Твердофазний синтез пептидів – Більша ефективність завдяки ультразвуковому обробленню
Синтез твердофазних пептидів (SPPS) є поширеним методом синтезу пептидів. Ультразвук є надійним інструментом для інтенсифікації синтезу твердофазних пептидів, що призводить до більш високих виходів, кращої чистоти, відсутності рацемізації та значного прискорення реакції. Hielscher Ultrasonics пропонує різні ультразвукові рішення для синтезу, розщеплення та розчинення пептидів.
Ultrasonic Solid-Phase Peptide Synthesis
Ультразвук вже широко застосовується як інтенсифікуючий метод в органічному синтезі і добре відомий своїми перевагами, такими як різке скорочення часу реакції, вищі виходи, менша кількість побічних продуктів, ініціювання шляхів, яких не можна було досягти іншими способами, та/або краща селективність. Великі переваги можна також отримати, коли ультразвук поєднується з реакціями синтезу пептидів. Результати досліджень продемонстрували, що синтез пептидів за допомогою ультразвуку дозволяє досягти оптимізованого виходу пептидів з високою чистотою, без рацемізації, протягом короткого часу реакції.
- Високі врожаї пептидів
- Значно швидший синтез
- Вища чистота пептидів
- Відсутність рацемізації
- Паралельний синтез різних пептидів
- Scalable to any volume
Ультразвуковий кугорн для рівномірного ультразвукового зв'язку декількох корпусів реактора для поліпшення синтезу пептидів.
Graphic demonstrating the Merrifield solid phase peptide synthesis. Ultrasonication is used to promote and enhance the synthesis reaction as well as for cleavage of the synthesized peptides from the resin.
Графіка: ©Conejos-Sanchez et al., 2014)
| Study | Peptide(s) Studied | Reaction Time (Classical vs US-SPPS) | Crude Purity (Classical vs US-SPPS) | Racemization and Side Reactions | Key Takeaways |
|---|---|---|---|---|---|
| Wołczański et al. (2019) | Met-enkephalin, UB33-43-OCam, TAT48-60-NH2, B2m58-69-NH2, ACP65-74-NH2, β-endorphin | 600–1920 min → 48–284 min | 24.2–71.3% → 60.6–89.9% | None observed for Cys/His, even at 70°C | ~7–12x faster synthesis; major purity improvements, especially for aggregation-prone sequences like TAT. |
| Silva et al. (2021) | Pep1 (12-mer), Pep2 (9-mer), Pep3 (25-mer) | >3515/365 min → ~250/85 min (Pep1/Pep2); Pep3: 347 min (US only) | 73–84% → 72–82% (Pep1/Pep2) | Not tested; slight purity drop in Pep2 noted | 14x time reduction for Pep1; crude yields significantly increased. |
| Merlino et al. (2019) | Model pentapeptides, peptides up to 44-mer, “складні послідовності” (Aβ 1-42, ACP 65-74) | 60 min → 30 min (model) | 84% → 93% (model); significantly higher than thermal heating (~45°C) | No significant increase for Cys/His enantiomers | Highly effective for difficult/aggregation-prone sequences; allows reduced reagent excess while maintaining high purity. |
Синтез твердофазних пептидів покращується за допомогою ультразвуку
Твердофазний пептидний синтез (SPPS) — це хімічна реакція, яка дозволяє зібрати пептидний ланцюг за допомогою послідовних реакцій похідних амінокислот на нерозчинній пористій основі. Однак традиційний твердофазний синтез пептидів є відносно неефективним і повільним процесом. Тому ультразвукова інтенсифікація синтезу пептидів є високо оціненим інструментом для більш ефективного і швидкого синтезу пептидів.
Сільва та ін. (2021) порівняли “класичний” флуоренілметоксикарбонільний (Fmoc) синтез пептидів у твердій фазі (SPPS) з використанням ультразвуку (US) на основі отримання трьох пептидів, а саме пептиду Pep1 (VSPPLTLGQLLS-NH2), специфічного до рецептора 3 фактора росту фібробластів (FGFR3), та нових пептидів Pep2 (RQMATADEA-NH2) і Pep3 (AAVALLPAVLLALLAPRQMATADEA-NH2).
