ペプチド合成のスケールアップ：バッチおよび連続流プロセスにおける超音波戦略
超音波を応用したペプチド合成は、確立されたペプチド化学と高周波の機械的エネルギーを組み合わせ、反応および輸送プロセスを促進する。音響キャビテーション – 微細な気泡の形成と崩壊 – 局所的な激しい撹拌、マイクロジェット、およびせん断力を生じさせます。ペプチド合成において、これらの効果は試薬の輸送、樹脂の湿潤、溶解、および凝集体の分解を促進します。 したがって、低周波超音波は主にプロセス強化の手段として機能します。これはカップリング反応そのものを置き換えるものではありませんが、カップリング、脱保護、洗浄、切断、および後処理を大幅に迅速かつ効率的に行うことができます。
ペプチド生産の規模拡大における課題
ペプチドの生産を実験室規模から製造規模へと拡大することは困難を伴います。これは、多くのカップリングおよび脱保護サイクルを経て、わずかな非効率性が蓄積され、収率が低下し、除去が困難な不純物が増加するためです。また、反応器が大きくなると、撹拌、熱伝達、樹脂の膨潤、試薬の輸送において制約が生じる一方で、溶媒の消費量、精製要件、生産コストが急激に増加します。 したがって、スケールアップを成功させるためには、反応の均一性と製品の品質を維持しつつ、再現性のある処理能力、資源の効率的な利用、およびすべての重要なプロセスパラメータの精密な制御を実現する必要があります。
超音波処理装置 UIP2000hdT を使用した製薬用バッチ処理 ペプチド合成の効率化に向けて
超音波を応用したペプチド合成戦略
超音波を用いた固相ペプチド合成
Fmoc固相ペプチド合成（SPPS）は、最も広く研究されている超音波を用いた手法である。超音波処理を行うと、膨潤したポリマービーズへの脱保護剤やカップリング試薬の浸透が促進されると同時に、樹脂周囲の停滞境界層が低減される。また、疎水性化合物などにおいて不完全な変換の主な原因となる、樹脂上の凝集を解消することもできる。 “難しい” シーケンス。
実験研究により、報告されている条件下において、主要な副反応の増加は見られず、材料消費量の削減と反応時間の短縮を実現しつつ、最大44残基を含む生物活性ペプチドの超音波補助合成が可能であることが実証された。 （Merlino et al., 2019 参照）)
別の研究では、特定のペプチドの組み立て時間が4倍から14倍短縮されたことが報告されており、疎水性残基を多く含む25残基のペプチドは347分で組み立てられた。（Silva ら（2021）を参照)
超音波検査は、以下の状況で導入することができます：
- 樹脂の膨潤と試薬の交換
- FmocまたはBocの脱保護
- アミノ酸の活性化と結合
- 中間洗浄
- 樹脂上での環化反応
- 担体から合成済みのペプチドを切断する
液相合成およびタグを用いた合成
超音波は、不均一な混合物や粘性の高い混合物において、溶解、試薬の分散、および物質移動を促進することで、従来の液相ペプチド合成を効率化することもできます。その効果は、通常、プロセスが撹拌や輸送の制限を受けている場合に最も顕著であり、固有の化学反応速度のみに支配される完全に均一な反応では、その改善効果は比較的小さくなる可能性があります。
タグを用いたペプチド合成では、合成中のペプチドは、可溶性または沈殿性の有機アンカーに結合されます。反応は溶液中で進行し、その後、沈殿またはろ過によってタグ付き中間体が回収されます。超音波処理を行うことで、難溶性の中間体を分散状態に保ちつつ、カップリング、脱保護、環化、およびタグの切断を促進することができます。
| 技術 | 超音波処理がそれをどのように促進するのか | 重要性および限界 |
|---|---|---|
| Fmoc固相ペプチド合成 | 超音波処理は、ピペリジンの浸透およびFmoc生成物の除去を促進し、活性化アミノ酸の膨潤樹脂への移行を改善し、樹脂上での凝集を阻害する。 | 最も有力なエビデンスであり、通常は最大の効果が期待できる |
| Boc固相合成 | 超音波処理は、Fmoc法と同様に、酸の浸透、試薬の置換、カップリング、および洗浄を促進する | 酸の封じ込めと加熱には注意が必要です |
| 溶液／液相合成 | 超音波処理は、保護アミノ酸の溶解性を向上させ、沈殿物を分散させ、二相反応やスラリー反応における接触面積を増加させる | 反応がすでに均一であり、化学反応速度が速度決定要因となっている場合、その効果は小さくなる。 |
