Synthèse peptidique : méthode en phase solide, en solution et méthodes de production

La synthèse peptidique est un processus contrôlé de création de chaînes d'acides aminés ayant une séquence spécifique. Dans la synthèse chimique, les acides aminés choisis sont reliés entre eux par liaisons peptidiques, tout en contrôlant d'autres groupes réactifs présents dans ces molécules. Le but n'est donc pas seulement de lier des acides aminés, mais d'obtenir une structure moléculaire spécifique avec une séquence, une stéréochimie, une structure des extrémités de chaîne et – si nécessaire – des caractéristiques structurales supplémentaires déterminées.

Parmi les principales méthodes figurent la synthèse peptidique sur phase solide (SPPS), la synthèse classique en solution et les méthodes plus récentes de synthèse peptidique en phase liquide (LPPS), qui utilisent des supports solubles ou des marqueurs moléculaires. Les laboratoires de recherche et les unités de production peuvent également combiner différentes approches, préparer séparément des fragments plus courts pour les assembler ensuite, ou utiliser l'expression biologique si elle s'avère plus adaptée à une séquence donnée.

La comparaison de la synthèse chimique et de l'expression bactérienne de polypeptides constitués de 20 à 40 résidus d'acides aminés met en évidence un principe important : le choix pratique de la méthode de production dépend de la molécule spécifique, de sa séquence, de sa propension à l'agrégation, des modifications requises, de l'échelle de production et des exigences analytiques. [1]

L'obtention de la séquence d'acides aminés souhaitée n'est qu'une étape de la production du peptide.

Tout le processus peut inclure :

conception de la séquence → préparation des blocs de construction → protection des groupes fonctionnels → couplage → déprotection → assemblage de la chaîne → clivage ou ligature des fragments → repliement final de la structure → purification → confirmation de l'identité → analyse des impuretés → détermination de la teneur → caractérisation finale.

Pour certains peptides, des étapes supplémentaires sont également nécessaires, telles que la cyclisation, la formation de ponts disulfures, le repliement, la conjugaison ou d'autres modifications chimiques.

Pour cette raison, l'assemblage correct de la chaîne ne signifie pas automatiquement que le matériel final possède l'identité, la pureté, la stéréochimie, la conformation, la stabilité ou d'autres caractéristiques requises.

Qu'est-ce que la synthèse des peptides ?

Création d'une séquence d'acides aminés spécifique

Peptide il est composé de résidus d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques.

Le but de la synthèse peptidique est de créer ces liaisons dans un ordre prédéterminé, souvent tout en contrôlant :

• de type d'acides aminés ;
• ordre des acides aminés dans la séquence;
• stéréochimie;
• structures N-terminales;
• structures de l'extrémité C;
• modification des chaînes latérales;
• les positions des ponts disulfure;
• cyclisation;
• d'autres caractéristiques structurelles requises.

La séquence revêt une importance fondamentale, car une composition en acides aminés identique peut donner lieu à des molécules différentes si les acides aminés se trouvent dans un ordre différent.

Affirmer qu'une molécule donnée est „ un peptide composé de cinq acides aminés ” fournit donc très peu d'informations sur sa structure réelle. Pour décrire correctement la molécule, il faut connaître la nature des acides aminés, leur ordre, leur stéréochimie, les groupes terminaux ainsi que d'éventuelles modifications supplémentaires.

Deux peptides peuvent ainsi avoir exactement la même composition en acides aminés et pourtant être des structures moléculaires différentes.

Des différences supplémentaires peuvent résulter de modifications des extrémités de chaîne, de la présence de ponts disulfure, d'un squelette cyclique, de modifications des chaînes latérales ou d'une configuration stéréochimique différente.

La synthèse chimique des peptides utilise généralement des acides aminés dont les groupes réactifs ont été sélectivement protégés.

Les groupes protecteurs temporaires permettent de créer une liaison chimique spécifique voulue tout en limitant les réactions concurrentes sur d'autres sites de la molécule.

Au cours des étapes de synthèse suivantes, ces groupes sont éliminés ou modifiés.

Réaction contrôlée au lieu d'une connexion spontanée

Dans les descriptions chimiques de base, la formation d'une liaison peptidique est souvent présentée comme une réaction de condensation, dans laquelle deux acides aminés s'unissent avec l'élimination nette d'une molécule d'eau.

Une telle équation décrit le bilan global de la réaction.

Il ne faut cependant pas l'assimiler à la manière dont on réalise en pratique la synthèse peptidique contrôlée.

Le seul mélange d'acides aminés libres ne permettrait pas de déterminer de manière fiable :

• quel groupe aminé doit réagir;
• quel groupe carboxyle doit réagir ;
• quel aminokwas doit être le premier ;
• qui doit se trouver en second ;
• est-ce que les chaînes latérales vont commencer à réagir ;
• La stéréochimie sera-t-elle conservée ?;
• ne se formera-t-il pas de nombreux produits indésirables.

Dans la synthèse chimique pratique, on utilise donc des stratégies contrôlées d'activation et de protection des groupes fonctionnels.

Un groupe dérivé d'un groupe carboxyle est généralement activé de manière à pouvoir réagir efficacement avec un groupe aminé choisi. Les groupes protecteurs, l'ordre des réactions, la chimie du support, les réactifs de couplage, l'environnement du solvant et les méthodes d'isolement contribuent conjointement à orienter la réaction vers le produit souhaité.

La synthèse efficace d'un peptide exige donc le contrôle tant de la chimie qui doit avoir lieu que de celle qu'il faut éviter.

Un bon exemple est la formation d'aspartimide.

Les chercheurs ont développé une méthode alternative de protection du groupe carboxyle, dont le but était de limiter cette réaction secondaire problématique lors de l'assemblage du peptide. [2]

L'étude révèle un principe plus large de la chimie des peptides : la prévention des transformations moléculaires indésirables peut être tout aussi importante que la formation de la liaison peptidique appropriée.

Quand peut-on considérer qu'un peptide est prêt ?

La fin de la création du squelette peptidique linéaire ne signifie pas toujours la fin de toute la synthèse.

Selon la molécule cible, des étapes supplémentaires peuvent être nécessaires après l'assemblage de la chaîne.

Elles peuvent inclure :

• déprotection totale;
• clivage du peptide du support solide;
• suppression des balises temporaires;
• cyclisation;
• oxydation;
• formation de ponts disulfure ;
• plissement;
• conjugaison;
• modification des extrémités de chaîne;
• nettoyage;
• caractéristique analytique.

Certains peptides nécessitent relativement peu de modifications structurelles supplémentaires après l'assemblage de la chaîne.

Pour d'autres, les étapes ultérieures sont cruciales.

Un bon exemple est la synthèse de l'inhibiteur trypsique pancréatique bovin (BPTI). Les chercheurs ont assemblé une séquence linéaire, purifié le matériel, puis obtenu une structure repliée contenant des ponts disulfures. Selon les analyses et les comparaisons fonctionnelles présentées dans l'étude, le matériel final à séquence naturelle correspondait à la protéine naturelle pour les paramètres étudiés. [3]

Cet exemple montre la différence entre l'assemblage du squelette peptidique et l'obtention de la forme moléculaire finale entièrement caractérisée.

La méthode qui permet d'obtenir une séquence linéaire correcte ne confirme pas automatiquement :

• du repliement correct;
• du bon arrangement des ponts disulfures ;
• activité biologique;
• de la stabilité;
• profil de pollution ;
• d'adéquation à un usage particulier.

Chacune de ces questions nécessite des preuves distinctes.

Synthèse chimique, expression biologique et méthodes combinées

Dans la synthèse chimique des peptides, des blocs moléculaires préparés au préalable sont assemblés lors de réactions de laboratoire contrôlées.

L'expression biologique utilise quant à elle la machinerie cellulaire pour produire la séquence d'acides aminés codée. Ensuite, le matériel doit être récupéré, purifié et, si nécessaire, soumis à un traitement ultérieur.

Les deux méthodes peuvent conduire à l'obtention de peptides ou de polypeptides, mais elles impliquent des possibilités et des limites différentes.

La synthèse chimique peut s'avérer particulièrement utile lorsque l'on a besoin de :

• acides aminés non standard sélectionnés;
• modifications chimiques spécifiques à un site;
• structures spécifiques des extrémités de chaîne;
• traceurs isotopiques;
• modifications du squelette peptidique;
• d'autres caractéristiques difficiles à obtenir par l'expression biologique standard.

L'expression biologique peut être intéressante dans le cas de séquences plus longues appropriées ou de stratégies de marquage spécifiques, mais elle n'élimine pas les problèmes rencontrés lors des étapes ultérieures de production.

Il faut également tenir compte de la récupération des matériaux, du repliement, du traitement, des contaminants d'origine hôte, de la purification et de la caractérisation analytique.

Aucune méthode n'est donc universellement la meilleure.

Dans la comparaison de polypeptides composés de 20 à 40 résidus d'acides aminés, à la fois la longueur de la séquence et sa propension à l'agrégation ont influencé les résultats de la synthèse en phase solide et de l'expression bactérienne. [1]

Ces observations soutiennent l'approche selon laquelle la méthode de production est choisie en fonction de chaque molécule spécifique.

Les données historiques concernant le rendement, les coûts, les équipements et le temps de production ne doivent pas être considérées comme des valeurs contemporaines universelles, car les technologies, les réactifs, l'automatisation, les méthodes de purification et l'économie de production évoluent avec le développement technologique.

