多肽全自动合成仪

2022年9月29日，北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室叶新山研究团队在《自然-合成》（Nature Synthesis）上在线发表了题为《自动液相乘法合成复杂聚糖到1080糖》（Automated solution-phase multiplicative synthesis of complex glycans up to a 1,080-mer）的研究论文，报道了关于糖类化合物合成领域的突破性进展。其团队基于“预活化”一釜多组分糖基化反应和液相乘法合成的原理，自主研发了新型双模式液相糖自动合成仪；并利用该自动合成仪合成了各种复杂结构的寡糖和多糖，其中合成多糖的分子尺寸达到了惊人的1080糖（1080-mer），将结构均一的多糖分子的合成提升到了一个新的高度，远超核酸（到200-mer）和蛋白质（到472-mer）的合成水平。鉴于该成果在大分子合成及其应用方面的重要意义，《自然》（Nature）杂志专门配发了对这一工作的亮点评述。在自然界中糖类物质无处不在，几乎参与了多细胞生物的全部生命过程，如受精、着床、分化、发育、免疫、感染、癌变、衰老等等。由于糖类化合物结构固有的复杂性，想要获得结构明确、均一的聚糖类化合物，合成难度大，往往需要具有高度专业技能的人员通过手工合成来完成，耗时费力，这严重制约着糖科学的发展；而对于分子尺寸更大、结构更为复杂的多糖类化合物的合成，更是一项极具挑战性的工作。目前国际上糖类化合物的自动合成技术的发展仍处于初级阶段，尤其是液相糖自动合成仪的研制在国内外基本上还是空白，因此糖类化合物的合成范式亟待变革。叶新山团队在前期发展了基于糖基供体“预活化”的一釜连续寡糖合成策略，从而奠定了糖自动合成仪研制的基础。合成仪的硬件包括自动合成系统（包含自动进样系统和合成辅助系统）、在线监测系统和可编程逻辑控制系统，通过可编程逻辑控制系统将自动合成系统和在线监测系统进行耦合，成功设计了新型双模式液相糖自动合成仪的整机框架，实现了第一代原型机的顺利组装。软件方面，可编程逻辑控制系统受上位机控制，基于Labview语言程序设计研发了实用的特色上位机软件控制系统（Ye Glycosoft），完成对合成仪的整机控制和调试，实现了合成仪的稳定运行。为了验证所研制的合成仪的功能，他们利用该合成仪进行了如下工作：（1）在普通活化模式或者光介导活化模式下，快速自动合成了具有重要生物活性、包含各种糖型和糖苷键连接方式的寡糖化合物库；（2）以克级规模高收率地自动合成了带有保护基的抗凝血糖药物磺达肝葵钠五糖；（3）以单糖为原料，成功实现了一釜十组分自动偶联反应得到聚阿拉伯十糖；在此基础上利用自动乘法合成策略，自动合成了结构均一的由1080个单糖单元所组成的多糖阿拉伯聚糖，而阿拉伯聚糖是植物和病原菌细胞壁的重要成分。这是目前人工合成的最大最长的多糖分子，使得代表着人工合成均一结构生物大分子复杂度的单体组成数目首次达到了四位数水平，在多糖合成领域具有重要的里程碑式意义。该合成仪为非专业人员提供了一个组装目标聚糖的平台，填补了国内外在液相糖合成仪研制方面的空白，将为糖科学及其在医药和材料领域的应用提供新的有效的工具。北京大学药学院博士后姚文龙为该研究论文的第一作者，叶新山为论文的通讯作者；熊德彩研究员和叶新山团队的部分研究生同学参加了该研究工作。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家重点实验室仪器研制等项目的资助。作者简介：姚文龙，北京大学药学院2016级博士、2020级博雅博士后。研究兴趣为糖化学、糖药物和化学合成自动化与智能化，已在Nat. Synth、J. Am. Chem. Soc.等杂志发表学术论文5篇；申请专利7项，获授权专利4项；主持国自然青年基金1项。叶新山，北京大学药学院教授、博士生导师，北京大学药学院副院长，国家杰出青年科学基金获得者。从事糖化学、糖药物化学和糖化学生物学研究，发表论文180余篇，获授权发明专利17件。部分成果获国家自然科学二等奖、中国药学会科学技术一等奖、第十三届吴阶平-保罗杨森医学药学奖、张树政糖科学杰出成就奖等奖励。目前担任Chinese Chemical Letters杂志副主编、Journal of Chinese Pharmaceutical Sciences杂志执行主编，兼任中国疫苗行业协会糖疫苗专业委员会主任委员、中国化学会糖化学专业委员会副主任委员等职务。