Завдяки підтримці з боку США технологія SPPS дозволила скоротити час формування пептидів у 14 разів (Pep1) та у 4 рази (Pep2) порівняно з “класичний” метод. Цікаво, що за допомогою ультразвуку в процесі SPPS було отримано Pep1 з вищою чистотою (82 %), ніж у “класичний” SPPS (73 %). Значне скорочення часу в поєднанні з високою чистотою отриманого сирого пептиду спонукало дослідницьку групу застосувати SPPS з використанням ультразвуку для синтезу великого пептиду Pep3, який містить велику кількість гідрофобних амінокислот та гомоолігопослідовностей. Примітно, що синтез цього 25-мерного пептиду було здійснено менш ніж за 6 годин (347 хв) з помірною чистотою (приблизно 49 %).
Швидший синтез пептидів за рахунок синтезу твердофазних пептидів за допомогою ультразвукового перемішування.
(Дослідження та аналіз: Wołczański et al., 2019)
Мерліно та ін. (2019) також провели комплексне дослідження впливу ультразвуку на твердофазний синтез пептидів на основі Fmoc, що дозволило синтезувати різні біологічно активні пептиди (до 44-мерів) із значною економією матеріалів та часу реакції. Вони продемонстрували, що ультразвукова обробка не посилювала основні побічні реакції та покращувала синтез пептидів, наділених “складні послідовності”, віднісши синтез твердофазних пептидів з ультразвуковим стимулюванням (US-SPPS) до поточних стратегій високоефективного пептидного синтезу.
Наявність високопродуктивних систем для ультразвукового (звукового) синтезу пептидів дозволяє значно поліпшити показники синтезу і підвищити чистоту сировинних продуктів. (пор. Wołczański et al., 2019)
Дослідження рацемізації. Порівняння значущих 1Н ЯМР-спектрів модельних пептидів, синтезованих вручну за допомогою класичного підходу при кімнатній температурі, з ультразвуковим методом при підвищеній температурі. Хімічні зрушення His і Cys α-протонів і метиленової групи Acm (ліві панелі), ɣ-метильних протонів Val (права панелі) показують, що ультразвук при 70 ° C не викликає рацемізації.
(Дослідження та аналіз: Wołczański et al., 2019)
Ультразвукове розщеплення пептидів
Після твердофазного синтезу пептидів (СППС) синтезовані пептиди повинні бути відщеплені від полімерних смол. Цей етап також відомий як дезахист. Якщо порівнювати звичайне струшування та ультразвукове розщеплення пептидів від смоли, метод струшування займає приблизно 1 годину, тоді як ультразвукове розщеплення може бути виконане за 15-20 хвилин. Ультразвукове розщеплення пептидів може бути застосовано для розщеплення захищених амінокислот і пептидів, пов'язаних з полістирольними смолами, за допомогою зв'язків бензилового ефіру.
Ультразвукове розщеплення пептидів з полістирольної смоли дає високі виходи пептидів у високій чистоті, без рацемізації, в рамках швидкої процедури.
(етюд і графіка: ©Анурадха і Равіндранатх, 1995)
Реактор з ультразвуковим перемішуванням для поліпшення і прискорення синтезу пептидів. На малюнку показаний ультразвуковий апарат UP200St в реакторі з перемішаного скла.
Високопродуктивні ультразвукові апарати для синтезу пептидів
Hielscher Ultrasonics пропонує різноманітні ультразвукові рішення для прямого та непрямого ультразвуку. Потужні та точно керовані ультразвукові процесори подають потрібну кількість ультразвукової енергії в реакційну судину. Незалежно від того, чи використовуєте ви шприци, трубки, багатолункові пластини або скляні реактори як ємність для синтезу, Hielscher Ultrasonics пропонує найбільш підходящий ультразвуковий пристрій для вашого застосування пептидів.
- Індивідуальні пептиди
- Великомасштабне виробництво пептидів
- Бібліотеки пептидів
Багато синтез пептидів виконується в шприцах (наприклад, реактори з фритованими шприцами). Ультразвукова мішалка шприців Hielscher ультразвукує розчин пептидів, з'єднуючи ультразвукові хвилі через стінку шприца в рідину. Мішалка для ультразвукового шприца є одним з найпопулярніших ультразвукових рішень для синтезу пептидів за допомогою ультразвуку.
Ультразвуковий кугорн є підходящим інструментом для ультразвукового ефекту до 5 корпусів реактора, тоді як VialTweeter може вмістити до десяти реакційних трубок плюс додатково п'ять більших ємностей за допомогою затискного аксесуара.
