Mở rộng quy mô tổng hợp peptit: Các chiến lược sử dụng sóng siêu âm cho quy trình sản xuất theo mẻ và dòng chảy liên tục
Quá trình tổng hợp peptit hỗ trợ bằng sóng siêu âm kết hợp hóa học peptit đã được xác lập với năng lượng cơ học tần số cao để đẩy nhanh các quá trình phản ứng và vận chuyển. Hiện tượng xâm thực âm thanh – sự hình thành và sụp đổ của bong bóng siêu nhỏ – tạo ra sự trộn lẫn cục bộ mạnh mẽ, các tia siêu nhỏ và lực cắt. Trong quá trình tổng hợp peptit, những tác động này giúp cải thiện quá trình vận chuyển thuốc thử, làm ướt nhựa, hòa tan và phá vỡ các cụm kết tụ. Do đó, siêu âm tần số thấp chủ yếu đóng vai trò như một công cụ tăng cường quy trình: nó không thay thế phản ứng liên kết hóa học, nhưng có thể làm cho các bước liên kết, loại bỏ nhóm bảo vệ, rửa, cắt phân tử và xử lý sau phản ứng diễn ra nhanh hơn và hiệu quả hơn đáng kể.
Thách thức trong việc mở rộng quy mô sản xuất peptit
Việc mở rộng quy mô sản xuất peptide từ phòng thí nghiệm sang sản xuất công nghiệp là một thách thức, bởi vì những bất cập nhỏ sẽ tích lũy qua nhiều chu kỳ liên kết và khử bảo vệ, dẫn đến giảm năng suất và gia tăng các tạp chất khó loại bỏ. Các bình phản ứng lớn hơn cũng gây ra những hạn chế về khả năng trộn, truyền nhiệt, sự phồng lên của nhựa và vận chuyển thuốc thử, trong khi mức tiêu thụ dung môi, nhu cầu tinh chế và chi phí sản xuất lại tăng mạnh. Do đó, việc mở rộng quy mô thành công phải đảm bảo tính đồng nhất của phản ứng và chất lượng sản phẩm, đồng thời mang lại năng suất ổn định, sử dụng hiệu quả các nguồn lực và kiểm soát chính xác tất cả các thông số quan trọng của quy trình.
Mẻ sản xuất dược phẩm sử dụng máy siêu âm UIP2000hdT nhằm nâng cao hiệu quả tổng hợp peptit
Các chiến lược tổng hợp peptit có sự hỗ trợ của siêu âm
Phương pháp tổng hợp peptit pha rắn bằng sóng siêu âm
Phương pháp tổng hợp peptit pha rắn (SPPS) sử dụng Fmoc là chiến lược ứng dụng sóng siêu âm được nghiên cứu rộng rãi nhất. Việc xử lý bằng sóng siêu âm giúp tăng cường sự thâm nhập của các chất khử bảo vệ và chất liên kết vào các hạt polymer đã nở, đồng thời làm giảm các lớp biên tĩnh xung quanh nhựa. Phương pháp này cũng có thể phá vỡ hiện tượng kết tụ trên nhựa, một nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự chuyển hóa không hoàn toàn trong các hợp chất kỵ nước và các hợp chất khác “khó khăn” các dãy.
Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng phương pháp tổng hợp peptide có hoạt tính sinh học với sự hỗ trợ của sóng siêu âm có thể tạo ra các peptide chứa tới 44 gốc, với lượng nguyên liệu tiêu thụ ít hơn và thời gian phản ứng ngắn hơn, đồng thời không ghi nhận sự gia tăng của các phản ứng phụ chính trong các điều kiện đã được báo cáo. (xem Merlino và các cộng sự, 2019)
Một nghiên cứu khác cho biết thời gian lắp ráp các peptit được chọn đã giảm từ 4 đến 14 lần; một peptit 25-mer giàu các gốc kỵ nước đã được lắp ráp trong 347 phút. (xem Silva và các cộng sự, 2021)
Siêu âm có thể được thực hiện trong các trường hợp sau:
- Sự phồng lên của nhựa và quá trình trao đổi chất phản ứng
- Loại bỏ nhóm bảo vệ Fmoc hoặc Boc
- Kích hoạt và liên kết axit amin
- Giai đoạn giặt trung gian
- Phản ứng vòng hóa trên nhựa
- Tách peptide đã hoàn thành khỏi chất mang
Tổng hợp ở pha lỏng và tổng hợp có sự hỗ trợ của thẻ
Siêu âm cũng có thể tăng cường hiệu quả của quá trình tổng hợp peptit pha lỏng truyền thống bằng cách đẩy nhanh quá trình hòa tan, phân tán thuốc thử và truyền khối trong các hỗn hợp không đồng nhất hoặc có độ nhớt cao. Lợi ích của phương pháp này thường đạt mức cao nhất khi quá trình bị giới hạn bởi sự trộn lẫn hoặc vận chuyển; trong khi đó, một phản ứng hoàn toàn đồng nhất, chỉ bị chi phối bởi động học hóa học nội tại, có thể chỉ cho thấy mức cải thiện khiêm tốn hơn.