摘要使用 Liberty Blue&trade 和 Liberty PRIME&trade 多肽合成仪可以快速、高纯度进行头尾环化肽的全自动合成。微波增强的多肽固相合成（SPPS）不仅有利于线性组装，而且有利于随后的环化步骤，在各种困难的生物学重要肽上实现了极高的纯度合成。Liberty PRIME 上使用的一锅法 Fmoc SPPS 循环进一步改善合成时间、减少浪费。表1 ：全自动合成首尾相连的环化肽表2：Liberty Blue 和 Liberty PRIME 合成 Cyclorasin A1引言环肽能够桥接小分子和抗体之间的化学空间间隙，允许设计具有高结合亲和力、显着选择性、低毒性和进入细胞内靶点的能力的分子2。因此，大环肽作为靶向传统上无法成药的生物靶点的治疗剂具有相当大的前景3。截至 2017 年，超过 40 种环肽用于临床4。环肽作为候选药物开发的这一令人鼓舞的趋势，为发展更稳健的制备方法提供了动力。SPPS 可以通过使用 Fmoc-Glu-ODmab 作为 C 端氨基酸 (图 1) 制备首尾相连环化肽。在合成线性肽骨架后，可以使用稀肼溶液选择性地去保护 Dmab 基团。之后，可以使用微波增强偶联实现首尾环化。将微波能量应用于首尾环化肽的合成可以实现更有效的偶联，从而加快合成时间和提高纯度 (CarboMAX&trade )5。 图 1：Fmoc-Glu-ODmab ( 左 ) Fmoc-Glu(Wang resin LL)- ODmab (右)材料与方法试剂以下含有指定的侧链保护基团 Fmoc 氨基酸购自 CEM Corporation (Matthews, NC) 并：Ala、Arg (Pbf)、Gly、His (Boc)、Ile、Leu、Lys (Boc)、Thr (tBu) )、Trp (Boc)、Tyr (tBu) 和 Val。Rink Amide ProTideTM LL 树脂也购自 CEM Corporation。Fmoc-Glu-ODmab、Fmoc-Glu(Wang)-ODmab LL 树脂、FmocD-Ala- OH 和 Fmoc-4-氟-L-苯丙氨酸购自 EMD Millipore (Burlington, MA)。Fmoc-D-2-Nal-OH、FmocD-Nle-OH 和 Fmoc-N-甲基-L-苯丙 氨酸购自 Bachem (T orrance, CA)。Fmoc-N-甲基-异亮氨酸-OH 购自 Advanced ChemTech (Louisville, KY)。FmocN-甲基-亮氨酸-OH 购自 Alfa Aesar (Haverhill, MA)。水合肼、N,N-二异丙基乙胺(DIEA)、Fmoc-N-甲基-甘氨酸-OH、N,N' -二异丙基碳二亚胺 (DIC)、哌啶、吡咯烷、三氟乙酸 (TFA)、3,6-dioxa-1、 8 辛二硫醇(DODT) 和三异丙基硅烷 (TIS) 购自 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO)。N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)、无水乙醚 (Et2O) 和乙酸购自 VWR (Radnor, PA)。LC-MS 级水 (H2O) 和 LC-MS 级乙腈 (MeCN) 购自 Fisher Scientific (Hampton, NH) 。多肽合成：CEM 7-mer, cyclo-[GVYLHIE] 使用 CEM Liberty Blue 自动微波多肽合成仪，在 Fmoc- Glu(Wang)- ODmab 树脂（离子交换容量：0.025 meq/g）上，以 0.10 mmol 的规模合成（Dmab 脱保护以0.05 mmol 规模进行，首尾环化以 0.025 mmol的规模进行）。使用 DMF 中的哌啶进行脱保护。偶联反应在5倍量的Fmoc氨基酸,DIC和Oxyma Pure(CarboMAX)5 中进行。使用肼的 DMF 溶液进行 ODmab 基团的脱保护。首尾环化反应使用 DMF 中的 DIC/HOBt 进行。在 CEM RazorTM 高通量多肽切割系统中使用 TFA/H2O/TIS/DODT 进行切割。裂解后无水乙醚沉淀肽并过夜冻干。