Мащабиране на синтеза на пептиди: ултразвукови стратегии за партиден и непрекъснат процес
Синтезът на пептиди с помощта на ултразвук съчетава утвърдената пептидна химия с високочестотна механична енергия, за да ускори реакционните и транспортните процеси. Акустична кавитация – образуването и разпадането на микроскопични мехурчета – причинява интензивно локално смесване, микроструи и срязващи сили. При синтеза на пептиди тези ефекти подобряват транспорта на реагентите, навлажняването на смолата, разтварянето и разбиването на агрегатите. Следователно нискочестотният ултразвук действа предимно като средство за интензифициране на процеса: той не замества химията на свързването, но може да направи свързването, депротекцията, промиването, разцепването и обработката значително по-бързи и по-ефективни.
Предизвикателството, свързано с увеличаването на мащаба на производството на пептиди
Мащабирането на производството на пептиди от лабораторни условия към промишлено производство е предизвикателство, тъй като малките неефективности се натрупват през многобройните цикли на свързване и депротекция, което намалява добива и увеличава количеството на трудноотстраними примеси. По-големите реактори също създават ограничения по отношение на смесването, топлообмена, набъбването на смолата и транспортирането на реагентите, докато потреблението на разтворители, изискванията за пречистване и производствените разходи се увеличават рязко. Ето защо едно успешно мащабиране трябва да запази еднородността на реакцията и качеството на продукта, като същевременно осигурява възпроизводима производителност, ефективно използване на ресурсите и прецизен контрол върху всички критични параметри на процеса.
Фармацевтична партида със соникатор UIP2000hdT за подобряване на синтеза на пептиди
Стратегии за синтез на пептиди с помощта на ултразвук
Ултразвукова синтеза на пептиди в твърда фаза
Синтезът на пептиди в твърда фаза (SPPS) с Fmoc е най-широко проучената ултразвукова стратегия. Ултразвуковата обработка подобрява проникването на реагентите за депротекция и свързване в набъбналите полимерни микросфери, като същевременно намалява застойните гранични слоеве около смолата. Тя може също да прекъсне агрегацията върху смолата, която е важна причина за непълното превръщане при хидрофобни и други “трудно” последователности.
Експериментални изследвания са доказали, че при посочените условия е възможна синтеза с помощта на ултразвук на биологично активни пептиди, съдържащи до 44 остатъка, при по-нисък разход на суровини и по-кратко време на реакцията, без да се наблюдава засилване на основните странични реакции. (вж. Merlino и др., 2019)
В друго проучване се съобщава за 4- до 14-кратно съкращаване на времето за сглобяване на избрани пептиди; 25-мер, богат на хидрофобни остатъци, бе сглобен за 347 минути. (вж. Silva и др., 2021 г.)
Ултразвуковото изследване може да се извърши по време на:
- Набъбване на смолата и обмен на реагенти
- Депротекция на Fmoc или Boc
- Активиране и свързване на аминокиселини
- Междинно измиване
- Циклизация върху смола
- Отделяне на получения пептид от носителя
Синтез в течна фаза и синтез с помощта на маркери
Ултразвукът може също така да ускори конвенционалния синтез на пептиди в течна фаза, като ускори разтварянето, диспергирането на реагентите и масообмена в хетерогенни или вискозни смеси. Неговата полза обикновено е най-голяма, когато процесът е ограничен от смесването или транспорта; при напълно хомогенна реакция, контролирана единствено от вътрешната химична кинетика, подобрението може да бъде по-малко.