Synthèse peptidique en phase solide

La chaîne croissante est attachée à un support insoluble

Dans la synthèse peptidique sur phase solide (SPPS), la chaîne peptidique en croissance reste liée à un support insoluble au cours des cycles successifs de synthèse.

Le support est le plus souvent une résine polymère fonctionnalisée.

Le connecteur, ou linker, lie le peptide au support et influence, entre autres, le mode de libération ultérieure de la chaîne obtenue ainsi que le type de groupe terminal obtenu.

L'un des principaux avantages pratiques du SPPS est de faciliter la répartition du matériel.

À la fin d'une étape de réaction spécifique, les réactifs solubles et de nombreux sous-produits solubles peuvent être éliminés par lavage, tandis que le peptide en croissance reste lié à la phase solide.

Cela évite d'avoir à isoler et purifier le peptide en croissance en tant que composé libre distinct après l'ajout de chaque nouvel acide aminé.

Cette commodité peut cependant conduire à un malentendu important.

Le lavage de la résine ne signifie pas que tous les peptides incorrects ont été éliminés.

Si la chaîne liée à la résine ne réagit pas lors d'une étape de couplage, elle peut toujours rester sur le support.

Dans les cycles suivants, il peut réagir à nouveau et continuer à s'allonger.

Il en résulte qu'une séquence de délétion peut se former, c'est-à-dire une molécule qui diffère du peptide cible par l'absence d'un ou de plusieurs résidus d'acides aminés.

Podobnie chemicznie zmodyfikowane lub niecałkowicie odbezpieczone łańcuchy związane z żywicą mogą uczestniczyć w kolejnych etapach syntezy.

SPPS upraszcza więc rozdzielanie substancji rozpuszczalnych od materiału związanego z żywicą.

Nie gwarantuje jednak idealnej zgodności sekwencji.

Powtarzający się cykl odbezpieczania i sprzęgania

Typowa etapowa synteza SPPS obejmuje powtarzanie trzech podstawowych operacji:

odbezpieczenie → sprzęganie → przemywanie.

Najpierw odsłaniana jest reaktywna grupa aminowa znajdująca się na końcu rosnącego łańcucha.

Następnie do łańcucha przyłączany jest kolejny zabezpieczony aminokwas.

Rozpuszczalne odczynniki, nadmiar aminokwasu i wiele produktów reakcji są usuwane przed rozpoczęciem następnego cyklu.

Powtarzanie tego procesu umożliwia budowanie peptydu po jednej reszcie aminokwasowej.

W klasycznej SPPS reszta C-końcowa jest zazwyczaj przyłączana do nośnika jako pierwsza, a następnie łańcuch wydłuża się w kierunku N-końca.

Różni się to od standardowej rybosomalnej syntezy białek, podczas której kolejne aminokwasy są dołączane do C-końca rosnącego łańcucha.

Końcowa kolejność aminokwasów może jednak być identyczna, mimo że kierunek i chemia procesu składania są inne.

Określenia „cykl” nie należy rozumieć jako jednego uniwersalnego zestawu warunków reakcji odpowiedniego dla każdej reszty i każdej sekwencji.

Przebieg reakcji może zależeć od:

• strategii grup ochronnych;
• rodzaju aminokwasu;
• warunków przestrzennych wokół miejsca reakcji;
• rodzaju żywicy;
• linkera;
• długości łańcucha;
• agregacji;
• rozpuszczalnika;
• chemii sprzęgania;
• zachowania strukturalnego rosnącego peptydu.

Reakcja przebiegająca łatwo na początku syntezy może stać się znacznie trudniejsza na późniejszym etapie.

Dlatego monitorowanie procesu pozostaje istotne nawet w wysoce zautomatyzowanych systemach.

Dlaczego właściwości żywicy mają znaczenie?

Stały nośnik nie jest jedynie biernym uchwytem.

Jego właściwości fizyczne i chemiczne mogą bezpośrednio wpływać na przebieg reakcji.

Jednym z ważnych parametrów jest pęcznienie.

Jeśli żywica prawidłowo pęcznieje w wybranym środowisku rozpuszczalnika, odczynniki mogą łatwiej docierać do miejsc reaktywnych znajdujących się w całej strukturze polimeru.

Niewystarczające pęcznienie lub zmiany struktury żywicy mogą ograniczać ten dostęp.

Znaczenie mogą mieć również:

• gęstość obsadzenia;
• architektura polimeru;
• struktura linkera;
• zgodność z rozpuszczalnikami;
• stabilność mechaniczna;
• porowatość;
• właściwości dyfuzyjne;
• oddziaływania pomiędzy rosnącymi łańcuchami peptydowymi.

Wraz ze wzrostem długości peptydu poszczególne łańcuchy mogą również oddziaływać ze sobą.

Agregacja na żywicy może ograniczać dostęp do miejsc reaktywnych i prowadzić do niepełnego sprzęgania lub niepełnego odbezpieczania.

Oznacza to, że sekwencja zachowująca się prawidłowo na początku syntezy może stawać się coraz trudniejsza wraz z wydłużaniem łańcucha.

Badacze opracowali reaktor przepływowy ze zmiennym złożem, który umożliwiał monitorowanie pęcznienia żywicy na podstawie pomiarów związanych z ciśnieniem. [4]

Badanie dotyczyło agregacji na żywicy i niepełnego tworzenia wiązań jako problemów procesowych, które w innych warunkach mogą być trudne do bezpośredniego zaobserwowania podczas syntezy.

Pokazuje to, że monitorowanie fizycznego zachowania nośnika może dostarczać informacji wykraczających poza samo rejestrowanie dodawanych odczynników.

Do czego służy żywica Wanga?

Chemia linkerów typu Wang jest powszechnie wykorzystywana w SPPS, gdy po odłączeniu peptydu pożądany jest C-koniec w postaci kwasu karboksylowego.

Peptyd jest przyłączony za pomocą wiązania o charakterze estrowym, które można później rozszczepić w odpowiednich warunkach.

Inne systemy linkerów mogą być wybierane wtedy, gdy potrzebna jest odmienna struktura C-końca, na przykład amid.

Warto rozróżniać chemię linkera od całego fizycznego nośnika.

Powiązane linkery typu Wang mogą być wprowadzane do różnych architektur polimerowych.

Materiały takie nie muszą mieć identycznych:

• właściwości pęcznienia;
• pojemności;
• zgodności z rozpuszczalnikami;
• właściwości mechanicznych;
• zachowania podczas reakcji.

Badania z wykorzystaniem nośników peptydyl-Wang-TentaGel wykazały specjalistyczną alternatywną metodę otrzymywania hydrazydów peptydowych, które są użytecznymi półproduktami w chemii peptydów. [5]

Nie oznacza to, że standardowe odszczepianie z żywicy Wanga prowadzi zwykle do powstawania hydrazydów peptydowych.

Pokazuje natomiast ważną zasadę:

nośnik + linker + warunki reakcji + chemia odszczepiania wspólnie określają otrzymywany produkt.

Synteza SPPS w układzie okresowym i przepływowym

SPPS można prowadzić w klasycznych naczyniach okresowych lub w systemach, w których odczynniki przepływają przez reaktor zawierający stały nośnik.

Systemy przepływowe mogą umożliwiać szybką wymianę odczynników oraz dokładniejszą kontrolę środowiska chemicznego otaczającego żywicę.

W badaniu z 2014 roku przedstawiono szybką syntezę peptydów w układzie przepływowym z ciągłym monitorowaniem i zastosowano ją do kilku peptydów oraz małego białka. [6]

W późniejszym badaniu zautomatyzowanym opisano znacznie szybsze składanie łańcuchów, uzyskując dla analizowanych przykładów czystość surowego produktu i wydajność po izolacji porównywalne z klasyczną syntezą okresową. [7]

Badania te pokazują możliwości konkretnych systemów w określonych warunkach.

Nie dowodzą jednak, że każdy peptyd można wytwarzać równie szybko i z taką samą jakością.

Czas potrzebny do wyprodukowania peptydu obejmuje również znacznie więcej niż samo składanie łańcucha.

Całkowity proces może obejmować:

• przygotowanie odczynników;
• przygotowanie żywicy;
• sprzęganie;
• odbezpieczanie;
• przemywanie;
• odszczepianie;
• obróbkę produktu;
• nettoyage;
• usuwanie rozpuszczalników;
• końcowe kształtowanie struktury;
• analyses de laboratoire;
• dokumentację.

Szybkie tworzenie wiązań jest więc tylko jednym z elementów całkowitej efektywności produkcji.

Synteza w fazie ciekłej

Co oznacza ten termin?

Określenie „synteza peptydów w fazie ciekłej” może być używane w kilku znaczeniach.

W szerokim ujęciu może po prostu oznaczać syntezę peptydu prowadzoną w roztworze.

W bardziej specjalistycznej literaturze często rozróżnia się jednak:

1. klasyczną syntezę peptydów w roztworze;
2. syntezę peptydów na fazie stałej;
3. nowsze metody LPPS, w których rosnący łańcuch posiada rozpuszczalny znacznik lub nośnik.

Rozróżnienie to jest ważne, ponieważ zmienia się sposób rozdzielania i odzyskiwania produktu.

Swobodnie rozpuszczony, zabezpieczony półprodukt peptydowy może wymagać izolacji z wykorzystaniem jego własnych właściwości fizycznych i chemicznych.

