Ултразвуков синтез на пептиди чрез техниката TAGGING
Синтезът на пептиди е крайъгълен камък на фармацевтичната научноизследователска и развойна дейност, но конвенционалните методи – твърдофазният пептиден синтез (SPPS) и класическото свързване в разтвор – остават трудоемки, разхищават реагенти и трудно се мащабират. По-ефективна алтернатива се появява чрез съчетаването на две независими стратегии: техниката TAGGING (временна закрепваща група) за изграждане на пептиди в разтвор и ултразвуковата (сонохимична) обработка за ускоряване на етапите на свързване, отстраняване на защитните групи и обработка на реакционната смес. Заедно те позволяват производство на терапевтични пептиди от грамов до едромащабен обем – например липопептида lipobactin с антибиотично/противораково действие – с висока чистота, намалена необходимост от пречистване и драстично по-малко ръчни операции.
Какви предимства предлага ултразвуковият синтез на пептиди?
- Икономичност на синтеза в разтвор: Реакциите протичат в разтвор със значително по-нисък разход на аминокиселини в сравнение с твърдофазния пептиден синтез
- Пречистване чрез филтриране: Свързаният с TAG пептид се утаява в полярни разтворители, така че междинните продукти се изолират чрез обикновено филтриране – без необходимост от колонна хроматография или характеризиране след всеки етап.
- Огромно спестяване на труд: Премахването на междинното пречистване и спектралните проверки спестява значителен брой човекочасове в рамките на цялата синтетична кампания.
- Сонохимично ускоряване: Ултразвуковата обработка съкращава всеки критичен етап – отстраняването на Fmoc, свързването на страничните вериги, циклизацията и отстраняването на всички защитни групи – без да нарушава селективността.
- Високи добиви, висока чистота: Всяко свързване на фрагменти и окончателното изграждане на lipobactin протичат с висок добив; отстраняването на всички защитни групи дава целевия продукт с добив ~83 %.
- Готовност за едромащабно производство: Техниката TAGGING е изрично описана като позволяваща едромащабно получаване на пептиди с максимална чистота, което я прави практичен път към грамови и килограмови количества терапевтично важни липопептиди.
- Пълна съвместимост на метода: Подходът е напълно съвместим с конвенционалния SPPS и химичните реакции в разтвор, така че съществуващите стратегии за защитни групи (Fmoc, Alloc, Pbf, tBu) и реагенти за свързване (T3P, HATU, COMU, DIC/DMAP) се прилагат без промяна.
Разкажете ни за предизвикателствата във вашия процес на синтез на пептиди. Нашите експерти по ултразвукова обработка ви препоръчват идеалната конфигурация на ултразвуковия апарат за вашите цели при производството на пептиди!
Промишлен ултразвуков апарат UIP2000hdT с фармацевтичен реактор за периодични процеси за подобрен синтез на пептиди
Какво представлява техниката TAGGING?
При подхода TAG пептиден фрагмент се закрепва ковалентно към отстранима закрепваща група (TAG), подобна на смола, която остава в разтвор. Това позволява нарастващата верига да се обработва като твърдофазен пептид, но в течната фаза:
- След всяко свързване или отстраняване на защитни групи свързаният с TAG пептид се отделя като твърдо вещество чрез обикновено филтриране или утаяване в полярни/антиразтворителни среди, докато разтворимите примеси и страничните продукти се отмиват.
- Тъй като пептидът остава свързан с линкера, колонната хроматография и пълното характеризиране на всеки междинен продукт до голяма степен отпадат, което спестява значително време и човешки труд.
- Реакциите могат да се провеждат в разтвор с използване на много по-малко аминокиселини, отколкото при SPPS, а крайният продукт се освобождава чрез отцепване на групата TAG към края на синтеза.
За lipobactin при ретросинтеза са използвани три фрагмента – Fmoc-Ala-Arg-TAG, Alloc-Thr(Ile-Fmoc)-OH и липидният фрагмент C₁₁H₂₃CONH-Ile-Ser(OᵗBu)-OH – свързани чрез стратегия за кондензация на фрагменти, за да се получи дългият пептид с много високи добиви. (вж. Ramya et al., 2025)
Пълният синтез на пептида lipobactin с помощта на TAG се ускорява чрез ултразвукова обработка.
(Изследване: Ramya et al., 2025)
Как ултразвуковата обработка подобрява синтеза на пептиди в разтвор
Ултразвуковата обработка се използва за интензифициране и съкращаване на ключовите етапи в разтвор. При синтеза на lipobactin, описан от Ramya et al. (2025), ултразвуковата обработка се прилага за:
Тъй като химията на TAG вече осигурява междинни продукти като твърди вещества, които могат да се филтрират, ултразвуковата обработка и TAGGING се допълват: ултразвукът ускорява масопреноса, смесването и реакционната кинетика, докато закрепващата група поддържа пептида като твърдо вещество, което може да се отдели, за чист работен процес с ограничено използване на хроматография.
Ултразвуков апарат UP200St: Реактор с ултразвуково разбъркване за ускорен синтез на пептиди.
Лесно мащабиране на производството на пептиди с висока чистота чрез ултразвукова обработка
Често предизвикателство при пренасянето на процесите за пептиди и пептидни лекарства от лабораторната маса в производството е запазването на сонохимичния ефект при по-големи обеми и непрекъснат поток. Hielscher решава това с непрекъсната гама от ултразвукови процесори от лабораторен до пълен промишлен мащаб, осигуряващи валидирана, възпроизводима мощност и документиран контрол на процеса.
Промишлен ултразвуков апарат UIP4000hdT (4000W, 20kHz) за синтез на пептиди, подобрен чрез ултразвук
Често задавани въпроси за синтеза на пептиди с TAG, подпомаган от ултразвукова обработка
Какво представлява течнофазният пептиден синтез (LPPS)?
