Tổng hợp peptide pha rắn – Hiệu quả hơn nhờ xử lý siêu âm
Tổng hợp peptide pha rắn (SPPS) là phương pháp phổ biến để tổng hợp peptide. Xử lý siêu âm là công cụ đáng tin cậy để tăng cường quá trình tổng hợp peptide pha rắn, giúp đạt hiệu suất cao hơn, cải thiện độ tinh khiết, không gây racemic hóa và tăng đáng kể tốc độ phản ứng. Hielscher Ultrasonics cung cấp nhiều giải pháp siêu âm cho việc tổng hợp, phân cắt và hòa tan peptide.
Tổng hợp peptide pha rắn bằng siêu âm
Xử lý siêu âm đã được ứng dụng rộng rãi như một phương pháp tăng cường quá trình tổng hợp hữu cơ và được biết đến với các ưu điểm như rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng, hiệu suất cao hơn, ít sản phẩm phụ hơn, khởi phát các con đường phản ứng không thể thực hiện bằng những cách khác và/hoặc tính chọn lọc tốt hơn. Việc đưa siêu âm vào các phản ứng tổng hợp peptide cũng có thể mang lại những lợi ích lớn. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng tổng hợp peptide có hỗ trợ siêu âm đạt hiệu suất peptide tối ưu với độ tinh khiết cao, không gây racemic hóa trong thời gian phản ứng ngắn.
- Hiệu suất peptide cao
- Tổng hợp nhanh hơn đáng kể
- Độ tinh khiết peptide cao hơn
- Không gây racemic hóa
- Tổng hợp song song nhiều peptide khác nhau
- Có thể mở rộng quy mô đến bất kỳ thể tích nào
Đầu siêu âm dạng cốc giúp xử lý siêu âm đồng đều nhiều bình phản ứng để cải thiện quá trình tổng hợp peptide.
Hình minh họa quá trình tổng hợp peptide pha rắn theo phương pháp Merrifield. Xử lý siêu âm được sử dụng để thúc đẩy và tăng cường phản ứng tổng hợp cũng như phân cắt peptide đã tổng hợp khỏi nhựa.
Hình minh họa: ©Conejos-Sanchez et al., 2014)
| Nghiên cứu | Các peptide được nghiên cứu | Thời gian phản ứng (phương pháp cổ điển so với US-SPPS) | Độ tinh khiết của sản phẩm thô (phương pháp cổ điển so với US-SPPS) | Racemic hóa và các phản ứng phụ | Các kết luận chính |
|---|---|---|---|---|---|
| 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% | Không quan sát thấy ở Cys/His, ngay cả ở 70°C | Tổng hợp nhanh hơn ~7–12 lần; độ tinh khiết được cải thiện đáng kể, đặc biệt đối với các trình tự dễ kết tụ như TAT. |
| Silva et al. (2021) | Pep1 (12 đơn vị), Pep2 (9 đơn vị), Pep3 (25 đơn vị) | >3515/365 min → ~250/85 min (Pep1/Pep2); Pep3: 347 min (chỉ US) | 73–84% → 72–82% (Pep1/Pep2) | Chưa được thử nghiệm; ghi nhận độ tinh khiết của Pep2 giảm nhẹ | Thời gian tổng hợp Pep1 giảm 14 lần; hiệu suất sản phẩm thô tăng đáng kể. |
| Merlino et al. (2019) | Các pentapeptide mô hình, peptide có tới 44 đơn vị, “các trình tự khó tổng hợp” (Aβ 1-42, ACP 65-74) | 60 min → 30 min (mô hình) | 84% → 93% (mô hình); cao hơn đáng kể so với gia nhiệt (~45°C) | Không có sự gia tăng đáng kể các đồng phân đối quang của Cys/His | Hiệu quả cao đối với các trình tự khó tổng hợp/dễ kết tụ; cho phép giảm lượng thuốc thử dư trong khi vẫn duy trì độ tinh khiết cao. |
Cải thiện quá trình tổng hợp peptide pha rắn bằng siêu âm
Tổng hợp peptit pha rắn (SPPS) là một phản ứng hóa học cho phép lắp ráp chuỗi peptit thông qua các phản ứng liên tiếp của các dẫn xuất axit amin trên một chất mang xốp không tan. Tuy nhiên, tổng hợp peptit pha rắn truyền thống là một quá trình tương đối kém hiệu quả và chậm. Vì vậy, tăng cường tổng hợp peptit bằng siêu âm là một công cụ được đánh giá cao để tổng hợp peptit hiệu quả hơn và nhanh hơn.