W przypadku znakowanego półproduktu znacznik może zostać zaprojektowany tak, aby ułatwiać wytrącanie, ekstrakcję, zatrzymywanie na membranie lub inny sposób rozdzielania.

Przegląd dotyczący LPPS wyraźnie rozróżnia klasyczną syntezę w roztworze, SPPS i metody wykorzystujące rozpuszczalne znaczniki. [8]

Publikacja jest przydatna do uporządkowania terminologii i metodologii.

Nie powinna jednak być interpretowana jako pojedynczy eksperyment dowodzący, że jedna z metod jest najlepsza dla każdego peptydu.

Klasyczna synteza peptydów w roztworze

W klasycznej syntezie w roztworze zabezpieczone aminokwasy, półprodukty peptydowe lub fragmenty pozostają rozpuszczone w środowisku reakcji zamiast być kowalencyjnie przyłączone do nierozpuszczalnej żywicy.

Po zakończeniu reakcji odpowiedni półprodukt może zostać wyizolowany, oczyszczony i w razie potrzeby scharakteryzowany przed rozpoczęciem kolejnego etapu.

Może to przynosić pewne korzyści.

Badacze mogą:

• charakteryzować poszczególne półprodukty;
• dobierać metodę oczyszczania do konkretnego półproduktu;
• optymalizować poszczególne przemiany;
• przygotowywać fragmenty niezależnie;
• modyfikować trasę syntezy, gdy określony półprodukt sprawia problemy.

Synteza w roztworze może jednak wiązać się również ze znacznymi trudnościami.

Wraz z wydłużaniem łańcucha peptydy mogą:

• stawać się słabo rozpuszczalne;
• agregować;
• być trudne do krystalizacji;
• tworzyć blisko spokrewnione zanieczyszczenia;
• być trudne do rozdzielenia;
• wymagać wielokrotnej izolacji;
• powodować straty materiału podczas kolejnych etapów obróbki.

Synteza w roztworze nie jest więc automatycznie prostsza ani łatwiejsza do skalowania niż SPPS.

Jej przydatność zależy od konkretnej sekwencji, stabilności półproduktów, rozpuszczalności, długości trasy syntezy, zachowania podczas oczyszczania oraz efektywności kolejnych etapów izolacji.

Rozwój znakowanych strategii LPPS częściowo wynika z prób rozwiązania właśnie tych problemów związanych z separacją i obsługą materiału. [8]

Rozpuszczalne znaczniki łączą projektowanie reakcji z projektowaniem separacji

W znakowanej LPPS rosnący peptyd posiada tymczasowe przyłączenie molekularne zaprojektowane w taki sposób, aby wpływać na jego właściwości fizyczne.

Znacznik może umożliwiać utrzymanie wystarczającej rozpuszczalności peptydu podczas reakcji, a następnie ułatwiać jego selektywne odzyskanie.

W zależności od technologii rozdzielanie może wykorzystywać:

• wytrącanie;
• ekstrakcję;
• zatrzymywanie na membranie;
• zachowanie fazowe;
• inne właściwości wynikające z obecności znacznika.

W jednej z eksperymentalnych strategii wykorzystano długołańcuchową grupę ochronną na C-końcu do przygotowania amidów peptydowych.

Powtarzane reakcje i etapy wytrącania umożliwiły badaczom przygotowanie hydrofobowego peptydu, który w zastosowanym przez nich porównaniu był trudny do uzyskania zadowalająco metodą SPPS. [9]

Pokazuje to przydatność tej konkretnej strategii dla analizowanej sekwencji.

Nie dowodzi jednak uniwersalnej przewagi syntezy znakowanej.

Znacznik staje się elementem procesu produkcyjnego i rodzi własne pytania:

• Jak skutecznie jest przyłączany?
• Czy zmienia przebieg reakcji?
• Jak niezawodnie można odzyskać znakowany półprodukt?
• Czy prowadzi do powstawania nowych zanieczyszczeń?
• W jaki sposób jest usuwany?
• Czy można potwierdzić całkowite usunięcie?
• Jakie metody analityczne potwierdzają jego brak w produkcie końcowym?

Rozpuszczalne znaczniki należy więc traktować jako funkcjonalne elementy projektu procesu, a nie wyłącznie jako proste etykiety.

Porównanie głównych metod

Porównanie przedstawia ogólne zasady działania poszczególnych metod.

Nie określa, która z nich zapewni najlepszą wydajność, czystość, koszt, zrównoważenie środowiskowe czy możliwość skalowania dla konkretnej sekwencji.

Parametry te należy oceniać na podstawie rzeczywistej cząsteczki i konkretnego procesu produkcyjnego. [4] [8] [9]

Łączenie fragmentów i produkcja hybrydowa

Peptyd nie zawsze musi być tworzony w jednym nieprzerwanym procesie polegającym na dodawaniu kolejnych reszt aminokwasowych.

Alternatywną strategią jest oddzielne przygotowanie krótszych fragmentów peptydowych, a następnie ich połączenie.

Proces hybrydowy może na przykład wykorzystywać SPPS do otrzymywania poszczególnych fragmentów oraz chemię w roztworze do ich łączenia.

Strategie fragmentowe mogą ograniczać niektóre problemy związane z bardzo długą syntezą etapową.

Wprowadzają jednak nowe wyzwania, takie jak:

• wybór odpowiedniego miejsca połączenia;
• rozpuszczalność fragmentów;
• aktywacja miejsca łączenia;
• chemoselektywność;
• zachowanie stereochemii;
• effets secondaires;
• oczyszczanie fragmentów;
• oczyszczanie po ich połączeniu.

Ważnym przykładem kontrolowanego łączenia fragmentów jest natywna ligacja chemiczna.

W klasycznej wersji tioester peptydowy reaguje z drugim peptydem zawierającym N-końcową cysteinę. Następujące później przegrupowanie prowadzi do utworzenia prawidłowego wiązania w szkielecie peptydowym w miejscu ligacji.

Pierwotne badania wykazały możliwość uzyskania po ligacji i fałdowaniu białka zawierającego mostki disiarczkowe. [10]

Potwierdza to znaczenie tej strategii łączenia fragmentów.

Nie oznacza jednak, że dowolne dwa niezmodyfikowane fragmenty peptydowe mogą spontanicznie się połączyć.

Sprzęganie i grupy ochronne

Sprzęganie tworzy zamierzone połączenie

Sprzęganie jest etapem reakcji, podczas którego pomiędzy wybranymi jednostkami powstaje nowe wiązanie peptydowe.

Zazwyczaj grupa pochodząca od grupy karboksylowej jest aktywowana tak, aby mogła skutecznie reagować z odpowiednią grupą aminową.

Chemia aktywacji musi być zgodna z:

• rosnącą sekwencją;
• tymczasowymi grupami ochronnymi;
• ochroną łańcuchów bocznych;
• stereochemią;
• nośnikiem lub znacznikiem;
• środowiskiem rozpuszczalnika;
• innymi grupami funkcyjnymi obecnymi w cząsteczce.

Skuteczne sprzęganie jest szczególnie ważne w syntezie etapowej, ponieważ niepełna reakcja może prowadzić do powstawania sekwencji delecyjnych.

Jeżeli jeden etap dodawania aminokwasu nie powiedzie się dla części rosnących łańcuchów, takie łańcuchy mogą pozostać w układzie i uczestniczyć w kolejnych cyklach.

W efekcie mogą powstać cząsteczki bardzo podobne do docelowego peptydu, ale pozbawione jednej reszty.

Nawet niewielkie nieefektywności mogą więc kumulować się podczas wielu etapów syntezy.

Prosty przykład matematyczny dobrze ilustruje ten problem.

Jeżeli każdy z 50 niezależnych etapów składania miałby 99% prawdopodobieństwa powodzenia, odsetek cząsteczek, dla których wszystkie etapy zakończyłyby się sukcesem, wynosiłby:

0,99^50 ≈ 0,605

czyli około 61%.

Jest to wyłącznie ilustracja matematyczna.

Nie stanowi prognozy rzeczywistej czystości ani wydajności syntezy peptydu zawierającego 50 reszt.

Rzeczywista produkcja obejmuje:

• różne wydajności sprzęgania w poszczególnych pozycjach;
• etapy odbezpieczania;
• effets secondaires;
• zależne od sekwencji trudności;
• strategie ponownego sprzęgania;
• straty podczas odszczepiania;
• straty podczas oczyszczania;
• inne zmienne procesowe.

Obliczenie pokazuje jedynie, dlaczego nawet pozornie niewielka nieefektywność pojedynczego etapu może nabrać dużego znaczenia w wieloetapowej syntezie.

Grupy ochronne kontrolują miejsce reakcji

Aminokwas może posiadać kilka chemicznie reaktywnych grup.

Bez selektywnej kontroli reakcje sprzęgania mogłyby zachodzić w niepożądanych miejscach.

Grupy ochronne tymczasowo blokują wybrane miejsca reaktywne.

Grupa aminowa wykorzystywana do wydłużania łańcucha zazwyczaj wymaga tymczasowej ochrony, natomiast reaktywne łańcuchy boczne mogą wymagać zabezpieczenia pozostającego na miejscu przez wiele cykli syntezy.

Połączenie z nośnikiem również musi przetrwać te etapy aż do momentu zaplanowanego odszczepienia.

Wybór grup ochronnych wpływa więc na całą strategię syntezy.