Течнофазният пептиден синтез (LPPS) е метод за поетапно изграждане на пептиди в разтвор с използване на класически средства на органичната химия. Той е един от четирите основни метода за създаване на пептиди и е известен като икономически ефективен, мащабируем и най-щадящ околната среда сред подходите за синтез на пептиди. Той е особено подходящ за по-къси пептиди, въпреки че при по-дълги последователности може да срещне трудности поради предизвикателствата при поддържането на постоянно протичане на реакциите и разтворимостта, както и при отстраняването на нежеланите странични продукти.
Как ултразвукът подобрява течнофазния пептиден синтез?
Ултразвукът (ултразвуковата обработка) подобрява LPPS, като ускорява както етапите на свързване, така и тези на отстраняване на защитните групи. Ултразвуковите вълни подобряват масопреноса и реакционната кинетика, което води до:
- Намалено време за реакция: циклите на свързване и отстраняване на защитните групи могат да бъдат значително съкратени
- По-високи добиви: по-пълно превръщане на всеки етап
- Подобрена чистота на суровия продукт: по-малко странични продукти от непълно свързване
- По-нисък разход на реагенти: необходими са по-малко еквиваленти реагенти за свързване и аминокиселини поради по-бързите и по-ефективни реакции
Какво представлява синтезът на пептиди с помощта на TAG (TAPS)?
Синтезът на пептиди с помощта на TAG (TAPS) е специален случай на течнофазния пептиден синтез, при който пептидите се изграждат поетапно в разтвор с използване на разтворими органични закрепващи групи вместо твърд носител. Тези групи, аналогични на твърдите носители при SPPS, опростяват изолирането след всеки етап на синтеза, като позволяват разделяне чрез утаяване, филтриране или екстракция. Закрепващите групи трябва да се разтварят в органични разтворители, като същевременно остават различими от другите материали.
Как ултразвукът подобрява процеса TAGGING?
Когато ултразвуковата обработка се съчетае със синтез с помощта на TAG, предимствата включват:
- По-бързи цикли на свързване и отстраняване на защитните групи – ултразвукът ускорява реакциите в разтвор, като намалява времето за всеки етап
- Подобрена разтворимост и масопренос – ултразвуковата кавитация спомага за поддържане на хомогенността на пептида със закрепваща група в разтвор, което е от решаващо значение, тъй като разтворимостта е ключово предимство на TAPS спрямо SPPS
- Намалено количество добавяни реагенти – по-високата ефективност на реакцията означава, че са необходими по-малко еквиваленти аминокиселини и реагенти за свързване
- По-пълно протичане на реакциите – намаляване на страничните продукти от непълно свързване, което води до по-висока чистота на суровия продукт и опростено последващо пречистване
Забележителен пример е пълният синтез на lipobactin с помощта на TAG и ултразвукова обработка, който демонстрира, че техниката TAGGING е напълно съвместима с методите в разтвор и че ултразвуковата обработка осигурява високи добиви на всеки етап. (вж. Ramya et al., 2025)
Какви дължини на пептидите могат да се постигнат с TAPS, подпомаган от ултразвук?
Късите до среднодълги пептиди (~5–20 остатъка) са оптималната област, в която TAPS осигурява висока чистота и надеждни резултати.
По-дълги пептиди могат да се получат чрез стратегия за кондензация на фрагменти: по-малки фрагменти (6–10-мери) се синтезират върху закрепваща група, след което се свързват помежду си, за да се изгради целевият продукт с пълна дължина.
За много дълги или сложни целеви продукти може да се използва хибриден подход SPPS/TAPS.
Открийте как ултразвуковата обработка подобри твърдофазния пептиден синтез (SPPS)!
Може ли течнофазният пептиден синтез, подпомаган от ултразвук, да се мащабира до промишлено производство?
Да, промишлени ултразвукови апарати – като моделите UIP2000hdT или UIP4000hdT на Hielscher – могат да бъдат интегрирани в реактори за периодични процеси и проточни клетки, което позволява едромащабно производство на пептиди. Допълнителното им монтиране в съществуващи реактори позволява подобряване на установените процеси за синтез на пептиди.
Какви са основните предимства на ултразвуковия LPPS спрямо конвенционалния LPPS?
- Бързина: времето за реакция се намалява драстично на всеки етап на свързване и отстраняване на защитните групи.
- Ефективност: по-високите добиви на всеки етап водят до по-висок общ добив при пептиди с множество остатъци.
- Устойчивост: по-малко еквиваленти реагенти и потенциално по-малко разтворител поради по-бързите реакции.
- Достъпност: изисква само стандартна ултразвукова вана, без специализирана апаратура.
- Съвместимост: работи със стандартни реагенти за свързване (DIC, HATU, TBTU, Oxyma и др.) и стратегии за защитни групи (Boc, Fmoc).
Литература / Източници
- 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.
- Andrew M. Bray; Liana M. Lagniton; Robert M. Valerio; N.Joe Maeji (1994): Sonication-assisted cleavage of hydrophobic peptides. Application in multipin peptide synthesis. Tetrahedron Letters 35(48), 1994. 9079–9082.
- 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.
- M.V. Anuradha, B. Ravindranath (1995): Ultrasound in peptide synthesis. 4: Rapid cleavage of polymer-bound protected peptides by alkali and alkanolamines. Tetrahedron Volume 51, Issue 19, 1995. 5675-5680.
Ултразвуков CupHorn за интензивна ултразвукова обработка на затворени епруветки и флакони за стерилна ултразвукова обработка на пептиди.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори с размери от лабораторни до промишлени.