图2：CEM 7-mer多肽合成：Cyclorasin A, cyclo-[WTaRRR-nal-R-Fpa-nle-Q] (Liberty Blue)使 用 CEM Liberty Blue 自 动 微 波 多 肽 合 成 仪 ， 在 Rink Amide ProTide LL 树脂(离子交换容量：0.19 meq/g ）上，以 0.05 mmol 的规模合成（Dmab脱保护以 0.05 mmol 的规模进行，首尾环化以 0.025 mmol 的规模进行）。使用 DMF 中的哌啶进行脱保护。偶联反应在5倍Fmoc氨基酸、DIC和Oxyma Pure(CarboMAX)5中进行。Fmoc-Glu-ODmab 用做第一个氨基酸（Q）。使用肼的 DMF 溶液进行 ODmab 基团的脱保护。首尾环化反应使用 DMF 中的 DIC/HOBt 进行。在 CEM RazorTM 高通量多肽切割系统中使用 TFA/H2O/TIS/DODT 进行切割。裂解后用无水乙醚沉淀肽并过夜冻干。多肽合成：Cyclorasin A, cyclo-[WTaRRR-nal-R-Fpa-nle-Q](Liberty PRIME)使用 CEM Liberty PRIME 自动微波多肽合成仪，在 Rink Amide ProTide LL 树脂（离子交换容量：0.19 meq/g）上，以 0.05 mmol 规模合成（Dmab脱保护以 0.05 mmol 的规模进行，首尾环化以 0.025 mmol 的规模进行）。使用 DMF 中的吡咯烷进行脱保护。偶联反应在5倍 Fmoc 氨基酸、DIC和Oxyma Pure(CarboMAX)5中进行。Fmoc-Glu-ODmab 用做第一个氨基酸（Q）。使用肼的 DMF 溶液进行 ODmab 基团的脱保护。使用肼的 DMF 溶液进行 ODmab 基团的脱保护。首尾环化反应使用 DMF 中的 DIC/HOBt 进行。在 CEM RazorTM 高通量多肽切割系统中使用 TFA/H2O/TIS/ DODT 进行切割。裂解后用无水乙醚沉淀肽并冻干过夜。图3：Cyclorasin A多肽合成：N-MethylCyclorasinAnalog, cyclo-[WTaR-NMeGly- NMePhe-nal-NMeGly-Fpa-nle-E]使用 CEM Liberty PRIME 自动微波肽合成仪在 Fmoc-Glu (Wang ) -ODmab 树脂（离子交换容量：0.25 meq/g ）上以 0.05 mmol 的 规模合成（Dmab 脱保护以 0.05 mmol 规模进行，首尾环化以 0.025 mmol 的规模进行）。使用 DMF 中的吡咯烷进行脱保护。偶联反应在5倍 Fmoc 氨基酸、DIC和Oxyma Pure（CarboMAX）5中进行。使用肼的 DMF 溶液进行 ODmab 基团的脱保护。首尾环化反应使用 DMF 中的 DIC/HOBt 进行。在CEM RazorTM高通量多肽切割系统中使用 TFA/H2O/TIS/DODT 进行切割。裂解后用无水乙醚沉淀肽 并冻干过夜。图4：N-Methyl Cyclorain Analog多肽合成：Poly N-Methyl Peptide, cyclo-[KA-NMeIle-NMeGly-NMeLeu-A-NMeGly-NMeGly-E]使 用 CEM Liberty PRIME 自 动 微 波 肽 合 成 仪 在 Fmoc-Glu (Wang )-ODmab 树脂（离子交换容量：0.25 meq/g ）上以 0.1 mmol 的规模合成（Dmab 脱保护以 0.05 mmol 规模进行，首尾环化以 0.025 mmol 的规模进行）。使用 DMF 中的吡咯烷进行脱保护 。偶 联 反 应 在 5 倍 Fmoc 氨 基 酸 、 DIC和Oxyma Pure（CarboMAX）5中进行。使用肼的 DMF 溶液进行 ODmab 基团的脱保护。首尾环化反应使用 DMF 中的 DIC/HOBt 进行。在 CEM RazorTM 高通量多肽切割系统中使用 TFA/H2O/TIS/DODT 进行切割。裂解后用无水乙醚沉淀肽并冻干过夜。图5： Poly N-Methyl Peptide多肽分析在配备有 PDA 检测器的 Waters Acquity UPLC 系统上分析肽， 该 检 测 器 配 备 Acquity UPLC BEH C8 柱 （1.7 mm 和 2.1 x 100 mm）。