Mở rộng quy mô tổng hợp peptide: Các chiến lược siêu âm cho xử lý theo mẻ + dòng chảy liên tục
Tổng hợp peptide có hỗ trợ siêu âm kết hợp các phương pháp hóa học peptide 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 – sự hình thành và sụp đổ của các bọt khí vi mô – tạo ra sự trộn cục bộ mạnh, các tia vi mô và lực cắt. Trong tổng hợp peptide, những tác động này cải thiện sự vận chuyển thuốc thử, khả năng thấm ướt nhựa, sự hòa tan và sự phá vỡ các khối kết tụ. Vì vậy, siêu âm tần số thấp chủ yếu đóng vai trò là công cụ tăng cường quá trình: siêu âm không thay thế các phản ứng hóa học ghép nối, nhưng có thể giúp các bước ghép nối, loại nhóm bảo vệ, rửa, cắt tách và xử lý sau phản ứng diễn ra nhanh hơn và hiệu quả hơn đáng kể.
Thách thức khi mở rộng quy mô sản xuất peptide
Việc mở rộng quy mô sản xuất peptide từ phòng thí nghiệm lên sản xuất gặp nhiều thách thức vì những tổn thất hiệu quả nhỏ tích lũy qua nhiều chu kỳ ghép nối và loại nhóm bảo vệ, làm giảm hiệu suất thu hồi và gia tăng các tạp chất khó loại bỏ. Các thiết bị phản ứng lớn hơn cũng gây ra những hạn chế về trộn, truyền nhiệt, trương nở nhựa và vận chuyển thuốc thử, trong khi mức tiêu thụ dung môi, yêu cầu tinh sạch và chi phí sản xuất tăng mạnh. Do đó, việc mở rộng quy mô thành công phải duy trì tính đồng đều của phản ứng và chất lượng sản phẩm, đồng thời bảo đảm năng suất có khả năng tái lập, sử dụng tài nguyên hiệu quả và kiểm soát chính xác tất cả các thông số quá trình quan trọng.
Hệ phản ứng dược phẩm theo mẻ với máy siêu âm UIP2000hdT để cải thiện quá trình tổng hợp peptide
Các chiến lược tổng hợp peptide có hỗ trợ siêu âm
Tổng hợp peptide pha rắn bằng siêu âm
Tổng hợp peptide pha rắn (SPPS) theo phương pháp Fmoc là chiến lược siêu âm được nghiên cứu rộng rãi nhất. Xử lý siêu âm tăng cường sự thâm nhập của các thuốc thử loại nhóm bảo vệ và ghép nối vào các hạt polymer đã trương nở, đồng thời làm giảm các lớp biên tù đọng quanh nhựa. Siêu âm cũng có thể phá vỡ sự kết tụ trên nhựa, một nguyên nhân quan trọng gây chuyển hóa không hoàn toàn ở các trình tự kỵ nước và các trình tự “khó” khác.
Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh khả năng tổng hợp có hỗ trợ siêu âm các peptide có hoạt tính sinh học chứa tới 44 gốc axit amin, với mức tiêu thụ vật liệu thấp hơn và thời gian phản ứng ngắn hơn mà không ghi nhận sự gia tăng các phản ứng phụ chính trong những điều kiện được báo cáo. (xem Merlino et al., 2019)
Một nghiên cứu khác báo cáo thời gian lắp ráp chuỗi giảm từ bốn đến mười bốn lần đối với một số peptide được chọn; một peptide gồm 25 gốc axit amin, giàu các gốc kỵ nước, đã được lắp ráp trong 347 phút. (xem Silva et al., 2021)
Có thể áp dụng siêu âm trong các bước:
- Trương nở nhựa và trao đổi thuốc thử
- Loại nhóm bảo vệ Fmoc hoặc Boc
- Hoạt hóa và ghép nối axit amin
- Rửa giữa các bước
- Tạo vòng trên nhựa
- Cắt tách peptide đã hoàn chỉnh khỏi chất mang
Tổng hợp pha lỏng và tổng hợp có hỗ trợ thẻ gắn
Siêu âm cũng có thể tăng cường quá trình tổng hợp peptide pha lỏng thông thường bằng cách đẩy nhanh sự hòa tan, phân tán thuốc thử và truyền khối trong các hỗn hợp không đồng nhất hoặc có độ nhớt cao. Lợi ích thường lớn nhất khi quá trình bị giới hạn bởi sự trộn hoặc vận chuyển; một phản ứng hoàn toàn đồng nhất chỉ chịu sự chi phối của động học hóa học nội tại có thể cho thấy mức cải thiện nhỏ hơn.