Należy uwzględnić:

• sposób ich wprowadzania;
• stabilité;
• sposób usuwania;
• zgodność z innymi grupami ochronnymi;
• zgodność z nośnikiem;
• effets secondaires;
• wpływ konkretnej sekwencji;
• końcowe warunki odbezpieczania.

Badania wykorzystujące ochronę opartą na cyjanosulfurylidzie dotyczyły powstawania aspartimidu poprzez zmianę sposobu zabezpieczenia grupy karboksylowej. [2]

Wyniki pokazują, że strategia grup ochronnych wpływa nie tylko na to, czy zamierzona reakcja może zajść, ale również na to, jakie niepożądane reakcje stają się możliwe.

Fmoc, Boc i ochrona ortogonalna

Fmoc i Boc należą do szeroko stosowanych grup chroniących grupy aminowe.

Istotnie różnią się sposobem usuwania.

Fmoc jest zazwyczaj usuwany w warunkach zasadowych, natomiast Boc jest wrażliwy na warunki kwaśne.

Właściwości te pozwalają stosować je jako elementy szerszych strategii ochrony.

W popularnej SPPS opartej na Fmoc tymczasowa ochrona N-końcowa Fmoc jest wielokrotnie usuwana, podczas gdy wybrane grupy ochronne łańcuchów bocznych oraz połączenie z żywicą pozostają nienaruszone do późniejszych etapów.

Inne strategie mogą wykorzystywać odmienne kombinacje.

Szczególnie ważnym pojęciem jest ochrona ortogonalna.

Dwie grupy ochronne są uznawane za ortogonalne, jeśli jedną można selektywnie usunąć w warunkach, w których druga pozostaje wystarczająco stabilna, aby możliwe było dalsze prowadzenie syntezy.

Ortogonalność jest więc praktyczną relacją zgodności chemicznej.

Nie oznacza, że każda zabezpieczona grupa pozostanie całkowicie niezmieniona po nieograniczonej liczbie ekspozycji na wszystkie warunki reakcji.

Reakcje uboczne nadal mogą występować.

W badaniach syntezy Fmoc opisano zarówno powstawanie aspartimidu, jak i niepożądane zmiany stereochemiczne mimo zakładanej selektywności ogólnej strategii ochronnej. [11]

Stereochemia jest częścią tożsamości cząsteczki

Wiele aminokwasów posiada centrum chiralne.

Oznacza to, że ich atomy mogą przyjmować różne układy przestrzenne odpowiadające różnym formom stereochemicznym.

Zmiana konfiguracji jednego centrum stereogenicznego może prowadzić do powstania innej struktury peptydu bez konieczności zmiany jego nominalnej masy.

Dlatego sama masa nie może potwierdzić pełnej tożsamości peptydu.

Epimeryzacja zazwyczaj oznacza zmianę konfiguracji jednego centrum stereogenicznego w cząsteczce zawierającej kilka takich centrów.

Racemizacja jest również często omawiana w chemii peptydów w kontekście utraty integralności stereochemicznej reszt aminokwasowych.

Zmiany te są istotne, ponieważ rozpoznawanie molekularne może silnie zależeć od przestrzennego ułożenia atomów.

Dwie cząsteczki o tym samym składzie pierwiastkowym i nominalnej masie mogą więc zachowywać się inaczej, jeśli różnią się stereochemią.

W badaniu syntezy Fmoc wspomaganej mikrofalami stwierdzono, że niektóre reszty były podatne na niepożądane zmiany stereochemiczne w zastosowanych warunkach. Modyfikacja metody ograniczała występowanie tych reakcji. [11]

Nie oznacza to, że ogrzewanie z definicji uszkadza wszystkie peptydy.

Prawidłowy wniosek jest taki, że przyspieszanie reakcji należy oceniać razem z zależną od sekwencji selektywnością chemiczną.

Aspartimid i inne pokrewne zanieczyszczenia

Powstawanie aspartimidu jest znaną reakcją uboczną dotyczącą określonych sekwencji zawierających asparaginian.

Może powstać niepożądany cykliczny półprodukt, z którego następnie tworzą się związki o zmienionej łączności szkieletu lub stereochemii.

Prawdopodobieństwo tej reakcji zależy od sekwencji oraz warunków procesu.

Inne zanieczyszczenia związane z syntezą mogą wynikać z:

• niepełnego sprzęgania;
• niepełnego odbezpieczania;
• powstawania sekwencji delecyjnych;
• reakcji łańcuchów bocznych;
• zmian stereochemicznych;
• reakcji podczas odszczepiania;
• utleniania;
• przegrupowań;
• warunków obróbki produktu;
• niepełnego usunięcia grup ochronnych.

Niektóre zanieczyszczenia powodują łatwo zauważalną zmianę masy cząsteczkowej.

Inne są znacznie trudniejsze do rozróżnienia.

W badaniach analitycznych syntetycznego peptydu będącego substratem reniny zidentyfikowano wiele zanieczyszczeń, w tym składniki wykazujące taką samą zmianę masy, ale zawierające modyfikacje w różnych pozycjach. [12]

Do ich rozróżnienia potrzebna była dodatkowa analiza strukturalna.

Badacze traktowali również proponowane mechanizmy powstawania tych zanieczyszczeń jako hipotezy.

Jest to ważne rozróżnienie:

ustalenie, czym jest zanieczyszczenie, oraz udowodnienie dokładnego mechanizmu jego powstania to dwa odrębne pytania naukowe.

Nie należy przedstawiać prawdopodobnego mechanizmu jako potwierdzonego wyłącznie dlatego, że odpowiada obserwowanej masie cząsteczkowej.

Oczyszczanie, skalowanie i jakość produkcji

Produkt surowy, produkt oczyszczony i wydajność

Surowy peptyd to materiał otrzymany przed zakończeniem odpowiednich etapów oczyszczania.

Może zawierać:

• docelowy peptyd;
• séquences de délétion;
• materiał niecałkowicie odbezpieczony;
• zmodyfikowane sekwencje;
• pozostałości odczynników;
• produkty związane z odszczepianiem;
• sole;
• solvants;
• inne składniki powstające w procesie.

Oczyszczanie ma na celu oddzielenie właściwego peptydu od tej mieszaniny.

Należy wyraźnie rozróżnić trzy pojęcia:

czystość produktu surowego — zmierzony skład materiału przed końcowym oczyszczaniem;

wydajność produktu oczyszczonego lub wyizolowanego — ilość odzyskanego materiału docelowego względem określonej wartości początkowej lub teoretycznej;

czystość końcowa — skład wyizolowanego materiału określony za pomocą konkretnej metody analitycznej.

Pojęcia te nie są wymienne.

Proces może prowadzić do powstania dużej ilości surowego materiału, ale umożliwiać odzyskanie stosunkowo niewielkiej ilości oczyszczonego produktu.

Inny proces może dawać mniej materiału surowego, ale charakteryzować się wysoką selektywnością tworzenia produktu docelowego.

Podobnie wysoka czystość analityczna nie musi oznaczać wysokiej wydajności produkcyjnej.

W badaniach przyspieszonej syntezy przepływowej prawidłowo raportowano osobno czystość materiału surowego i wydajność po izolacji. [7]

Chromatografia rozdziela składniki, ale nie odpowiada na każde pytanie

Wysokosprawna chromatografia cieczowa w odwróconym układzie faz (RP-HPLC) jest szeroko stosowana do analizy i oczyszczania peptydów.

Różne cząsteczki w odmienny sposób oddziałują z fazą stacjonarną i ruchomą.

W odpowiednich warunkach różnice te umożliwiają rozdzielanie składników mieszaniny.

Chromatografia analityczna i preparatywna mają powiązane, ale odmienne zastosowania.

Analityczna HPLC służy przede wszystkim do badania składu próbki.

Preparatywna HPLC jest wykorzystywana do fizycznego zbierania rozdzielonych składników.

Chromatogram może dostarczać wielu wartościowych informacji.

Dużego głównego piku lub wysokiego procentowego udziału jego powierzchni nie należy jednak traktować jako pełnej charakterystyki molekularnej.

Wyniki chromatografii zależą między innymi od:

• rodzaju kolumny;
• fazy ruchomej;
• gradient;
• températures;
• metody detekcji;
• długości fali;
• przygotowania próbki;
• sposobu integracji pików;
• rozdzielczości;
• właściwości zanieczyszczeń.

Dwa związki mogą potencjalnie eluować w tym samym czasie.

Niektóre składniki próbki mogą również różnie reagować na zastosowany detektor.

Dlatego wysoka czystość powierzchniowa w HPLC nie jest równoznaczna z pełnym potwierdzeniem tożsamości molekularnej.

Badania izobarycznych zanieczyszczeń peptydowych oraz analizy chiralnej pokazują, dlaczego mogą być potrzebne uzupełniające metody analityczne. [12] [13]

Metoda analityczna musi odpowiadać konkretnemu pytaniu strukturalnemu.

Tożsamość, czystość i zawartość oznaczają różne rzeczy

W charakterystyce peptydów szczególnie ważne są trzy pojęcia.

Tożsamość odpowiada na pytanie:

Czy w próbce znajduje się zamierzona cząsteczka?

Czystość odpowiada na pytanie:

Jakie inne składniki znajdują się w próbce lub jaka część mierzonego sygnału odpowiada głównemu składnikowi?

Zawartość odpowiada na pytanie:

Ile rzeczywistego peptydu znajduje się w próbce?

Na te pytania nie zawsze można odpowiedzieć za pomocą jednego pomiaru.