Silva và cộng sự (2021) đã so sánh phương pháp tổng hợp peptit pha rắn (SPPS) dựa trên fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc) “cổ điển” với SPPS có hỗ trợ siêu âm (US), dựa trên việc điều chế ba peptit, cụ thể là peptit Pep1 (VSPPLTLGQLLS-NH2) đặc hiệu với thụ thể yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi 3 (FGFR3) và các peptit mới Pep2 (RQMATADEA-NH2) và Pep3 (AAVALLPAVLLALLAPRQMATADEA-NH2).
SPPS có hỗ trợ US giúp rút ngắn thời gian lắp ráp peptit 14 lần (Pep1) và 4 lần (Pep2) so với phương pháp “cổ điển”. Điều thú vị là SPPS có hỗ trợ siêu âm tạo ra Pep1 với độ tinh khiết cao hơn (82%) so với SPPS “cổ điển” (73%). Thời gian được rút ngắn đáng kể kết hợp với độ tinh khiết cao của peptit thô thu được đã thúc đẩy nhóm nghiên cứu áp dụng SPPS có hỗ trợ US cho peptit lớn Pep3, vốn chứa nhiều axit amin kỵ nước và các trình tự oligo gồm các axit amin giống nhau. Đáng chú ý, quá trình tổng hợp peptit gồm 25 gốc axit amin này đã hoàn thành trong chưa đầy 6 giờ (347 min) với độ tinh khiết trung bình (khoảng 49%).
Tổng hợp peptit nhanh hơn thông qua tổng hợp peptit pha rắn sử dụng khuấy trộn bằng siêu âm.
(Nghiên cứu và phân tích: Wołczański và cộng sự, 2019)
Merlino và cộng sự (2019) cũng tiến hành một nghiên cứu toàn diện về tác động của siêu âm đối với quá trình tổng hợp peptit pha rắn dựa trên Fmoc, cho phép tổng hợp các peptit có hoạt tính sinh học khác nhau (dài tới 44 gốc axit amin), đồng thời tiết kiệm đáng kể vật liệu và thời gian phản ứng. Họ chứng minh rằng xử lý siêu âm không làm gia tăng các phản ứng phụ chính và cải thiện quá trình tổng hợp các peptit có “trình tự khó”, đưa tổng hợp peptit pha rắn được thúc đẩy bằng siêu âm (US-SPPS) vào nhóm các chiến lược tổng hợp peptit hiệu quả cao hiện nay.
Sự sẵn có của các hệ thống hiệu năng cao để tổng hợp peptit bằng siêu âm cho phép cải thiện đáng kể tốc độ tổng hợp và tăng độ tinh khiết của sản phẩm thô. (xem Wołczański và cộng sự, 2019)
Nghiên cứu về sự racemic hóa. So sánh các phổ 1H NMR tiêu biểu của các peptit mô hình được tổng hợp thủ công bằng phương pháp cổ điển ở nhiệt độ phòng với phương pháp siêu âm ở nhiệt độ cao. Độ dịch chuyển hóa học của các proton α của His và Cys cùng nhóm methylen của Acm (các ô bên trái), cũng như các proton của nhóm ɣ-metyl của Val (các ô bên phải), cho thấy xử lý siêu âm ở 70°C không gây racemic hóa.