Trong tổng hợp peptide có hỗ trợ thẻ gắn, chuỗi peptide đang phát triển được gắn vào một chất neo hữu cơ có thể hòa tan hoặc kết tủa. Các phản ứng diễn ra trong dung dịch, sau đó chất trung gian mang thẻ gắn được thu hồi bằng kết tủa hoặc lọc. Xử lý siêu âm có thể đẩy nhanh quá trình ghép nối, loại nhóm bảo vệ, tạo vòng và cắt tách thẻ gắn, đồng thời duy trì các chất trung gian khó tan ở trạng thái phân tán.
| Kỹ thuật | Cách xử lý siêu âm thúc đẩy quá trình | Tầm quan trọng và hạn chế |
|---|---|---|
| Tổng hợp peptide pha rắn theo phương pháp Fmoc | Xử lý siêu âm đẩy nhanh sự thâm nhập của piperidine và loại bỏ các sản phẩm Fmoc; cải thiện sự vận chuyển các axit amin đã hoạt hóa vào nhựa đã trương nở; phá vỡ sự kết tụ trên nhựa | Có bằng chứng thuyết phục nhất và thường mang lại lợi ích lớn nhất |
| Tổng hợp pha rắn theo phương pháp Boc | Xử lý siêu âm cải thiện sự thâm nhập của axit, trao đổi thuốc thử, ghép nối và rửa tương tự như trong hóa học Fmoc | Việc ngăn axit rò rỉ và gia nhiệt cần được thực hiện cẩn thận |
| Tổng hợp trong dung dịch/pha lỏng | Xử lý siêu âm cải thiện sự hòa tan của các axit amin đã được bảo vệ, phân tán kết tủa và tăng tiếp xúc trong các phản ứng hai pha hoặc phản ứng dạng huyền phù | Lợi ích nhỏ hơn khi phản ứng đã đồng nhất và tốc độ bị giới hạn bởi động học hóa học |
| Tổng hợp sử dụng thẻ hòa tan hoặc dựa trên kết tủa | Xử lý siêu âm duy trì các chất trung gian gắn thẻ ở trạng thái phân tán trong quá trình ghép nối và có thể cải thiện sự hòa tan trước khi lọc hoặc kết tủa | Hữu ích cho việc điều chế các chất ít tan hoặc điều chế với lượng lớn; siêu âm chủ yếu hỗ trợ thao tác và truyền khối |
| Tổng hợp trong dòng chảy hoặc liên tục | Xử lý siêu âm giúp duy trì tiếp xúc giữa nhựa và chất lỏng, đồng thời hạn chế các vùng tù đọng cục bộ hoặc sự kết tụ | Mở rộng quy mô với thiết kế buồng dòng chảy để bảo đảm tiếp xúc đồng đều với siêu âm |
| Nối các đoạn peptide và đóng vòng | Xử lý siêu âm có thể hòa tan các đoạn peptide kỵ nước, phá vỡ các khối kết tụ và cải thiện tiếp xúc giữa các phân tử | Bản thân siêu âm không làm tăng tốc mọi phản ứng nối hóa học tự nhiên hoặc phản ứng đóng vòng lớn; sự pha loãng quá mức hoặc kết tụ giữa các phân tử vẫn có thể là yếu tố chi phối |
| Tổng hợp peptide bằng enzyme | Ở cường độ thích hợp, xử lý siêu âm có thể thay đổi động lực học của enzyme và cải thiện sự vận chuyển cơ chất, đặc biệt khi sử dụng enzyme cố định hoặc môi trường hai pha | Phụ thuộc rất nhiều vào enzyme; công suất quá cao gây mất cấu trúc cuộn gấp hoặc bất hoạt |
| Tổng hợp bằng ribosome/tái tổ hợp | Không có tác động trực tiếp đến quá trình dịch mã | Xử lý siêu âm chủ yếu được sử dụng để phá vỡ tế bào sau quá trình biểu hiện |
Mở rộng quy mô xử lý siêu âm: Xử lý theo mẻ, tuần hoàn và dòng chảy liên tục
Máy siêu âm Hielscher có thể được tích hợp liền mạch vào hệ thống sản xuất tổng hợp peptide cụ thể của bạn.