For other reactor types such as the Merrifield or Kamysz solid-phase reactor and other polypropylene or borosilicate vessels and reactors, Hielscher offers sonicators for indirect and direct sonication with customized clamp-on mounting or flange.
Звичайно, великі скляні реактори з мішалкою, наприклад, для синтезу в розчинній фазі, можна легко оснастити ультразвуковими датчиками (також відомими як сонотроди або ультразвукові роги) будь-якого розміру.
- Різні типи ультразвукових апаратів
- Пряме і непряме УЗД
- Точне регулювання інтенсивності
- Точний контроль температури
- безперервне або імпульсне УЗД
- Розумні функції, програмовані пристрої
- Доступно для будь-якого обсягу
- Лінійна масштабованість
Для твердофазного синтезу пептидів у багатолункових/мікротитровальних планшетах ідеальним пристроєм є UIP400MTP. Ультразвукова кавітація рівномірно опосередковано передається у численні лунки для зразків, забезпечуючи високу ефективність масообміну та синтетичної реакції. Перегляньте відео нижче, щоб побачити, як Ультразвуковий апарат для мікропланшетів UIP400MTP у дії!
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Цікаві факти про ультразвуковий синтез пептидів
Що таке пептиди?
Пептиди - це сполуки, де кілька амінокислот пов'язані за допомогою амідних зв'язків, так званих пептидних зв'язків. При зв'язуванні в складних структурах – Як правило, складаються з 50 або більше амінокислот, ці великі пептидні структури називаються білками. Пептиди є важливим будівельним матеріалом життя і виконують численні функції в організмі.
Як відбувається синтез пептидів?
В органічній хімії, молекулярній біології та науках про життя синтез пептидів — це процес виробництва пептидів. Пептиди хімічно синтезуються шляхом реакції конденсації карбоксильної групи однієї амінокислоти до аміногрупи іншої амінокислоти. Стратегії захисних груп (також захисних груп) зазвичай використовуються для того, щоб уникнути небажаних побічних реакцій з різними бічними ланцюгами амінокислот.
Хімічний (in vitro) синтез пептидів найчастіше починається зі з'єднання карбоксильної групи вхідної амінокислоти (С-кінця) з N-кінцем зростаючої пептидної ланцюга. На відміну від цього синтезу C-to-N, природний біосинтез білків довгих пептидів в живих організмах відбувається в зворотному напрямку. Це означає, що в біосинтезі N-кінець вхідної амінокислоти пов'язаний з С-кінцем білкового ланцюга (N-to-C).
Більшість протоколів досліджень і розробок для синтезу пептидів засновані на твердофазних методах, в той час як методи синтезу розчин-фаза можна знайти при великомасштабному промисловому виробництві пептидів.
Який сучасний стан розвитку технологій синтезу пептидів?
SUS-SPPS (стала SPPS з використанням ультразвуку) has been demonstrated to reduce the process to just two steps per cycle (combined coupling/capping/deprotection + single wash), significantly reducing solvent consumption and time. (cf. Mottola et al., 2025)
TAPS з використанням ультразвуку є новою комбінацією, яка продемонструвала свою ефективність у повному синтезі (наприклад, ліпобактину) і наразі вивчається компаніями CDMO з метою виробництва активних фармацевтичних інгредієнтів (АФІ).
Відкрийте для себе переваги синтезу пептидів методом TAGGING з використанням ультразвуку!
безперервна обробка це розглядається як можливість подальшого вдосконалення – Описано платформи для безперервного одностадійного синтезу з використанням силілізованих міток.
Ця галузь рухається в напрямку дотримання принципів «зеленої хімії», причому як ультразвук, так і технологія TAPS сприяють зменшенню використання розчинників, зниженню витрати реагентів та підвищенню екологічної стійкості.
Література / Список літератури
- 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.
- 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.
- 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.
- Conejos-Sanchez, Inmaculada; Duro Castaño, Aroa; Vicent, María (2014): Peptide-Based Polymer Therapeutics. Polymers. 6. 515-551.
- 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.
- 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.
- Wołczański, G., Płóciennik, H., Lisowski, M., Stefanowicz, P. (2019): The faster peptide synthesis on the solid phase using ultrasonic agitation. Tetrahedron Letters, 2019.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.