Materiał zawierający peptyd może również zawierać:

• wodę;
• hypoténuse;
• sole;
• résidus de solvants;
• inne składniki związane z procesem;
• zanieczyszczenia.

Całkowita masa odważonego materiału nie musi więc odpowiadać masie samego peptydu.

Podobnie zgodność zmierzonej masy cząsteczkowej z wartością teoretyczną nie potwierdza:

• kompletnej sekwencji aminokwasowej;
• prawidłowej łączności poszczególnych reszt;
• integralności stereochemicznej;
• les positions des ponts disulfure;
• fałdowania;
• braku izobarycznych zanieczyszczeń.

Spektrometria mas może dostarczać silnych dowodów dotyczących masy cząsteczkowej.

Tandemowa spektrometria mas i inne techniki strukturalne mogą dostarczać dodatkowych informacji o sekwencji.

Metody chiralne pozwalają analizować zagadnienia stereochemiczne, których nie można rozstrzygnąć zwykłym pomiarem masy.

W jednym z badań analitycznych uwzględniono nawet racemizację powstającą podczas przygotowania próbki. Pokazuje to kolejną ważną zasadę: sama procedura analityczna może powodować artefakty, jeśli nie zostanie odpowiednio zaprojektowana. [13]

Fałdowanie i aktywność mogą wymagać osobnego potwierdzenia

W przypadku strukturalnie ograniczonych peptydów i małych białek prawidłowa sekwencja oraz masa cząsteczkowa nadal mogą być niewystarczające do potwierdzenia zamierzonej struktury końcowej.

Dodatkowe pytania mogą obejmować:

• Czy powstały właściwe mostki disiarczkowe?
• Czy cząsteczka przyjęła oczekiwaną konformację?
• Czy cyklizacja jest kompletna?
• Czy obecne są izomery strukturalne?
• Czy syntetyczna cząsteczka wykazuje oczekiwaną aktywność w określonym teście eksperymentalnym?

W badaniu syntezy BPTI wykorzystano kilka metod analitycznych i biofizycznych wraz z oceną hamowania trypsyny. [3]

Łączne wyniki wspierały zgodność syntetycznego materiału o naturalnej sekwencji z naturalnym białkiem w zakresie badanych kryteriów.

Test aktywności odpowiada jednak na określone pytanie funkcjonalne.

Nie zastępuje analizy zanieczyszczeń.

Podobnie podobna aktywność w jednym teście nie potwierdza pełnej równoważności wszystkich właściwości biologicznych, strukturalnych czy produkcyjnych.

Skalowanie produkcji zmienia więcej niż tylko ilość materiału

Zwiększenie skali produkcji nie polega wyłącznie na proporcjonalnym zwiększeniu ilości wszystkich odczynników.

Procesy fizyczne mogą zachowywać się inaczej przy większej skali.

Znaczenie mogą mieć:

• mieszanie;
• wymiana ciepła;
• rozprowadzanie odczynników;
• dyfuzja;
• pęcznienie żywicy;
• ciśnienie;
• filtracja;
• gospodarka rozpuszczalnikami;
• wytrącanie;
• rozpuszczalność półproduktów;
• transport masy;
• możliwości systemu oczyszczania.

Czynniki te mogą wpływać zarówno na przebieg reakcji, jak i na powstawanie zanieczyszczeń.

Oczyszczanie na późniejszych etapach również może stać się wąskim gardłem całej produkcji.

Zwiększenie szybkości syntezy ma ograniczone znaczenie, jeśli system oczyszczania nie jest w stanie skutecznie rozdzielić powstających zanieczyszczeń lub odzyskać produktu o wymaganej jakości.

W analizie przemysłowej obejmującej 40 procesów syntezy peptydów z 14 firm farmaceutycznych oceniano zużycie materiałów podczas syntezy, oczyszczania i izolacji. [14]

Badanie pokazuje, dlaczego ocenę produkcji należy prowadzić dla całego procesu.

Nie oznacza jednak, że każda fabryka, sekwencja lub technologia produkcyjna osiąga identyczne wyniki.

Jakość produkcji jest wynikiem wielu elementów kontroli

Wiarygodna produkcja peptydów wymaga czegoś więcej niż uzyskania jednego satysfakcjonującego wyniku analitycznego.

Kontrolowany proces zazwyczaj obejmuje kilka powiązanych elementów:

zdefiniowana cząsteczka docelowa → odpowiednie materiały wyjściowe → kontrolowana synteza → kontrolowane oczyszczanie → właściwe pobieranie próbek → zwalidowana lub odpowiednia do celu analiza → dokumentacja partii.

Dokumentacja partii łączy wyniki analityczne z materiałem, który rzeczywiście został wyprodukowany.

Certyfikat analizy (COA) podsumowuje wybrane wyniki badań określonej partii.

Jego wartość informacyjna zależy od:

• rodzaju wykonanych badań;
• zastosowanych metod;
• przydatności tych metod;
• specyfikacji;
• identyfikacji próbki;
• możliwości prześledzenia partii;
• potwierdzenia, że raportowane wyniki rzeczywiście dotyczą danego materiału.

Pojedyncza wartość określana jako „czystość” nie może samodzielnie potwierdzić:

• pełnej tożsamości molekularnej;
• zawartości peptydu;
• integralności stereochemicznej;
• poziomu pozostałości rozpuszczalników;
• zawartości wody;
• składu przeciwjonów;
• właściwości mikrobiologicznych;
• fałdowania;
• activité biologique;
• przydatności do określonego celu.

Odpowiedni zestaw analiz zależy od zamierzonego zastosowania materiału.

Peptyd wykorzystywany jako analityczny materiał odniesienia, odczynnik badawczy stosowany w eksperymencie komórkowym oraz materiał znajdujący się na etapie rozwoju farmaceutycznego mogą wymagać odpowiedzi na inne pytania jakościowe.

Dowody analityczne należy więc interpretować w jasno określonym kontekście, a nie jako uniwersalne potwierdzenie jakości.

Ocena zrównoważenia środowiskowego musi obejmować cały proces

Synteza peptydów może wymagać znacznych ilości rozpuszczalników i odczynników.

Ocena wpływu środowiskowego powinna więc uwzględniać znacznie więcej niż sam etap sprzęgania.

Do istotnych elementów mogą należeć:

• przygotowanie bloków budulcowych;
• odczynniki sprzęgające;
• odczynniki do odbezpieczania;
• przemywanie;
• odszczepianie;
• obróbka produktu;
• chromatografia;
• wymiana rozpuszczalników;
• izolacja;
• séchage;
• gospodarowanie odpadami.

Zmniejszenie obciążenia środowiskowego może wymagać równoczesnej poprawy kilku etapów.

W opublikowanej analizie dotyczącej produkcji peptydów omówiono problemy związane zarówno z syntezą, jak i oczyszczaniem oraz wskazano potrzebę ulepszania całego projektu procesu. [15]

Jako publikacja perspektywiczna nie stanowi ona kontrolowanego bezpośredniego porównania dowodzącego, że jedna konkretna technologia zawsze jest bardziej przyjazna środowisku.

De même :

szybsza synteza nie oznacza automatycznie bardziej ekologicznej syntezy,

a mniejsze zużycie rozpuszczalników podczas samej syntezy nie oznacza automatycznie mniejszego wpływu całego procesu produkcyjnego.

Porównania środowiskowe wymagają stosowania spójnych granic analizy i najlepiej powinny odnosić zużycie zasobów do określonej ilości wyizolowanego i scharakteryzowanego produktu końcowego.

Questions fréquemment posées

1. Czym różni się synteza peptydów na fazie stałej od syntezy w fazie ciekłej?

W syntezie na fazie stałej rosnący peptyd pozostaje przyłączony do nierozpuszczalnego nośnika, natomiast w klasycznej syntezie w roztworze półprodukt peptydowy pozostaje rozpuszczony i zazwyczaj musi być odzyskiwany na podstawie swoich właściwości fizycznych i chemicznych. W węższym znaczeniu LPPS rozpuszczony rosnący łańcuch posiada dodatkowo rozpuszczalny znacznik lub nośnik ułatwiający późniejsze rozdzielanie. Badania syntezy znakowanej pokazują jedną ze strategii łączenia chemii roztworowej z odzyskiwaniem poprzez wytrącanie, natomiast literatura dotycząca LPPS odróżnia takie rozwiązania zarówno od klasycznej syntezy w roztworze, jak i od SPPS. Żadna metoda nie jest z definicji optymalna dla każdego peptydu. Podstawowa różnica dotyczy sposobu fizycznego prowadzenia i rozdzielania rosnącego łańcucha podczas kolejnych etapów syntezy. [8] [9]

2. Dlaczego podczas syntezy peptydów mogą powstawać zanieczyszczenia?

Zanieczyszczenia mogą powstawać dlatego, że zamierzone reakcje nie zawsze zachodzą ilościowo, a inne grupy funkcyjne mogą uczestniczyć w niepożądanych reakcjach. Niepełne sprzęganie może prowadzić do sekwencji delecyjnych, niepełne odbezpieczanie może zakłócać dalsze składanie łańcucha, a niektóre sekwencje są podatne na zmiany stereochemiczne, powstawanie aspartimidu, utlenianie, przegrupowania lub produkty uboczne związane z odszczepianiem. Badania syntezy Fmoc oraz analizy strukturalnej syntetycznych zanieczyszczeń peptydowych dokumentują kilka takich przykładów. [11] [12] Częstość i znaczenie poszczególnych zanieczyszczeń zależą od sekwencji i procesu, dlatego automatyzacji syntezy nie należy utożsamiać z całkowitym brakiem błędów chemicznych.