| 可溶性タグ法または沈殿法による合成 | 超音波処理は、カップリング反応中に標識された中間体を分散させた状態に保ち、ろ過や沈殿前の溶解性を向上させることができる | 難溶性物質や大量調製に有用である。超音波は主に処理の容易化と物質移動を促進する。 |
| フロー合成または連続合成 | 超音波処理は、樹脂と液体の接触を維持し、局所的な停滞領域や凝集を抑制するのに役立ちます | 均一な超音波照射を実現するフローセル設計によるスケールアップ |
| 断片の連結および環化 | 超音波処理は、疎水性断片を可溶化し、凝集体を分解し、分子間の接触を改善することができる | それ自体が、あらゆる天然の化学的結合反応や大環化反応を本質的に促進するわけではない。過度な希釈や分子間凝集が依然として支配的である場合もある。 |
| 酵素を用いたペプチド合成 | 適切な強度で超音波処理を行うと、特に固定化酵素や二相媒体において、酵素の動態を変化させ、基質の移動を促進することができる。 | 酵素への依存度が高い。過剰なエネルギーが加わると、タンパク質の構造が崩れたり、不活化したりする。 |
| リボソーム合成／組換え合成 | 翻訳に直接的な影響はない | 超音波処理は、主に発現後の細胞破砕に用いられる |
超音波スケールアップ：バッチ処理、再循環処理、および連続流処理
Hielscher社の超音波処理装置は、お客様のペプチド合成生産ラインにシームレスに組み込むことができます。
スケールアップに関連する原子炉の構成には、以下の3つがある：
- バッチ式超音波処理は簡便で柔軟性がありますが、容器の容量が大きくなるにつれて、最適かつ均一な超音波処理を行うことが難しくなります。
- 再循環処理では、反応器内の内容物を超音波フローセルに繰り返し送り込み、バッチ処理の柔軟性を維持しつつ、より均一な処理を実現します。
- 連続流では、反応流が1つまたは複数の制御された超音波処理ゾーンを通過します。滞留時間、流速、およびエネルギー入力を正確に指定できるため、この構造は、高スループットで再現性の高い生産において好まれる方式となっています。
樹脂を原料とするプロセスでは、流路、ポンプ、およびバルブが、ビーズのサイズに対応し、摩耗や閉塞が生じないよう設計されている必要があります。別の方法として、樹脂をかき混ぜ式反応器内に留めておき、液相のみを超音波セル内を循環させるという方法もあります。
UIP4000hdT型産業用超音波処理装置 2台 ペプチド製造用のステンレス製のフローセル反応器に接続されている。
超音波ペプチド合成のスケールアップに関するよくある質問
超音波ペプチド合成とは何ですか？
超音波ペプチド合成では、高強度の音波を用いて、ペプチドの組み立て過程における混合、物質移動、および反応速度を向上させます。音響キャビテーションにより、試薬が膨潤した樹脂に浸透しやすくなり、凝集体が分散され、カップリング、脱保護、洗浄、および切断の各工程が加速されます。
超音波は固相ペプチド合成をどのように改善するのでしょうか？
超音波補助固相ペプチド合成（US-SPPS）において、超音波処理を行うことで、樹脂に結合したペプチドと溶解した試薬との接触が促進されます。これにより、特に疎水性で凝集しやすいペプチドや、その他の合成が困難なペプチドを合成する際、反応サイクルを短縮し、より完全なカップリングを促進し、配列の欠失を減らすことができます。
超音波処理によって、ペプチドの収率と純度を高めることはできるか？
超音波処理は、試薬の均一な分布を促進し、不完全なカップリングを低減することで、変換率、粗収率、および純度を向上させることができます。結果は、ペプチド配列、樹脂、溶媒、カップリング反応、および超音波処理条件によって異なるため、各プロセスを最適化し、分析的に検証する必要があります。
ペプチド合成のどの工程で超音波処理を行うことができますか？
超音波は、樹脂の膨潤、FmocまたはBocの脱保護、アミノ酸の結合、洗浄、フラグメントの縮合、環化、および固相からの切断を促進することができます。また、液相およびタグを用いたペプチド合成において、溶解や物質移動を改善することもできます。
超音波ペプチド合成について – 固相ペプチド合成用 そして – 液相TAGGING合成!