При синтеза на пептиди с помощта на маркери растящият пептид се свързва с разтворима или утаяема органична котва. Реакциите протичат в разтвор, след което междинният продукт с маркер се извлича чрез утаяване или филтриране. Ултразвуковата обработка може да ускори процесите на свързване, депротекция, циклизация и отцепване на маркера, като същевременно поддържа слаборазтворимите междинни продукти в дисперсно състояние.
| Техника | Как ултразвуковата обработка спомага за това | Значение и ограничения |
|---|---|---|
| Синтез на пептиди в твърда фаза по метода Fmoc | Ултразвуковата обработка ускорява проникването на пиперидин и отстраняването на Fmoc-продуктите; подобрява транспортирането на активираните аминокиселини в набъбналата смола; прекъсва агрегацията върху смолата | Най-солидните доказателства и обикновено най-голямата полза |
| Твърдофазна синтеза по метода на Boc | Ултразвуковата обработка подобрява проникването на киселината, обмена на реагенти, свързването и промиването по подобен начин, както при Fmoc-химията | Съхранението на киселини и нагряването им изискват внимание |
| Синтез в разтвор/в течна фаза | Ултразвуковата обработка подобрява разтварянето на защитените аминокиселини, разпръсква утайките и увеличава контакта при двуфазни реакции или реакции със суспензия | Ползата е по-малка, когато реакцията вече е хомогенна и скоростта ѝ се ограничава от химически фактори |
| Синтез чрез разтворим маркер или чрез преципитация | Ултразвуковата обработка поддържа маркираните междинни съединения в дисперсно състояние по време на свързването и може да подобри разтварянето преди филтриране или утаяване | Полезен за слаборазтворими или обемни препарати; ултразвукът подпомага предимно манипулирането и масообмена |
| Поточен или непрекъснат синтез | Ултразвуковата обработка спомага за поддържането на контакт между смолата и течността и за предотвратяването на локални зони на застой или агрегация | Мащабиране чрез конструкция с проточна клетка за равномерно ултразвуково облъчване |
| Лигация и циклизация на фрагменти | Ултразвуковата обработка може да направи хидрофобните фрагменти разтворими, да разбие агрегатите и да подобри междумолекулния контакт | Това по същество не ускорява всяка естествена химическа лигация или макроциклизация; прекомерното разреждане или междумолекулното агрегиране могат да останат доминиращи |
| Ензимна синтеза на пептиди | При подходяща интензивност ултразвуковото въздействие може да промени динамиката на ензимите и да подобри преноса на субстрата, особено при имобилизирани ензими или двуфазни среди | Силно зависи от ензимите; прекомерната енергия води до разгъване или инактивиране |
| Рибозомна/рекомбинантна синтеза | Няма пряко влияние върху превода | Ултразвуковото обработване се използва предимно за разбиване на клетките след експресия |
Ултразвуково мащабиране: партидна, рециркулационна и непрекъсната обработка
Устройствата за ултразвукова обработка на Hielscher могат безпроблемно да бъдат интегрирани във вашата конкретна производствена линия за синтез на пептиди.
За увеличаването на мащаба са от значение три конфигурации на реактора:
- Ултразвуковото третиране в партиди е просто и гъвкаво, но с увеличаването на обема на съда става все по-трудно да се постигне оптимално хомогенно ултразвуково третиране.
- При рециркулационната обработка съдържанието на реактора се прокарва многократно през ултразвукова проточна клетка, което осигурява по-равномерна обработка, като същевременно се запазва гъвкавостта при работа с партиди.
- При непрекъснатия поток реакционният поток преминава през една или повече контролирани зони за ултразвукова обработка. Времето на престой, дебитът и вложената енергия могат да бъдат точно зададени, което прави тази архитектура предпочитана за високопроизводително и възпроизводимо производство.
При процесите на базата на смола трактът на потока, помпата и клапаните трябва да са съобразени с размера на гранулите, така че да се избегнат износването или запушването. Алтернативен вариант е смолата да се задържи в реактор с бъркалка, а през ултразвуковата клетка да се циркулира само течната фаза.
2 броя индустриални ултразвукови апарати, модел UIP4000hdT свързан с реактор с поточна клетка от неръждаема стомана за производство на пептиди.