Trong quá trình tổng hợp peptit có sử dụng thẻ đánh dấu, peptit đang được tổng hợp sẽ được gắn vào một chất neo hữu cơ hòa tan hoặc có thể kết tủa. Các phản ứng diễn ra trong dung dịch, sau đó sản phẩm trung gian có gắn thẻ được thu hồi bằng phương pháp kết tủa hoặc lọc. Việc sử dụng sóng siêu âm có thể đẩy nhanh các phản ứng liên kết, loại bỏ nhóm bảo vệ, tạo vòng và cắt thẻ, đồng thời duy trì các sản phẩm trung gian ít tan ở trạng thái phân tán.
| Kỹ thuật | Sonication thúc đẩy quá trình này như thế nào? | Tầm quan trọng và những hạn chế |
|---|---|---|
| Phương pháp tổng hợp peptit pha rắn Fmoc | Quá trình siêu âm giúp đẩy nhanh quá trình thâm nhập của piperidine và loại bỏ các sản phẩm Fmoc; cải thiện quá trình vận chuyển các axit amin đã được kích hoạt vào nhựa đã ngâm nở; làm gián đoạn quá trình kết tụ trên nhựa | Bằng chứng thuyết phục nhất và thường mang lại lợi ích lớn nhất |
| Phương pháp tổng hợp pha rắn Boc | Quá trình siêu âm giúp cải thiện khả năng thấm axit, trao đổi thuốc thử, liên kết và rửa, tương tự như trong hóa học Fmoc | Việc chứa đựng và gia nhiệt axit cần phải cẩn thận |
| Phương pháp tổng hợp pha dung dịch | Sonication giúp cải thiện quá trình hòa tan các axit amin được bảo vệ, phân tán các chất kết tủa và tăng cường sự tiếp xúc trong các phản ứng hai pha hoặc phản ứng dạng bùn. | Lợi ích sẽ nhỏ hơn khi phản ứng đã ở trạng thái đồng nhất và bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng hóa học |
| Phương pháp tổng hợp dựa trên thẻ hòa tan hoặc dựa trên quá trình kết tủa | Quá trình siêu âm giúp các chất trung gian đã được gắn nhãn duy trì trạng thái phân tán trong quá trình liên kết và có thể cải thiện quá trình hòa tan trước khi lọc hoặc kết tủa | Hữu ích đối với các chế phẩm khó hòa tan hoặc có khối lượng lớn; sóng siêu âm chủ yếu hỗ trợ quá trình xử lý và truyền khối |
| Tổng hợp dòng chảy hoặc tổng hợp liên tục | Quá trình siêu âm giúp duy trì sự tiếp xúc giữa nhựa và chất lỏng, đồng thời hạn chế sự hình thành các vùng ứ đọng cục bộ hoặc hiện tượng kết tụ | Mở rộng quy mô nhờ thiết kế buồng dòng chảy nhằm đảm bảo sự tiếp xúc đồng đều với sóng siêu âm |
| Liên kết mảnh và tạo vòng | Quá trình siêu âm có thể làm hòa tan các mảnh phân tử kỵ nước, phá vỡ các cụm kết tụ và cải thiện sự tiếp xúc giữa các phân tử | Về bản chất, nó không làm tăng tốc mọi phản ứng liên kết hóa học tự nhiên hay phản ứng tạo vòng lớn; hiện tượng pha loãng quá mức hoặc sự kết tụ liên phân tử vẫn có thể chiếm ưu thế |
| Tổng hợp peptit bằng phương pháp enzym | Ở cường độ thích hợp, quá trình siêu âm có thể điều chỉnh động học của enzym và cải thiện quá trình chuyển giao chất nền, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng enzym cố định hoặc môi trường hai pha | Phụ thuộc rất nhiều vào enzym; việc cung cấp năng lượng quá mức sẽ dẫn đến hiện tượng mất cấu trúc hoặc mất hoạt tính |
| Tổng hợp ribosome/tái tổ hợp | Không có ảnh hưởng trực tiếp đến việc dịch thuật | Phương pháp siêu âm chủ yếu được sử dụng để phá vỡ tế bào sau quá trình biểu hiện |
Mở rộng quy mô bằng công nghệ siêu âm: Xử lý theo mẻ, tuần hoàn và dòng chảy liên tục
Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể được tích hợp một cách liền mạch vào quy trình sản xuất tổng hợp peptit cụ thể của quý vị.
