante un período más largo.
  2. Caracterización de especies autoensambladas
    1. Realice espectrometría de masas MALDI-TOF en las soluciones de mezcla de reacción después de los pasos 3.1.3., 3.1.5., y 3.1.6. para monitorear la reacción. Si la hibridación es incompleta, agregue 1.5 eq de Sc(OTf)3 por posible enlace imine de la solución de stock y repita los pasos 3.1.3-3.1.6. hasta que esté completo.
    2. Secar la muestra bajo un flujo constante de nitrógeno y reconstituir en 1 ml de ácido nítrico al 2% (solución acuosa, v/v). Diluir 4 x 106veces con agua HPLC. Determinar la concentración de scandium posterior a la extracción con espectrometría de masas plasmáticas acopladas inductivamente (ICP-MS).

Representative Results

Para demostrar la capacidad de los peptoides codificados con información para someterse a un autoensamblaje covalente dinámico selectivo de secuencia en escaleras moleculares, se sinteticó e hibrida una cadena representativa, H2N-[Npam-Neee-Npal-Neee]2-Npam-Nma, fue sintetizada e hibridada con su secuencia de peptoides complementaria. Los monómeros Npam y Npal (caracterizados por 1H NMR (500 MHz), Figura 1) se emplearon como pares reactivos covalentes dinámicos con Neee ayudando a la solubilidad de los productos autoensamblados finales. Además, la incorporación del monómero Nma disponible comercialmente permite una diferenciación de masa entre las dos secuencias complementarias. Una vez completada la síntesis de sumonómero de fase sólida, el grupo Alloc se eliminó con Pd(PPh3)4. Antes y después de la desprotección, las porciones de la resina se celaron bajo 405 nm de luz y se caracterizaron por ESI-MS(Figura 2). La secuencia fue purificada por HPLC de preparación, liofilizada para lograr un polvo blanquecino, y pureza confirmada con HPLC analítico(Figura 3). El oligo(peptoide) fue posteriormente hibridado con su secuencia complementaria, H2N-[Npal-Neee-Nam-Neee]2-Npal, para permitir una escalera en el registro confirmada por MALDI-MS(Figura 4).