3. Jaką rolę pełni żywica w syntezie peptydów?

Żywica utrzymuje rosnący peptyd, podczas gdy rozpuszczalne odczynniki i wiele produktów ubocznych można usuwać pomiędzy kolejnymi etapami syntezy. Znacznie upraszcza to powtarzające się składanie łańcucha, ale żywica nie jest wyłącznie mechanicznym uchwytem. Jej pęcznienie, stopień obsadzenia, architektura polimeru, zgodność z rozpuszczalnikami i dostępność miejsc reakcji mogą wpływać na skuteczność docierania odczynników do przyłączonego peptydu. W badaniach z wykorzystaniem reaktora ze zmiennym złożem monitorowano zachowanie żywicy podczas analizy agregacji i efektywności sprzęgania. [4] Takie monitorowanie nie eliminuje błędów sekwencji, ale pokazuje, dlaczego fizyczny stan żywicy może być istotną zmienną procesową.

4. Do czego służy żywica Wanga w syntezie peptydów?

Nośniki typu Wang są powszechnie związane z przygotowywaniem peptydów uwalnianych po odpowiednim odszczepieniu z C-końcem w postaci kwasu karboksylowego. Dokładny produkt końcowy zależy jednak od linkera, architektury nośnika i zastosowanej chemii odszczepiania, a nie tylko od nazwy żywicy. Badacze przedstawili również specjalistyczną metodę przekształcania materiału peptydyl-Wang-TentaGel w hydrazydy peptydowe, które mogą służyć jako użyteczne półprodukty syntetyczne. [5] Alternatywna reakcja nie zmienia znaczenia standardowego odszczepiania z żywicy Wanga. Pokazuje natomiast, dlaczego podczas przewidywania produktu należy analizować cały system nośnika i warunki reakcji.

5. Czy SPPS buduje peptyd od N-końca czy od C-końca?

Klasyczna etapowa SPPS zazwyczaj rozpoczyna się od przyłączenia C-końcowej reszty do nośnika, po czym łańcuch jest wydłużany w kierunku N-końca. Jest to kierunek przeciwny do standardowego wydłużania łańcucha na rybosomie, gdzie białko rośnie poprzez dodawanie kolejnych aminokwasów do C-końca. Synteza BPTI jest przykładem wykorzystania zabezpieczonych bloków budulcowych i nośnika przed późniejszym uwolnieniem, oczyszczaniem i fałdowaniem produktu. [3] Istnieją jednak specjalistyczne strategie chemii peptydów wykorzystujące inne rozwiązania, dlatego budowanie od C- do N-końca należy określać jako klasyczne podejście SPPS, a nie bezwzględną zasadę wszystkich metod syntezy.

6. Dlaczego grupy ochronne są potrzebne?

Aminokwasy często zawierają kilka reaktywnych grup funkcyjnych. Grupy ochronne tymczasowo zapobiegają reakcji wybranych miejsc, pozostawiając odpowiednie miejsce dostępne w konkretnym etapie syntezy. Pomaga to kontrolować kolejność i sposób łączenia reszt. Bez właściwej ochrony konkurencyjne reakcje mogłyby prowadzić do powstawania złożonych mieszanin lub produktów o zmienionej strukturze. Badania dotyczące powstawania aspartimidu pokazały, że zmiana chemii ochrony grupy karboksylowej może ograniczać ważną reakcję uboczną w analizowanych sekwencjach. [2] Grupy ochronne nie gwarantują idealnego przebiegu syntezy, lecz zapewniają selektywną kontrolę chemiczną, która musi pozostać zgodna ze wszystkimi istotnymi etapami procesu.

7. Czym różnią się Fmoc i Boc?

Fmoc i Boc są szeroko stosowanymi tymczasowymi grupami chroniącymi grupę aminową, ale reagują na inne warunki chemiczne. Fmoc jest zazwyczaj usuwany w środowisku zasadowym, natomiast Boc jest wrażliwy na kwasy. Różnica ta wpływa na sposób łączenia ich z ochroną łańcuchów bocznych, linkerami i pozostałymi etapami syntezy. Synteza oparta na Fmoc jest szeroko wykorzystywana we współczesnej SPPS, ale badania wykazały również możliwość występowania zależnych od sekwencji reakcji ubocznych w takich warunkach. [11] W praktyce bardziej użyteczne jest więc porównywanie całych strategii ochrony i ich zgodności z daną sekwencją niż rozpatrywanie wyłącznie nazw dwóch grup ochronnych.

8. Co oznacza ochrona ortogonalna?

Ochrona ortogonalna oznacza, że jedną grupę ochronną można usunąć w warunkach, w których inna potrzebna grupa ochronna pozostaje wystarczająco stabilna, aby można było kontynuować syntezę. Pozwala to odsłaniać różne miejsca reaktywne na określonych etapach. Koncepcja ta ma podstawowe znaczenie podczas kontrolowanej syntezy złożonych peptydów. Ortogonalność jest jednak zależna od warunków, a nie absolutna: wielokrotna ekspozycja, charakter sekwencji i parametry reakcji nadal mogą prowadzić do reakcji ubocznych. Badania alternatywnych sposobów ochrony grup karboksylowych pokazują, jak strategię ochrony można modyfikować w celu kontrolowania trudnej chemii peptydowej. [2]

9. Czym jest sekwencja delecyjna?

Sekwencja delecyjna to peptyd pozbawiony jednej lub kilku reszt obecnych w zamierzonej sekwencji docelowej. Może powstać, gdy etap sprzęgania aminokwasu nie zachodzi całkowicie, ale nieprzereagowany łańcuch pozostaje przyłączony do nośnika i uczestniczy w kolejnych cyklach. Ponieważ nieprawidłowy łańcuch nadal pozostaje związany z żywicą, zwykłe przemywanie nie musi go usunąć. Badania monitorowania SPPS w czasie rzeczywistym wskazują niepełne tworzenie wiązań amidowych jako ważny problem procesowy. [4] Sekwencja delecyjna jest więc problemem związanym ze strukturą i tożsamością produktu, a nie jedynie pozostałością odczynnika.

10. Czy dwa zanieczyszczenia peptydowe mogą mieć taką samą masę cząsteczkową?

Tak. Różne struktury molekularne mogą mieć identyczną lub nierozróżnialną masę nominalną. Z tego powodu sama zgodność masy nie potwierdza pełnej tożsamości cząsteczki. W badaniach syntetycznego peptydu będącego substratem reniny zidentyfikowano izobaryczne składniki zanieczyszczeń, w których modyfikacje występowały w różnych pozycjach. Derywatyzacja i tandemowa spektrometria mas dostarczyły dodatkowych informacji strukturalnych. [12] Przykład ten pokazuje, dlaczego zgodność obserwowanej masy z oczekiwaną nie może samodzielnie potwierdzić właściwej sekwencji, łączności, stereochemii ani braku strukturalnie podobnych izomerów.

11. Czym są epimeryzacja i racemizacja w syntezie peptydów?

Epimeryzacja i racemizacja dotyczą niepożądanych zmian konfiguracji stereochemicznej. Mogą one zachodzić bez zmiany nominalnej sekwencji aminokwasowej lub masy cząsteczkowej, dlatego zwykły pomiar masy może nie wykazać różnicy strukturalnej. W badaniach syntezy Fmoc wspomaganej mikrofalami zidentyfikowano reszty podatne na zmiany stereochemiczne i wykazano, że modyfikacja warunków reakcji może ograniczać takie procesy. [11] Ryzyko zależy od bloku budulcowego, sekwencji i warunków procesu. Jakość stereochemiczna wymaga więc metod analitycznych zdolnych do oceny konfiguracji, a nie może być wnioskowana wyłącznie na podstawie masy cząsteczkowej.

12. Czym jest powstawanie aspartimidu?

Powstawanie aspartimidu jest niepożądaną reakcją związaną z określonymi sekwencjami zawierającymi asparaginian. Powstanie cyklicznego półproduktu może prowadzić do kolejnych produktów o zmienionej łączności szkieletu lub stereochemii, zmniejszając wydajność i utrudniając oczyszczanie. Badacze analizowali alternatywne strategie ochrony zaprojektowane w celu ograniczenia tej reakcji w wybranych peptydach i białkach. [2] Wyniki nie wskazują jednego uniwersalnego rozwiązania dla wszystkich sekwencji zawierających asparaginian. Pokazują natomiast, dlaczego projektowanie syntezy i strategii kontroli zanieczyszczeń musi uwzględniać specyficzne zachowanie chemiczne danej sekwencji.

13. Czy wysoka czystość HPLC potwierdza prawidłową tożsamość peptydu?

Nie. Czystość HPLC opisuje próbkę w ramach konkretnego rozdziału chromatograficznego, zastosowanego detektora i sposobu analizy danych. Wysoki udział powierzchni głównego piku może być wartościowym dowodem, że próbka jest zdominowana przez jeden chromatograficznie rozdzielony składnik, ale nie potwierdza samodzielnie pełnej tożsamości molekularnej. Współeluujące zanieczyszczenia, stereoizomery i inne warianty mogą wymagać dodatkowych technik. W badaniach analizy chiralnej peptydów wykorzystano specjalnie zaprojektowany proces, który uwzględniał również zmiany stereochemiczne powstające podczas przygotowania próbki. [13] Tożsamość i czystość należy więc traktować jako powiązane, ale odrębne pytania analityczne.