Често задавани въпроси относно мащабирането на ултразвуковата синтеза на пептиди
Какво представлява ултразвуковата синтеза на пептиди?
При ултразвуковата синтеза на пептиди се използват звукови вълни с висока интензивност за подобряване на смесването, масообмена и реакционната кинетика по време на синтеза на пептидите. Акустичната кавитация спомага за проникването на реагентите в набъбналата смола, разпръсква агрегатите и ускорява етапите на свързване, отстраняване на защитните групи, промиване и разцепване.
Как ултразвукът подобрява синтеза на пептиди в твърда фаза?
При ултразвуково-подпомаганата синтеза на пептиди в твърда фаза (US-SPPS) ултразвуковото въздействие подобрява контакта между пептида, свързан със смолата, и разтворените реагенти. Това може да съкрати реакционните цикли, да спомогне за по-пълно свързване и да намали пропуските в последователността, особено при синтеза на хидрофобни, склонни към агрегация или по друг начин трудни за синтез пептиди.
Може ли ултразвуковата обработка да повиши добива и чистотата на пептидите?
Ултразвуковата обработка може да подобри степента на превръщане, суровия добив и чистотата, като спомага за равномерното разпределение на реагентите и намалява непълното свързване. Резултатът зависи от пептидната последователност, смолата, разтворителя, химичния процес на свързване и ултразвуковите параметри, поради което всеки процес трябва да бъде оптимизиран и аналитично валидиран.
Кои етапи от синтеза на пептиди могат да бъдат обработени с ултразвук?
Ултразвукът може да подпомогне набъбването на смолата, отстраняването на защитните групи Fmoc или Boc, свързването на аминокиселини, промиването, кондензацията на фрагменти, циклизацията и отделянето от твърдата основа. Той може също така да подобри разтварянето и масообмена при синтеза на пептиди в течна фаза и при синтеза на пептиди с помощта на маркери.
Открийте ултразвуковата синтеза на пептиди – за твърдофазна синтеза на пептиди и – синтез чрез маркиране в течна фаза!
Подходящ ли е ултразвуковият синтез на пептиди за сложни аминокиселинни последователности?
Да. Ултразвукът е особено полезен за хидрофобни и склонни към агрегация последователности, тъй като кавитацията и микропотоците спомагат за разграждането на агрегатите върху смолата и подобряват достъпа на реагентите до реактивните центрове. При трудни процеси на свързване все пак може да се наложи използването на оптимизирани реагенти, повторно свързване или коригиране на реакционните условия.
Може ли синтезът на пептиди чрез ултразвук да се осъществи в по-голям мащаб?
Ултразвуковата синтеза на пептиди може да бъде пренесена от лабораторни опити към серийно, рециркулационно или непрекъснато производство. Мащабирането се постига чрез поддържане на критични параметри като амплитуда, специфична енергия, температура и време на престой, като същевременно се увеличава ултразвуковата мощност, площта на сонотрода или броят на модулите за обработка.
Какво означава „линейна мащабируемост“ при ултразвуковата обработка?
Линейната мащабируемост означава, че производителността може да се увеличи приблизително пропорционално на инсталираната ултразвукова мощност, когато необходимата енергия на единица обем и другите технологични условия остават постоянни. Например, удвояването на ефективната ултразвукова мощност може приблизително да удвои дебита, при условие че се запазят геометрията на реактора, температурата и целевите показатели за качеството на продукта.
Защо ултразвуковите апарати на Hielscher са подходящи за мащабиране на производството на пептиди?
Устройствата за ултразвукова обработка на Hielscher обхващат лабораторни, пилотни и промишлени диапазони на мощност, като използват постоянни и контролируеми работни параметри. Регулируемата им амплитуда, автоматичното записване на данни, мониторингът на температурата и налягането, съвместимостта с проточни клетки и модулните конфигурации осигуряват възпроизводимо пренасяне на процесите и надеждно производство.