Có ba cấu hình thiết bị phản ứng phù hợp với việc mở rộng quy mô:
- Xử lý siêu âm theo mẻ đơn giản và linh hoạt nhưng việc kiểm soát để đạt được mức xử lý siêu âm đồng nhất tối ưu trở nên khó khăn hơn khi thể tích bình tăng lên.
- Xử lý tuần hoàn bơm hỗn hợp trong thiết bị phản ứng nhiều lần qua một buồng dòng chảy siêu âm, giúp xử lý đồng đều hơn trong khi vẫn duy trì tính linh hoạt của xử lý theo mẻ.
- Xử lý dòng chảy liên tục đưa dòng phản ứng qua một hoặc nhiều vùng xử lý siêu âm được kiểm soát. Thời gian lưu, lưu lượng và năng lượng đầu vào có thể được xác định chính xác, khiến đây trở thành cấu trúc hệ thống được ưu tiên cho sản xuất có năng suất cao và khả năng tái lập.
Đối với các quy trình sử dụng nhựa, đường dẫn dòng chảy, bơm và van phải phù hợp với kích thước hạt mà không gây mài mòn hoặc tắc nghẽn. Một phương án khác là giữ nhựa trong thiết bị phản ứng có khuấy và chỉ tuần hoàn pha lỏng qua buồng siêu âm.
2x máy siêu âm công nghiệp model UIP4000hdT được kết nối với thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy bằng thép không gỉ để sản xuất peptide.
Các câu hỏi thường gặp về mở rộng quy mô tổng hợp peptide bằng siêu âm
Tổng hợp peptide bằng siêu âm là gì?
Tổng hợp peptide bằng siêu âm sử dụng sóng âm cường độ cao để cải thiện sự trộn, truyền khối và động học phản ứng trong quá trình lắp ráp chuỗi peptide. Xâm thực âm giúp thuốc thử thâm nhập vào nhựa đã trương nở, phân tán các khối kết tụ và tăng tốc các bước ghép nối, loại bỏ nhóm bảo vệ, rửa và cắt tách.
Siêu âm cải thiện quá trình tổng hợp peptide pha rắn như thế nào?
Trong tổng hợp peptide pha rắn có hỗ trợ siêu âm (US-SPPS), xử lý siêu âm cải thiện tiếp xúc giữa peptide gắn trên nhựa và các thuốc thử đã hòa tan. Điều này có thể rút ngắn các chu kỳ phản ứng, thúc đẩy ghép nối hoàn toàn hơn và giảm tình trạng thiếu gốc axit amin trong trình tự, đặc biệt khi tổng hợp các peptide kỵ nước, dễ kết tụ hoặc khó tổng hợp vì những lý do khác.
Xử lý siêu âm có thể tăng hiệu suất thu peptide và độ tinh khiết không?
Xử lý siêu âm có thể cải thiện độ chuyển hóa, hiệu suất thu sản phẩm thô và độ tinh khiết bằng cách thúc đẩy sự phân bố đồng đều của thuốc thử và giảm tình trạng ghép nối không hoàn toàn. Kết quả phụ thuộc vào trình tự peptide, nhựa, dung môi, hóa học ghép nối và các thông số siêu âm, vì vậy mỗi quy trình cần được tối ưu hóa và thẩm định bằng các phương pháp phân tích.
Những bước nào trong quá trình tổng hợp peptide có thể được xử lý siêu âm?
Siêu âm có thể hỗ trợ quá trình trương nở hạt nhựa, loại bỏ nhóm bảo vệ Fmoc hoặc Boc, ghép nối axit amin, rửa, ngưng tụ các đoạn peptide, tạo vòng và cắt peptide khỏi chất mang rắn. Siêu âm cũng có thể cải thiện sự hòa tan và truyền khối trong tổng hợp peptide pha lỏng và tổng hợp peptide có hỗ trợ bằng thẻ gắn.
Khám phá tổng hợp peptide bằng siêu âm – cho tổng hợp peptide pha rắn và – tổng hợp pha lỏng bằng kỹ thuật TAGGING!
Tổng hợp peptide bằng siêu âm có phù hợp với các trình tự khó tổng hợp không?