Figure 1
Figura 1: Esquemas sintéticos monómeros y 1espectros de MRC. A Esquemas sintéticos monómeros con reactivos y condiciones: i) cloroformato de alilo, ácido acético acuoso al 10%, 1,4 dioxano, temperatura ambiente, durante la noche; (ii) etilenglicol, ácido tolueno-p-sulfónico, tolueno, reflujo, durante la noche; (iii) LiAlH4, anhidro Et2O, 0 oC para 4 h y luego temperatura ambiente durante 12 h; (iv) cloruro de tosilo, THF, 0 oC; (v) NaN3, DMF, 60 oC, 36 h; (vi) trifenilfosfina, THF, durante la noche. (B) Monomero 1espectros H-NMR (500 MHz, CDCl3): i) 4-(2-aminoetil)-N-(alilcarboniloxy)fenilamina (Npam); (ii) 4-(1,3-dioxacyclopent-2-yl)benzylamina (Npal); (iii) 2-(2-etoxietoxi)etilamina (Neee). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Síntesis y desprotección de un oligo(peptoide) específico de la secuencia. (A) Estructuras de H2N-[Npam-Neee-Npal-Neee]2-Npam-Nma antes y después de la eliminación del grupo de protección de Alloc con el espectro de masa ESI (B) adjunto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Purificación y caracterización de un peptoide codificado en información. (A) Cromatograma HPLC de la purificación de hebras por HPLC preparativo con un gradiente lineal de acetonitrilo (MeCN) y agua: (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. Los picos i y ii corresponden a subproductos de reacción de bajo peso molecular, principalmente DIC-urea, y especies oligoméricas incluyendo el producto deseado, respectivamente. (B) Cromatograma HPLC analítico y (C) Espectro de masa ESI de H2N-[Npam-Neee-Npal-Neee]2-Npam-Nma después de la liofilización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Autoensamblaje de H2N-[Npam-Neee-Npal-Neee]2-Npam-Nma y su secuencia complementaria, H2N-[Npal-Neee-Nam-Neee]2-Npal. (A) Estructuras de las dos secuencias y el ensamblaje controlado por secuencia resultante. (B) Espectro de masa MALDI de la escalera molecular después del recocido a temperatura ambiente durante la noche. Masas: esperadas [M+Na]+ 3306.7, encontradas 3306.0; esperada [M-1 imine+Na]+ á 3324.7, encontrado 3323.9; esperada [M-2 imine +Na]+ á 3342.7, se encuentra 3342.8; esperada [M-2 imine +CH3OH+H]+ á 3352.8, se encuentra 3352.0. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La técnica aquí describe el conjunto covalente dinámico de los oligómeros peptoides que llevan información, donde la información se codifica en la secuencia de sus grupos colgantes. El uso de un monómero de amina protegido por Alloc junto con un monómero de aldehído protegido por acetal de etileno permite la desprotección ortogonal, permitiendo la desprotección de Alloc en la desprotección de perlas y acetales in situ durante la reacción de autoensamblaje, asegurando así que las secuencias sintetizadas no reaccionen prematuramente antes de la purificación y caracterización del oligomer. Es importante destacar que la síntesis de fase sólida se realiza utilizando una resina fotolábiliza para permitir el escote de oligomer a partir del cordón bajo irradiación de luz UV o violeta, excluyendo la desprotección prematura del grupo protector a base de ácido-lábil, a base de etileno acetal. Podrían considerarse varios esquemas alternativos de desprotección. Por ejemplo, inicialmente empleamos grupos de protección de ácido-lábil dual (Boc-amine y etileno acetal-aldehído) con la intención de desproteger in situ mediante un ácido fuerte seguido con neutralización para permitir que la reacción de autoensamblaje proceda; sin embargo, este enfoque dio lugar a la generación inmediata de precipitados sobre la adición de la base. Alternativamente, se concibió la protección de la amina con un grupo protector fotolabile, 2-(2-nitrofenil)propoxicarbonyl (NPPOC), ya que el aldehído podía desprotegerse selectivamente tras el tratamiento con ácido trifluoroacético (TFA) antes de la purificación. Desafortunadamente, la fotólisis in situ del grupo protector con luz UV no distulió la desprotección cuantitativa, incluso en presencia de fotosensibilizadores y después de largos períodos de irradiación25. Trimetilsilethoxycarbonyl (es decir, Teoc) puede emplearse como un grupo protector de aminas y está sujeto a escisión tras el tratamiento con triplanos metálicos de tierras raras; sin embargo, la desprotección cuantitativa del Teoc requiere cargas triflos de metal de tierras raras mucho más altas que las necesarias para la desprotección acetal de etileno. Para este protocolo, se pueden utilizar teoc-aminas, pero la concentración de ácido Lewis debe ajustarse en consecuencia, ya que la desprotección subcuantitativa de aminas podría resultar problemática para estructuras autoensambladas más grandes. Los grupos funcionales alifáticos fueron considerados brevemente, pero la desprotección de los aldehídos alifáticos requiere condiciones duras que truncan las secuencias peptoides32,33.

La incorporación de Neee y Nma como residuos espaciadores inertes sirven para mejorar la solubilidad de los oligómeros y permitir que el etiquetado masivo fácil de los oligomeros precursores permita la identificación lista de las especies generadas mediante espectroscopia de masas. Por otra parte, dada la conformación de peptoides de la lengua de "hebra" en las que los segmentos de la columna vertebral adyacentes adoptan estados rotacionales opuestos para formar un oligomero lineal, sin torsión34,35, secuencias que incorporan residuos de espaciador dinámicos e inertes alternativos facilita una estructura en la que los grupos colgantes reactivos están orientados en la misma dirección. Dada la versatilidad del método del sumidador, se puede emplear una biblioteca grande y diversa de aminas primarias para modificar aún más los oligómeros peptoides, pero puede requerir ajustes en el protocolo para mantener una alta eficiencia de acoplamiento.