Có ba cấu hình lò phản ứng phù hợp để mở rộng quy mô:
- Quá trình siêu âm theo mẻ tuy đơn giản và linh hoạt nhưng lại trở nên khó kiểm soát hơn để đạt được sự đồng nhất tối ưu khi thể tích bình chứa tăng lên.
- Quy trình tuần hoàn bơm nội dung trong bình phản ứng qua buồng dòng chảy siêu âm nhiều lần, giúp đảm bảo quá trình xử lý đồng đều hơn đồng thời vẫn duy trì tính linh hoạt của phương pháp xử lý theo mẻ.
- Trong quy trình dòng chảy liên tục, dòng phản ứng được dẫn qua một hoặc nhiều vùng siêu âm được điều khiển. Thời gian lưu, tốc độ dòng chảy và lượng năng lượng đầu vào có thể được thiết lập chính xác, khiến kiến trúc này trở thành lựa chọn ưu tiên cho sản xuất có năng suất cao và đảm bảo tính lặp lại.
Đối với các quy trình sử dụng nhựa, đường dẫn dòng chảy, bơm và van phải đảm bảo phù hợp với kích thước hạt mà không gây mài mòn hay tắc nghẽn. Một giải pháp thay thế là giữ nhựa trong bình phản ứng có khuấy và chỉ tuần hoàn pha lỏng qua buồng siêu âm.
2 máy tạo sóng siêu âm công nghiệp mẫu UIP4000hdT được kết nối với một bình phản ứng dạng buồng dòng chảy bằng thép không gỉ để sản xuất peptit.
Các câu hỏi thường gặp về việc mở rộng quy mô tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm
Tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm là gì?
Quá trình tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm sử dụng sóng âm có cường độ cao để cải thiện quá trình trộn, truyền khối lượng và động học phản ứng trong quá trình lắp ráp peptit. Hiện tượng xâm thực âm thanh giúp các chất phản ứng thấm sâu vào nhựa đã nở, phân tán các cụm kết tụ và đẩy nhanh các bước liên kết, loại bỏ nhóm bảo vệ, rửa và cắt.
Siêu âm giúp cải thiện quá trình tổng hợp peptit pha rắn như thế nào?
Trong phương pháp tổng hợp peptit pha rắn hỗ trợ bằng siêu âm (US-SPPS), quá trình siêu âm giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa peptit gắn trên nhựa và các chất phản ứng ở dạng hòa tan. Điều này có thể rút ngắn chu kỳ phản ứng, thúc đẩy quá trình liên kết diễn ra hoàn toàn hơn và giảm thiểu hiện tượng mất đoạn trình tự, đặc biệt là khi tổng hợp các peptit kỵ nước, dễ kết tụ hoặc các peptit khó tổng hợp khác.
Sử dụng sóng siêu âm có thể làm tăng năng suất và độ tinh khiết của peptit không?
Quá trình siêu âm có thể giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi, năng suất thô và độ tinh khiết bằng cách thúc đẩy sự phân bố đồng đều của thuốc thử và giảm hiện tượng liên kết không hoàn toàn. Kết quả phụ thuộc vào trình tự peptit, chất hấp phụ, dung môi, phản ứng hóa học liên kết và các thông số siêu âm; do đó, mỗi quy trình cần được tối ưu hóa và xác nhận bằng phân tích.
Những công đoạn nào trong quá trình tổng hợp peptit có thể được xử lý bằng sóng siêu âm?
Siêu âm có thể hỗ trợ quá trình phồng lên của nhựa, loại bỏ nhóm bảo vệ Fmoc hoặc Boc, liên kết axit amin, rửa, ngưng tụ các đoạn, tạo vòng và tách khỏi chất mang rắn. Nó cũng có thể cải thiện quá trình hòa tan và truyền khối trong tổng hợp peptit pha lỏng và tổng hợp peptit có sự hỗ trợ của thẻ.
Khám phá phương pháp tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm – dùng cho quá trình tổng hợp peptit pha rắn và – phương pháp tổng hợp gắn thẻ pha lỏng!
Phương pháp tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm có phù hợp với các trình tự khó không?
Đúng vậy. Siêu âm đặc biệt hữu ích đối với các trình tự kỵ nước và dễ tạo tụ, bởi vì hiện tượng xâm thực và dòng chảy vi mô giúp phá vỡ sự kết tụ trên nhựa và cải thiện khả năng tiếp cận của thuốc thử đến các vị trí phản ứng. Các phản ứng liên kết khó vẫn có thể cần phải sử dụng thuốc thử được tối ưu hóa, lặp lại quá trình liên kết hoặc điều chỉnh các điều kiện phản ứng.