14. Czy wydajność produktu oczyszczonego oznacza to samo co czystość?

Nie. Wydajność produktu oczyszczonego lub wyizolowanego określa ilość odzyskanego materiału docelowego względem zdefiniowanej ilości początkowej lub teoretycznej. Czystość opisuje natomiast skład odzyskanego materiału według określonej metody analitycznej. Synteza może prowadzić do uzyskania stosunkowo niewielkiej ilości produktu o bardzo wysokiej czystości albo dużej ilości materiału surowego zawierającego znaczną ilość zanieczyszczeń. W badaniach automatycznej syntezy przepływowej czystość surowego produktu i wydajność po izolacji raportowano oddzielnie. [7] Rozdzielenie tych parametrów zapobiega błędnemu traktowaniu wysokiej wartości jednego z nich jako dowodu wysokiej wartości drugiego.

15. Czy długie peptydy można wytwarzać poprzez łączenie krótszych fragmentów?

Tak. W strategii fragmentowej krótsze segmenty peptydowe mogą zostać przygotowane oddzielnie, a następnie połączone za pomocą odpowiedniej chemii. Natwywna ligacja chemiczna była ważnym przykładem, w którym niezabezpieczone fragmenty peptydowe połączono w sposób prowadzący do powstania naturalnego wiązania szkieletu peptydowego, a następnie uzyskano pofałdowane białko. [10] Nie oznacza to, że dowolne fragmenty peptydowe mogą łączyć się spontanicznie. Należy uwzględnić strukturę fragmentów, chemię łączenia, wybór miejsca połączenia, rozpuszczalność, stereochemię i wymagania dotyczące oczyszczania. Składanie fragmentów jest więc alternatywną strategią projektowania syntezy, a nie automatycznym rozwiązaniem problemów związanych z długimi peptydami.

16. Czy szybsza zautomatyzowana synteza eliminuje potrzebę oczyszczania?

Nie. Szybsze zautomatyzowane lub przepływowe składanie skraca czas określonych etapów syntezy, ale nie dowodzi, że każda powstała cząsteczka ma zamierzoną strukturę. W badaniach szybkiej syntezy przepływowej nadal charakteryzowano materiał surowy i stosowano późniejsze oczyszczanie, a w kolejnych pracach dotyczących automatyzacji osobno porównywano czystość surowego materiału i wydajność po izolacji. [6] [7] Dobre wyniki systemu dla badanych sekwencji nie gwarantują również identycznych rezultatów dla każdego nowego celu. Przyspieszona synteza nadal musi być połączona z odpowiednim oczyszczaniem, potwierdzeniem tożsamości, analizą zanieczyszczeń i charakterystyką końcową.

17. Dlaczego zwiększenie skali produkcji jest bardziej skomplikowane niż przygotowanie większej partii?

Zwiększenie skali zmienia warunki fizyczne i chemiczne, a nie tylko ilość materiału. Mieszanie, wymiana ciepła, pęcznienie żywicy, dystrybucja odczynników, ciśnienie, filtracja, obsługa rozpuszczalników, rozpuszczalność półproduktów i możliwości systemu oczyszczania mogą zachowywać się inaczej przy większej objętości produkcji. W analizie przemysłowej 40 procesów peptydowych osobno oceniano syntezę, oczyszczanie i izolację podczas analizy zużycia materiałów. [14] Wyniki pokazują, dlaczego produkcję trzeba rozpatrywać jako kompletny proces. Skalowalna metoda musi powtarzalnie prowadzić do uzyskania scharakteryzowanego materiału na wszystkich etapach, a nie tylko większej ilości surowego peptydu.

18. Czy peptyd jest gotowy od razu po złożeniu prawidłowej sekwencji?

Niekoniecznie. Złożenie łańcucha tworzy szkielet sekwencji tylko w takim zakresie, w jakim potwierdzają to proces i dane analityczne. W zależności od cząsteczki mogą być nadal potrzebne odbezpieczanie, odszczepianie, cyklizacja, utlenianie, tworzenie mostków disiarczkowych, fałdowanie, koniugacja, oczyszczanie i charakterystyka. Synteza BPTI stanowi dobry przykład procesu, w którym po złożeniu liniowej sekwencji następowało oczyszczanie i tworzenie pofałdowanej struktury zawierającej mostki disiarczkowe. [3] Określenie „gotowy peptyd” powinno więc odnosić się do formy molekularnej wymaganej w danym kontekście naukowym, a nie tylko do zakończenia etapowego dodawania aminokwasów.

19. Czy prawidłowa masa cząsteczkowa potwierdza prawidłową sekwencję peptydu?

Nie. Zgodność masy cząsteczkowej jest wartościowym dowodem, ale nie może samodzielnie potwierdzić pełnej sekwencji ani struktury molekularnej. Struktury izobaryczne mogą mieć tę samą masę, a różnice stereochemiczne mogą w ogóle nie powodować zmiany masy cząsteczkowej. Badania zanieczyszczeń syntetycznych peptydów pokazały, że rozróżnienie strukturalnie odmiennych składników może wymagać tandemowej spektrometrii mas i dodatkowych analiz. [12] W przypadku pytań dotyczących integralności stereochemicznej mogą być potrzebne również metody chiralne. [13] Masę cząsteczkową należy więc traktować jako jeden z elementów oceny tożsamości, a nie jej pełne potwierdzenie.

20. Dlaczego oczyszczanie należy traktować jako część produkcji peptydu, a nie tylko końcowy dodatek?

Oczyszczanie decyduje o tym, czy docelowy peptyd można skutecznie oddzielić od sekwencji delecyjnych, produktów ubocznych, pozostałości odczynników, strukturalnie podobnych zanieczyszczeń i innych składników powstałych podczas syntezy. Metoda pozwalająca bardzo szybko wytwarzać duże ilości surowego materiału może nadal być niepraktyczna, jeśli nie da się skutecznie odzyskać docelowego produktu o wymaganej jakości. Z tego powodu analizy przemysłowe procesów peptydowych uwzględniają razem syntezę, oczyszczanie i izolację. [14] Efektywność produkcji należy ostatecznie oceniać na podstawie ilości i właściwości wyizolowanego materiału końcowego, a nie wyłącznie szybkości syntezy.

Ograniczenia przy porównywaniu metod syntezy peptydów

Podczas interpretowania badań porównujących technologie produkcji peptydów należy pamiętać o kilku istotnych ograniczeniach.

Po pierwsze, sekwencja silnie wpływa na trudność syntezy. Metoda sprawdzająca się dla jednego peptydu nie musi działać tak samo dla innego. Agregacja, hydrofobowość, skład aminokwasowy, długość, tendencja do tworzenia struktur drugorzędowych i podatność na reakcje uboczne mogą zmieniać zachowanie procesu. [1] [4]

Po drugie, czystość materiału surowego, wydajność po izolacji, czystość końcowa i zawartość peptydu są różnymi parametrami. Porównywanie metod wyłącznie na podstawie jednego z nich może dawać niepełny obraz efektywności produkcji. [7]

Po trzecie, szybkie składanie łańcucha nie oznacza szybkiej produkcji całego materiału. Odszczepianie, oczyszczanie, izolacja, końcowe kształtowanie struktury, badania analityczne i dokumentacja również wpływają na całkowity czas produkcji. [6] [7]

Po czwarte, czystość analityczna zależy od zastosowanej metody. HPLC, spektrometria mas, tandemowa spektrometria mas i analiza chiralna odpowiadają na różne pytania. Jeden wynik analityczny nie musi potwierdzać pełnej tożsamości strukturalnej. [12] [13]

Po piąte, skala wpływa na zachowanie procesu. Wyników syntezy laboratoryjnej nie można automatycznie przenosić na produkcję przemysłową bez oceny mieszania, transportu masy, możliwości oczyszczania, zużycia materiałów i innych czynników zależnych od skali. [14]

Po szóste, historyczne porównania ekonomiczne mogą z czasem tracić aktualność. Koszty odczynników, poziom automatyzacji, technologie ekspresji, wyposażenie do oczyszczania, odzyskiwanie rozpuszczalników i infrastruktura produkcyjna stale się rozwijają. Starsze analizy kosztów mogą nadal mieć znaczenie naukowe, ale nie muszą odzwierciedlać aktualnej ekonomiki rynku. [1]

Po siódme, porównania środowiskowe wymagają spójnych granic analizy. Ocena zużycia rozpuszczalników podczas samego składania łańcucha przy jednoczesnym pominięciu oczyszczania i izolacji może prowadzić do mylących wniosków dotyczących zrównoważenia procesu. [14] [15]

Wreszcie sama nazwa metody nie określa jakości produktu. SPPS, synteza w roztworze, LPPS, ligacja fragmentów oraz ekspresja biologiczna mogą prowadzić do uzyskania materiału wysokiej jakości, jeśli proces został odpowiednio zaprojektowany i kontrolowany. Żadna z tych metod nie gwarantuje jednak automatycznie właściwej tożsamości, czystości, stereochemii, fałdowania czy przydatności do konkretnego zastosowania.

Résumé

Syntezę peptydów najlepiej rozumieć jako kontrolowany proces wytwarzania cząsteczek, a nie po prostu tworzenie wiązań peptydowych.