Có. Siêu âm đặc biệt hữu ích đối với các trình tự kỵ nước và dễ kết tụ vì hiện tượng xâm thực và dòng chảy vi mô giúp phá vỡ sự kết tụ trên hạt nhựa và cải thiện khả năng tiếp cận các vị trí phản ứng của thuốc thử. Các bước ghép nối khó vẫn có thể cần thuốc thử được tối ưu hóa, ghép nối lặp lại hoặc điều kiện phản ứng được điều chỉnh.
Có thể mở rộng quy mô tổng hợp peptide bằng siêu âm không?
Tổng hợp peptide bằng siêu âm có thể được chuyển từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sang sản xuất theo mẻ, tuần hoàn hoặc 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, đồng thời tăng công suất siêu âm, diện tích đầu phát siêu âm hoặc số lượng mô-đun xử lý.
Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính có nghĩa là gì trong xử lý bằng siêu âm?
Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính có nghĩa là năng suất xử lý có thể tăng gần như tỷ lệ thuận với công suất siêu âm được lắp đặt khi năng lượng yêu cầu trên một đơn vị thể tích và các điều kiện quy trình khác được giữ không đổi. Ví dụ, tăng gấp đôi công suất siêu âm hiệu dụng có thể làm lưu lượng tăng gần gấp đôi, với điều kiện hình học của thiết bị phản ứng, nhiệt độ và các mục tiêu về chất lượng sản phẩm được giữ nguyên.
Tại sao thiết bị siêu âm Hielscher phù hợp để mở rộng quy mô sản xuất peptide?
Các thiết bị siêu âm Hielscher bao phủ các dải công suất cho quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp, sử dụng các thông số vận hành nhất quán và có thể kiểm soát. Biên độ có thể điều chỉnh, tính năng ghi dữ liệu tự động, giám sát nhiệt độ và áp suất, khả năng tương thích với buồng dòng chảy cùng các cấu hình mô-đun hỗ trợ chuyển giao quy trình có khả năng tái lập và sản xuất đáng tin cậy.
Thiết bị siêu âm Hielscher có thể vận hành trong sản xuất peptide liên tục không?
Có. Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher có thể được tích hợp vào các vòng tuần hoàn và thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy liên tục lắp trực tiếp trên đường ống. Các cấu hình này cho phép kiểm soát thời gian lưu và năng lượng đầu vào, đồng thời giảm sự khác biệt giữa các mẻ. Các hệ thống công nghiệp được thiết kế để vận hành liên tục 24/7 trong điều kiện sản xuất khắt khe.
Bể siêu âm hay thiết bị siêu âm dạng đầu dò tốt hơn cho tổng hợp peptide?
Bể siêu âm có thể thuận tiện cho việc sàng lọc ban đầu và xử lý đồng thời các bình kín nhỏ. Thiết bị siêu âm dạng đầu dò truyền 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 lớn hơn. Do đó, đầu dò và buồng dòng chảy thường được ưu tiên cho sản xuất ở quy mô thí điểm và công nghiệp.
Nhiệt độ được kiểm soát như thế nào trong quá trình tổng hợp peptide bằng siêu âm?
Do quá trình xử lý bằng siêu âm đưa năng lượng vào hỗn hợp phản ứng, việc làm mát hiệu quả là thiết yếu. Thiết bị siêu âm Hielscher có các tùy chọn bình có áo trao đổi nhiệt, bộ trao đổi nhiệt bên ngoài, tuần hoàn có kiểm soát nhiệt độ và xử lý siêu âm dạng xung để ngăn ngừa quá nhiệt một cách hiệu quả. Cảm biến nhiệt độ dạng cắm và các giới hạn nhiệt độ có thể lập trình cho phép giám sát và ghi nhận nhiệt độ đáng tin cậy trong suốt quá trình phát triển và sản xuất.
Làm thế nào để chọn thiết bị siêu âm Hielscher cho tổng hợp peptide?
Việc lựa chọn phụ thuộc vào thể tích mẻ, lưu lượng mong muốn, dung môi, độ nhớt, nồng độ chất rắn hoặc hạt nhựa, năng lượng riêng cần thiết và lịch trình sản xuất. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm xác định khoảng điều kiện vận hành hiệu quả của quy trình, sau đó có thể lựa chọn công suất và kích thước phù hợp cho thiết bị siêu âm Hielscher, đầu phát siêu âm và cấu hình buồng dòng chảy để đáp ứng năng suất xử lý dự kiến.
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.
- 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 các thiết bị đồng nhất hóa bằng siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.