(Nghiên cứu và phân tích: Wołczański và cộng sự, 2019)
Cắt tách peptit bằng siêu âm
Sau khi tổng hợp peptit pha rắn (SPPS), các peptit đã tổng hợp phải được cắt tách khỏi nhựa polyme. Bước này còn được gọi là loại bỏ nhóm bảo vệ. Khi so sánh phương pháp lắc thông thường với xử lý siêu âm để cắt tách peptit khỏi nhựa, phương pháp lắc cần khoảng 1 giờ, trong khi việc cắt tách bằng siêu âm có thể hoàn thành trong 15 đến 20 min. Có thể áp dụng phương pháp cắt tách peptit bằng siêu âm để cắt tách các axit amin và peptit có nhóm bảo vệ được gắn với nhựa polystyren thông qua các liên kết este benzylic.
Cắt tách peptit khỏi nhựa polystyren bằng siêu âm cho hiệu suất thu peptit cao với độ tinh khiết cao, không gây racemic hóa, trong một quy trình nhanh chóng.
(nghiên cứu và hình minh họa: ©Anuradha và Ravindranath, 1995)
Thiết bị phản ứng được khuấy trộn bằng siêu âm để cải thiện và đẩy nhanh quá trình tổng hợp peptit. Hình ảnh cho thấy thiết bị siêu âm UP200St trong một thiết bị phản ứng bằng thủy tinh có khuấy.
Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để tổng hợp peptit
Hielscher Ultrasonics cung cấp nhiều giải pháp siêu âm để xử lý siêu âm trực tiếp và gián tiếp. Các bộ xử lý siêu âm mạnh mẽ và có thể điều khiển chính xác cung cấp đúng lượng năng lượng siêu âm cần thiết cho bình phản ứng. Dù bạn sử dụng bơm tiêm, ống, đĩa nhiều giếng hay thiết bị phản ứng bằng thủy tinh làm dụng cụ tổng hợp, Hielscher Ultrasonics đều cung cấp thiết bị siêu âm phù hợp nhất cho ứng dụng peptide của bạn.
- peptide theo yêu cầu
- sản xuất peptide quy mô lớn
- thư viện peptide
Nhiều quá trình tổng hợp peptide được thực hiện trong bơm tiêm (ví dụ: thiết bị phản ứng dạng bơm tiêm có màng lọc xốp). Bộ khuấy bơm tiêm bằng siêu âm của Hielscher xử lý dung dịch peptide bằng cách truyền sóng siêu âm xuyên qua thành bơm tiêm vào chất lỏng. Bộ khuấy bơm tiêm bằng siêu âm là một trong những giải pháp siêu âm phổ biến nhất để tổng hợp peptide có hỗ trợ siêu âm.
Cuphorn siêu âm là công cụ phù hợp để xử lý siêu âm tối đa 5 bình phản ứng, trong khi VialTweeter có thể chứa tối đa mười ống phản ứng cùng thêm năm bình lớn hơn thông qua phụ kiện kẹp gắn ngoài.
Đối với các loại thiết bị phản ứng khác như thiết bị phản ứng pha rắn Merrifield hoặc Kamysz cùng các bình và thiết bị phản ứng khác bằng polypropylene hoặc thủy tinh borosilicate, Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm để xử lý siêu âm gián tiếp và trực tiếp với bộ gá kẹp hoặc mặt bích tùy chỉnh.
Tất nhiên, các thiết bị phản ứng bằng thủy tinh có khuấy lớn hơn, ví dụ dùng cho tổng hợp trong pha dung dịch, có thể dễ dàng được trang bị đầu dò siêu âm (còn gọi là sonotrode hoặc đầu phát siêu âm) với bất kỳ kích thước nào.