Могат ли ултразвуковите апарати на Hielscher да се използват при непрекъснато производство на пептиди?
Да. Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher могат да бъдат интегрирани в рециркулационни контури и реактори с непрекъснат поток и вградена клетка. Тези конфигурации осигуряват контролирано време на престой и енергиен приток, като същевременно намаляват вариациите между отделните партиди. Промишлените системи са проектирани за непрекъсната работа 24 часа в денонощието, 7 дни в седмицата при тежки производствени условия.
Кое е по-подходящо за синтеза на пептиди – ултразвуковите вани или соникаторите със сонда?
Ултразвуковите вани могат да бъдат удобни за първоначален скрининг и едновременно третиране на малки затворени съдове. Ултразвуковите апарати от тип сонда подават ултразвук директно в средата, като осигуряват по-висока интензивност, по-добър контрол на параметрите и по-голяма мащабируемост. Поради това сондите и проточните клетки обикновено се предпочитат за пилотно и промишлено производство.
Как се регулира температурата по време на ултразвуковата синтеза на пептиди?
Тъй като ултразвуковото обработване внася енергия в реакционната смес, ефективното охлаждане е от съществено значение. Ултразвуковите апарати на Hielscher се предлагат с съдове с двойна стена, външни топлообменници, рециркулация с температурен контрол и импулсно ултразвуково обработване, което ефективно предотвратява прегряването. Свързващите се температурни сензори и програмируемите температурни граници позволяват надежден мониторинг и записване на температурата през целия процес на разработка и производство.
Как да избера ултразвуков апарат на Hielscher за синтез на пептиди?
Изборът зависи от обема на партидата, желания дебит, разтворителя, вискозитета, концентрацията на твърди вещества или смола, необходимата специфична енергия и производствения график. Лабораторните изпитвания определят ефективния технологичен диапазон, след което могат да бъдат подбрани размерът на ултразвуковия апарат на Hielscher, сонотродът и конфигурацията на проточната клетка, съобразно предвидената производителност.
Литература / Препратки
- Merlino, F., Tomassi, S., Yousif, A. M., Messere, A., Marinelli, L., Grieco, P., Novellino, E., Cosconati, S., Di Maro, S. (2019): Boosting Fmoc Solid-Phase Peptide Synthesis by Ultrasonication. Organic Letters, 21(16), 2019. 6378–6382.
- M. Ramya, Veeranjaneyulu Avula, S. Nandeesh, B. Kirankumar, G. Nagendra (2025): TAG assisted and ultrasonication mediated total synthesis of lipobactin. Results in Chemistry, Volume 18, 2025, 102842.
- Silva, R., Franco Machado, J., Gonçalves, K., Lucas, F. M., Batista, S., Melo, R., Morais, T. S., & Correia, J. (2021): Ultrasonication Improves Solid Phase Synthesis of Peptides Specific for Fibroblast Growth Factor Receptor and for the Protein-Protein Interface RANK-TRAF6. Molecules (Basel, Switzerland), 26(23), 7349.
- Raheem, Shvan J; Schmidt, Benjamin W; Solomon, Viswas Raja; Salih, Akam K; Price, Eric W (2020): Ultrasonic-Assisted Solid-Phase Peptide Synthesis of DOTA-TATE and DOTA-linker-TATE Derivatives as a Simple and Low-Cost Method for the Facile Synthesis of Chelator-Peptide Conjugates. ACS Bioconjugate Chemistry, 2020.
- Salvatore Mottola, Alessandra Del Bene, Vincenzo Mazzarella, Roberto Cutolo, Ida Boccino, Francesco Merlino, Sandro Cosconati, Salvatore Di Maro, Anna Messere (2015): Sustainable Ultrasound-Assisted Solid-Phase peptide synthesis (SUS-SPPS): Less Waste, more efficiency. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 114, 2025.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.