Có thể mở rộng quy mô quá trình tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm không?
Quá trình tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm có thể được chuyển từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sang sản xuất theo mẻ, sản xuất tuần hoàn hoặc sản xuất dòng chảy liên tục. Việc mở rộng quy mô được thực hiện bằng cách duy trì các thông số quan trọng như biên độ, năng lượng riêng, nhiệt độ và thời gian lưu giữ, đồng thời tăng công suất sóng siêu âm, diện tích sonotrode hoặc số lượng mô-đun xử lý.
Khả năng mở rộng tuyến tính trong công nghệ siêu âm có nghĩa là gì?
Khả năng mở rộng tuyến tính có nghĩa là lưu lượng có thể tăng xấp xỉ tỷ lệ thuận với công suất siêu âm được lắp đặt khi năng lượng cần thiết trên đơn vị thể tích và các điều kiện quá trình khác được giữ nguyên. Ví dụ, việc tăng gấp đôi công suất siêu âm hiệu dụng có thể làm tăng gấp đôi lưu lượng, miễn là hình học của bình phản ứng, nhiệt độ và các mục tiêu về chất lượng sản phẩm được duy trì.
Tại sao các thiết bị siêu âm Hielscher lại phù hợp để mở rộng quy mô sản xuất peptit?
Các thiết bị siêu âm Hielscher đáp ứng các dải công suất từ phòng thí nghiệm, quy mô thử nghiệm đến công nghiệp, với các thông số vận hành ổn định và có thể điều khiển được. Các tính năng như biên độ có thể điều chỉnh, ghi dữ liệu tự động, giám sát nhiệt độ và áp suất, khả năng tương thích với buồng dòng chảy cùng cấu hình mô-đun giúp đảm bảo quá trình chuyển giao quy trình có thể tái tạo và sản xuất đáng tin cậy.
Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể được sử dụng trong quy trình sản xuất peptide liên tục không?
Đúng vậy. Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể được tích hợp vào các vòng tuần hoàn và các bình phản ứng dòng chảy liên tục. Các cấu hình này giúp kiểm soát thời gian lưu và lượng năng lượng đầu vào, đồng thời giảm thiểu sự biến động giữa các mẻ sản xuất. Các hệ thống công nghiệp được thiết kế để vận hành liên tục 24/7 trong các điều kiện sản xuất khắc nghiệt.
Trong quá trình tổng hợp peptit, nên sử dụng bể siêu âm hay máy siêu âm đầu dò?
Bồn tắm siêu âm có thể thuận tiện cho việc sàng lọc ban đầu và xử lý đồng thời các mạch kín có kích thước nhỏ. Các thiết bị tạo sóng siêu âm dạng đầu dò truyền sóng siêu âm trực tiếp vào môi trường, mang lại cường độ cao hơn, khả năng kiểm soát thông số tốt hơn và khả năng mở rộng quy mô cao hơn. Do đó, đầu dò và buồng dòng chảy thường được ưa chuộng hơn trong sản xuất thử nghiệm và sản xuất công nghiệp.
Nhiệt độ được kiểm soát như thế nào trong quá trình tổng hợp peptit bằng sóng siêu âm?
Vì quá trình siêu âm cung cấp năng lượng vào hỗn hợp phản ứng, nên việc làm mát hiệu quả là vô cùng quan trọng. Các thiết bị siêu âm của Hielscher được trang bị bình chứa có lớp vỏ cách nhiệt, bộ trao đổi nhiệt bên ngoài, hệ thống tuần hoàn có kiểm soát nhiệt độ và chế độ siêu âm xung, nhờ đó giúp ngăn ngừa hiệu quả tình trạng quá nhiệt. Các cảm biến nhiệt độ có thể tháo lắp và giới hạn nhiệt độ có thể lập trình cho phép theo dõi và ghi lại nhiệt độ một cách đáng tin cậy trong suốt quá trình nghiên cứu và sản xuất.
Làm thế nào để chọn máy siêu âm Hielscher cho quá trình tổng hợp peptit?
Việc lựa chọn phụ thuộc vào thể tích mẻ, lưu lượng mong muốn, dung môi, độ nhớt, nồng độ chất rắn hoặc nhựa, năng lượng riêng cần thiết và lịch trình sản xuất. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm giúp xác định phạm vi điều kiện quá trình hiệu quả; trên cơ sở đó, có thể thiết kế kích thước cho máy siêu âm Hielscher, đầu siêu âm (sonotrode) và cấu hình buồng chảy sao cho phù hợp với công suất dự kiến.
Văn học / 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.
- 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 sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.