- nhiều loại thiết bị siêu âm
- xử lý siêu âm trực tiếp và gián tiếp
- điều khiển cường độ chính xác
- điều khiển nhiệt độ chính xác
- siêu âm liên tục hoặc dạng xung
- các tính năng thông minh, thiết bị có thể lập trình
- có thiết bị phù hợp cho mọi thể tích
- khả năng mở rộng quy mô tuyến tính
Đối với việc tổng hợp peptide pha rắn trong đĩa nhiều giếng/đĩa vi chuẩn độ, UIP400MTP là thiết bị lý tưởng. Hiện tượng xâm thực siêu âm được truyền gián tiếp và đồng đều vào nhiều giếng mẫu, mang lại khả năng truyền khối và phản ứng tổng hợp vượt trội. Hãy xem video bên dưới để thấy máy siêu âm đĩa vi thể UIP400MTP hoạt động!
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng nhất siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Những điều cần biết về tổng hợp peptide bằng siêu âm
Peptide là gì?
Peptide là các hợp chất trong đó nhiều axit amin liên kết với nhau thông qua các liên kết amide, được gọi là liên kết peptide. Khi liên kết thành các cấu trúc phức tạp – thường gồm 50 axit amin trở lên – các cấu trúc peptide lớn này được gọi là protein. Peptide là thành phần cấu tạo thiết yếu của sự sống và thực hiện nhiều chức năng trong cơ thể.
Quá trình tổng hợp peptide diễn ra như thế nào?
Trong hóa học hữu cơ, sinh học phân tử và khoa học sự sống, tổng hợp peptide là quá trình tạo ra peptide. Peptide được tổng hợp bằng phương pháp hóa học thông qua phản ứng ngưng tụ giữa nhóm carboxyl của một axit amin và nhóm amino của một axit amin khác. Các chiến lược sử dụng nhóm bảo vệ thường được áp dụng để tránh các phản ứng phụ không mong muốn với các mạch nhánh khác nhau của axit amin.
Quá trình tổng hợp peptide bằng phương pháp hóa học (in vitro) thường bắt đầu bằng việc ghép nối nhóm carboxyl của axit amin được thêm vào (đầu C) với đầu N của chuỗi peptide đang phát triển. Trái với quá trình tổng hợp theo chiều C sang N này, quá trình sinh tổng hợp protein tự nhiên tạo ra các peptide dài trong sinh vật sống diễn ra theo chiều ngược lại. Điều này có nghĩa là trong quá trình sinh tổng hợp, đầu N của axit amin được thêm vào liên kết với đầu C của chuỗi protein (N sang C).
Hầu hết các quy trình nghiên cứu và phát triển để tổng hợp peptide đều dựa trên các phương pháp pha rắn, trong khi các phương pháp tổng hợp trong pha dung dịch được sử dụng trong sản xuất peptide công nghiệp quy mô lớn.
Hiện nay, công nghệ tổng hợp peptide tiên tiến nhất đã đạt đến mức nào?
SUS-SPPS (SPPS bền vững có hỗ trợ siêu âm) đã được chứng minh là rút gọn quy trình xuống chỉ còn hai bước mỗi chu kỳ (kết hợp ghép nối/khóa đầu/loại bỏ nhóm bảo vệ + một lần rửa), giúp giảm đáng kể lượng dung môi tiêu thụ và thời gian. (xem Mottola et al., 2025)
TAPS có hỗ trợ siêu âm là một phương pháp kết hợp mới nổi đã chứng tỏ thành công trong tổng hợp toàn phần (ví dụ: lipobactin) và đang được các tổ chức phát triển và sản xuất theo hợp đồng (CDMO) nghiên cứu để sản xuất hoạt chất dược phẩm (API).
Khám phá những ưu điểm của phương pháp tổng hợp peptide TAGGING có hỗ trợ siêu âm!
Xử lý liên tục đang được nghiên cứu như một cải tiến tiếp theo – các nền tảng tổng hợp liên tục trong một bình phản ứng có sự hỗ trợ của nhóm gắn đã được silyl hóa đã được mô tả.
Lĩnh vực này đang hướng tới các nguyên tắc hóa học xanh, trong đó cả siêu âm và TAPS đều góp phần giảm lượng dung môi sử dụng, giảm lượng thuốc thử đưa vào và cải thiện tính bền vững.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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 sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.