超音波ペプチド合成は、合成が困難な配列にも適していますか？
はい。超音波は、疎水性で凝集しやすい配列に対して特に有用です。これは、キャビテーションとマイクロストリーミングによって、樹脂上の凝集が破壊され、反応部位への試薬のアクセスが改善されるためです。結合が困難な場合でも、試薬の最適化、結合の繰り返し、あるいは反応条件の調整が必要になる場合があります。
超音波を用いたペプチド合成はスケールアップできるのでしょうか？
超音波ペプチド合成は、実験室での試験からバッチ生産、再循環生産、あるいは連続流生産へと移行させることができます。スケールアップは、振幅、比エネルギー、温度、滞留時間といった重要なパラメータを維持しつつ、超音波出力、ソノトロード面積、または処理モジュールの数を増やすことで実現されます。
超音波処理において、「線形スケーラビリティ」とは何を意味するのでしょうか？
線形スケーラビリティとは、単位体積あたりの必要エネルギーやその他のプロセス条件が一定である場合、スループットが設置された超音波出力にほぼ比例して増加することを意味します。例えば、反応器の形状、温度、および製品品質の目標値が維持されている限り、有効超音波出力を2倍にすることで、流量をほぼ2倍にすることができます。
なぜ、ヒエルシャーの超音波処理装置はペプチド生産のスケールアップに適しているのでしょうか？
ヒエルシャーの超音波処理装置は、一貫性があり制御可能な動作パラメータを用いて、実験室用、パイロット用、および工業用の出力範囲を網羅しています。振幅の調整機能、自動データロギング、温度および圧力のモニタリング、フローセルとの互換性、そしてモジュール式構成により、再現性のあるプロセス移管と信頼性の高い生産を実現します。
Hielscher社の超音波処理装置は、ペプチドの連続生産に使用できますか？
はい。ヒエルシャーの工業用超音波処理装置は、再循環ループや連続式インラインフローセル反応器に組み込むことができます。これらの構成により、滞留時間とエネルギー投入量を制御しつつ、バッチ間のばらつきを低減することができます。工業用システムは、過酷な生産条件下でも24時間365日連続運転が可能となるよう設計されています。
ペプチド合成には、超音波浴とプローブ式超音波処理装置のどちらが適しているでしょうか？
超音波槽は、初期スクリーニングや小型の密閉容器を用いた同時処理には便利かもしれません。プローブ型超音波発生装置は、超音波を媒体に直接照射するため、より高い強度、より優れたパラメータ制御、そしてより高い拡張性を実現します。そのため、パイロット生産や工業生産では、一般的にプローブやフローセルが好んで使用されます。
超音波を用いたペプチド合成の際、温度はどのように制御されるのでしょうか？
超音波処理により反応混合物にエネルギーが導入されるため、効果的な冷却が不可欠です。Hielscher社の超音波処理装置には、ジャケット付き容器、外部熱交換器、温度制御付き再循環システム、パルス超音波処理機能を備えたモデルが用意されており、過熱を効率的に防止します。着脱可能な温度センサーとプログラム可能な温度制限機能により、開発から生産に至るまで、信頼性の高い温度監視と記録が可能になります。
ペプチド合成用にヒエルシャー社の超音波処理装置をどのように選べばよいでしょうか？
選定は、バッチ容量、目標流量、溶媒、粘度、固形分または樹脂濃度、必要な比エネルギー、および生産スケジュールによって決まります。実験室での試験により有効なプロセス範囲が確定した後、その処理量に合わせて、ヒールシャー社製ソニケーター、ソノトロード、およびフローセルの構成を選定することができます。
文献・参考文献
- 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.