Mientras que los oligo(peptoides) se pueden sintetizar manualmente en un recipiente de reacción de vidrio19, la automatización del proceso disminuye el tiempo para cada adición de residuos de varias horas a media hora. Además, la automatización disminuye la cantidad de residuos de monómeros y disolventes de lavado, especialmente deseable cuando se utilizan monómeros de aminas primarias que no están disponibles comercialmente. Aunque el escote de alloc de los residuos de amina protegida es una reacción eficiente, la oxidación del paladio puede dar lugar a una desprotección incompleta. En consecuencia, se sugiere probar la porción de resina y caracterizar el grado de desprotección con ESI-MS. Para los escotes de prueba, 30 min bajo 405 nm irradiación libera peptoide suficiente para espectrometría de masas. La desprotección parcial puede limitarse con el uso de condiciones anaeróbicas o la repetición de la reacción de desprotección.

Mientras que este artículo se centra en Sc(OTf)3 como un reactivo multifunción, se ha demostrado que otros triflates metálicos de tierras raras, como el triflato ytterbium, median con éxito el conjunto dirigido por información de escaleras moleculares. En particular, Sc(OTf)3 es el más ácido Lewis de los triflates metálicos de tierras raras; por lo tanto, debido a la capacidad catalítica reducida que ofrecen otros triplanos metálicos de tierras raras24,36, pueden ser necesarios mayores equivalentes para llevar a cabo la desprotección acetal de etileno completa y la disociación de hebras. El número de equivalentes requeridos puede determinarse con espectrometría de masas MALDI observando el punto en el que las hebras se disocian por completo. La disociación es fundamental en el proceso de autoensamblaje y es análoga a la fusión de hebras de ácido nucleico a temperatura elevada. La posterior extracción del catalizador permite la formación y interrupción de emparejamientos covalentes dinámicos que impulsan el montaje de dúplex específicos de la secuencia. Este recocido gradual de las hebras oligoméricas elude la captura cinética (que, para las escaleras moleculares, puede producir especies fuera del registro o emparejar secuencias incorrectamente) experimentada por otros métodos.

El cloroformo es un excelente disolvente como separación de fase en el sistema ternario de cloroformo/acetonitrilo utilizado aquí promueve la extracción parcial de ácido Lewis sin dar lugar a la precipitación de estructuras autoensambladas37. Además, el cloroformo es uno de los pocos disolventes que promueve la formación de iminas mientras mantiene la solubilidad de la escalera molecular. Las cantidades traza de dúplex fuera del registro y emparejados incorrectamente a menudo se pueden observar debido a la naturaleza dinámica del sistema. Aunque este sistema no se ve afectado en gran medida por una pequeña variación en las concentraciones de triplanos de metales de tierras raras tras la extracción, en ocasiones, la extracción insuficiente del catalizador genera una porción significativa de hibridación incompleta y acoplamientos de oligómeros no específicos. En este caso, generalmente es preferible volver a disociarse primero con otros 1,5 equivalentes de catalizador y luego extraer una segunda vez en lugar de volver a extraer inmediatamente, ya que la disociación completa de hebras individuales es vital para el proceso. Para ensamblar simultáneamente varias escaleras moleculares codificadas en información únicas, puede ser necesario aumentar la concentración de la solución de stock de triflato metálico de tierras raras utilizada para mantener equivalentes y volumen de reacción total.

Mientras que estos autoensamblajes se caracterizan principalmente por espectrometría de masas, otras técnicas como la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET) son posibles. Las limitaciones incluyen la cantidad de material necesario, la asequibilidad de los monómeros y la relación señal-ruido. Técnicas que requieren disolventes, como 1Rmn H, pueden sufrir además de insolubilidad de estructuras autoensambladas. Además, las concentraciones de triflato de metales de tierras raras posteriores a la extracción pueden determinarse mediante métodos como ICP-MS o 19F NMR con una norma interna.

A medida que avanza el progreso hacia un mejor control sobre las nanoestructuras y materiales macro moleculares y supramoleculares, surge el desafío de diseñar y fabricar conjuntos regulares, pero modificables. El protocolo descrito en este informe proporciona una vía para lograr dichas nanoestructuras a través de conjuntos selectivos de secuencia a través de interacciones covalentes dinámicas.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias, Ciencias Básicas de la Energía, bajo el premio #DESC0012479. S.C.L. reconoce el apoyo del Programa de Becas de Investigación de Posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias, y A.F.A. reconoce el apoyo de Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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%

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References

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