Celem jest zbudowanie określonej sekwencji aminokwasowej przy jednoczesnym kontrolowaniu sposobu połączenia reszt, chemii grup ochronnych, stereochemii, reakcji ubocznych i wszelkich dodatkowych wymagań strukturalnych.

Synteza peptydów na fazie stałej utrzymuje rosnący łańcuch na nierozpuszczalnym nośniku, dzięki czemu powtarzane etapy sprzęgania i przemywania dobrze nadają się do automatyzacji. Zalety związane z powtarzalnym składaniem nie eliminują jednak problemów takich jak niepełne reakcje, agregacja, sekwencje delecyjne czy zależne od sekwencji reakcje uboczne. [4] [6] [7]

Klasyczna synteza w roztworze utrzymuje półprodukty peptydowe w fazie ciekłej i może zapewniać większą elastyczność w izolowaniu oraz charakteryzowaniu poszczególnych produktów pośrednich. Wielokrotne rozdzielanie oraz pogarszająca się rozpuszczalność mogą jednak stać się poważnymi ograniczeniami.

Metody syntezy w fazie ciekłej z rozpuszczalnymi znacznikami próbują połączyć chemię roztworową z zaprojektowanymi strategiami odzyskiwania materiału. Mogą więc stanowić dodatkową możliwość w przypadku sekwencji i problemów produkcyjnych, dla których klasyczna SPPS nie jest optymalna. [8] [9]

Dłuższe lub szczególnie trudne cząsteczki można również przygotowywać poprzez składanie fragmentów, w tym natywną ligację chemiczną, zamiast polegać wyłącznie na nieprzerwanym dodawaniu kolejnych reszt aminokwasowych. [10]

Niezależnie od wybranej metody składania efektywność sprzęgania i chemia grup ochronnych pozostają kluczowe, ponieważ niewielkie nieefektywności i reakcje uboczne mogą kumulować się podczas kolejnych etapów syntezy. Powstawanie aspartimidu, sekwencje delecyjne i zmiany stereochemiczne pokazują, dlaczego sama zamierzona sekwencja nie opisuje wszystkiego, co może powstać podczas procesu. [2] [11] [12]

Praca nie kończy się również wraz ze złożeniem łańcucha.

Oczyszczanie decyduje o tym, czy produkt docelowy można oddzielić od innych składników.

Następnie odpowiednio dobrane metody analityczne odpowiadają na odrębne pytania dotyczące tożsamości, czystości, zawartości, stereochemii, konformacji oraz – jeśli ma to znaczenie – aktywności funkcjonalnej. [3] [12] [13]

Zwiększenie skali produkcji wprowadza kolejne zagadnienia dotyczące transportu masy, zachowania żywicy, zużycia rozpuszczalników, filtracji, możliwości oczyszczania, powtarzalności procesu i jego wpływu środowiskowego. Z tego powodu przemysłowa ocena procesu powinna obejmować razem syntezę, oczyszczanie i izolację, a nie koncentrować się wyłącznie na szybkości sprzęgania. [14] [15]

Najważniejsza zasada jest następująca:

skuteczna produkcja peptydu wymaga kontroli całego procesu – od projektu molekularnego i tworzenia wiązań aż po oczyszczanie oraz charakterystykę strukturalną. Uzyskanie łańcucha o oczekiwanej nominalnej masie lub wysokiego głównego piku chromatograficznego stanowi wartościowy dowód, ale żaden z tych parametrów samodzielnie nie potwierdza pełnej tożsamości molekularnej ani jakości procesu produkcyjnego.

Avis de non-responsabilité

Artykuł ma wyłącznie charakter edukacyjny i naukowo-informacyjny. Opisuje ogólne zasady chemii peptydów, syntezy na fazie stałej, syntezy w roztworze i w fazie ciekłej, strategii grup ochronnych, sprzęgania, oczyszczania, charakterystyki analitycznej, procesów produkcyjnych oraz przykłady pochodzące z opublikowanych badań. Nie jest protokołem laboratoryjnym, instrukcją produkcyjną, poradą medyczną, przewodnikiem dotyczącym dawkowania lub podawania ani certyfikatem jakości jakiegokolwiek konkretnego produktu peptydowego. Wyniki eksperymentalne należy interpretować w kontekście sekwencji, zastosowanych metod, skali procesu, technik analitycznych i ograniczeń poszczególnych badań.

Références

1. Stráner, P., Taricska, N., Szabó, M., Tóth, G. K., & Perczel, A. (2016). Bacterial expression and/or solid phase peptide synthesis of 20-40 amino acid long polypeptides and miniproteins, the case study of Class B GPCR ligands. Current Protein & Peptide Science, 17(2), 147–155. https://doi.org/10.2174/1389203716666151102105215
2. Neumann, K., Farnung, J., Baldauf, S., & Bode, J. W. (2020). Prevention of aspartimide formation during peptide synthesis using cyanosulfurylides as carboxylic acid-protecting groups. Nature Communications, 11(1), Article 982. https://doi.org/10.1038/s41467-020-14755-6
3. Ferrer, M., Woodward, C., & Barany, G. (1992). Solid-phase synthesis of bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) and two analogues. A chemical approach for evaluating the role of disulfide bridges in protein folding and stability. International Journal of Peptide and Protein Research, 40(3–4), 194–207. PubMed record
4. Sletten, E. T., Nuño, M., Guthrie, D., & Seeberger, P. H. (2019). Real-time monitoring of solid-phase peptide synthesis using a variable bed flow reactor. Chemical Communications, 55(97), 14598–14601. https://doi.org/10.1039/c9cc08421e
5. Bello, C., Kikul, F., & Becker, C. F. W. (2015). Efficient generation of peptide hydrazides via direct hydrazinolysis of Peptidyl-Wang-TentaGel resins. Journal of Peptide Science, 21(3), 201–207. https://doi.org/10.1002/psc.2747
6. Simon, M. D., Heider, P. L., Adamo, A., Vinogradov, A. A., Mong, S. K., Li, X., Berger, T., Policarpo, R. L., Zhang, C., Zou, Y., Liao, X., Spokoyny, A. M., Jensen, K. F., & Pentelute, B. L. (2014). Rapid flow-based peptide synthesis. ChemBioChem, 15(5), 713–720. https://doi.org/10.1002/cbic.201300796
7. Mijalis, A. J., Thomas, D. A., III, Simon, M. D., Adamo, A., Beaumont, R., Jensen, K. F., & Pentelute, B. L. (2017). A fully automated flow-based approach for accelerated peptide synthesis. Nature Chemical Biology, 13(5), 464–466. https://doi.org/10.1038/nchembio.2318
8. Sharma, A., Kumar, A., de la Torre, B. G., & Albericio, F. (2022). Liquid-phase peptide synthesis (LPPS): A third wave for the preparation of peptides. Chemical Reviews, 122(16), 13516–13546. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00132
9. Takahashi, D., Yano, T., & Fukui, T. (2012). Novel diphenylmethyl-derived amide protecting group for efficient liquid-phase peptide synthesis: AJIPHASE. Organic Letters, 14(17), 4514–4517. https://doi.org/10.1021/ol302002g
10. Dawson, P. E., Muir, T. W., Clark-Lewis, I., & Kent, S. B. (1994). Synthesis of proteins by native chemical ligation. Science, 266(5186), 776–779. https://doi.org/10.1126/science.7973629
11. Palasek, S. A., Cox, Z. J., & Collins, J. M. (2007). Limiting racemization and aspartimide formation in microwave-enhanced Fmoc solid phase peptide synthesis. Journal of Peptide Science, 13(3), 143–148. https://doi.org/10.1002/psc.804
12. Mathews, W. R., Runge, T. A., Haroldsen, P. E., & Gaskell, S. J. (1989). Characterization of impurities in a synthetic renin substrate peptide by fast-atom bombardment mass spectrometry and hybrid tandem mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 3(9), 314–319. https://doi.org/10.1002/rcm.1290030912
13. Goodlett, D. R., Abuaf, P. A., Savage, P. A., Kowalski, K. A., Mukherjee, T. K., Tolan, J. W., Corkum, N., Goldstein, G., & Crowther, J. B. (1995). Peptide chiral purity determination: Hydrolysis in deuterated acid, derivatization with Marfey’s reagent and analysis using high-performance liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry. Journal of Chromatography A, 707(2), 233–244. https://doi.org/10.1016/0021-9673(95)00352-n
14. Kekessie, I., Wegner, K., Martinez, I., Kopach, M. E., White, T. D., Tom, J. K., Kenworthy, M. N., Gallou, F., Lopez, J., Koenig, S. G., Payne, P. R., Eissler, S., Arumugam, B., Li, C., Mukherjee, S., Isidro-Llobet, A., Ludemann-Hombourger, O., Richardson, P., Kittelmann, J., … van den Bos, L. J. (2024). Process mass intensity (PMI): A holistic analysis of current peptide manufacturing processes informs sustainability in peptide synthesis. The Journal of Organic Chemistry, 89(7), 4261–4282. https://doi.org/10.1021/acs.joc.3c01494
15. Isidro-Llobet, A., Kenworthy, M. N., Mukherjee, S., Kopach, M. E., Wegner, K., Gallou, F., Smith, A. G., & Roschangar, F. (2019). Sustainability challenges in peptide synthesis and purification: From R&D to production. The Journal of Organic Chemistry, 84(8), 4615–4628. https://doi.org/10.1021/acs.joc.8b03001