UPLC 系统连接到 Waters 3100 Single Quad MS 用于结构测定。在 Waters MassLynx 软件上进行峰分析。使用 (i) H2O 和 (ii) MeCN 中的 0.05% TFA 梯度洗脱进行分离。 结果在 Liberty Blue 自动微波肽合成仪上 CEM 7-mer 的微波增强固相合成产生了纯度为 78% 的目标肽（图 6）。图6：CEM 7-mer 的UPLC色谱图在 LibertyBlue 自动微波肽合成仪上的 Cyclorasin A的微波增强。图7：Cyclorasin A (Liberty Blue)的UPLC的色谱图Liberty PRIME 自动微波肽合成仪上的 Cyclorasin A 微波增强。图8：Cyclorasin A (Liberty PRIME)的UPLC色谱图Liberty PRIME 自动微波肽合成仪上的 Poly N-Methyl Peptide。图9：多聚N-甲基Peptide 的UPLC色谱图Liberty PRIME 自 动 微 波 肽 合 成 仪 上 的 N-Methyl Cyclorasin Analog 的微波增强固相合成产生了纯度为 66% 的目标肽（图10）。图10：N-甲基 CyclorasinAnalog的UPLC色谱图 结论使用自动微波增 SPPS 可以快速有效地合成首尾环肽。此外，易于使用的 Liberty Blue 和 Liberty PRIME 软件允许对肽序列进行快速直接的编程。使用 Liberty Blue 肽合成仪在 2 小时 13 分钟内合成了纯度为 78% 的 7 聚体环肽。在 Liberty Blue 上在 3 小时 1 分钟内以高纯度 (75%) 合成了 Cyclorasin A 环肽。在 Liberty PRIME 上仅用了 2 小时就合成了相同的肽，纯度很高 (75%)，浪费大约 100 mL。在 Liberty PRIME 上，微波增强的 SPPS 可在 2 小时 5 分钟内以 66% 的纯度合成了具有综合挑战性的 N-methyl cyclorasin analog 环肽。最后，在 Liberty PRIME 上以 73% 的纯度在 2 小时 12 分钟内制备出多聚 N-甲 基化 11 聚体肽。 参考文献[1] Upadhyaya, P. Qian, Z. Selner, N. G. Clippinger, S. R. Wu, Z. Briesewitz, R. Pei, D. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2015, 54 (26), 7602&ndash 7606. [2] White, A. M. Craik, D. J. Expert Opin. Drug Discov. 2016, 11 (12), 1151&ndash 1163.[3] Hurtley, S. M. Science. 2018, 361 (6407), 1084.4-1085. (4) Zorzi, A. Deyle, K. Heinis, C. Curr. Opin. Chem. Biol. 2017, 38, 24&ndash 29. (5) CEM Application Note (AP0124) - &ldquo CarboMAX - Enhanced Peptide Coupling at Elevated Temperature.&rdquo

NEWSCEM公司自1978年成立以来，一直致力于微波产品的创新与开发，2003年研发了世界上第一台全自动微波多肽和合成仪。2022年4月，CEM公司Liberty 2.0系列微波多肽合成仪全面升级发布。Liberty 2.0系列在肽质量、稳健性和整体灵活性方面具有显着进步。Liberty Blue 2.0和Liberty Prime 2.0系统的一项重大进步是使用新的顶空冲洗技术，通过确保更清洁的反应容器表面来合成更长的肽。此外，对整个系统流体和软件的工程改进提供了更高的稳健性和灵活性。Liberty 2.0Liberty Blue 2.0Liberty Prime 2.0更新技术要点改进肽的质量Liberty Blue 2.0和Liberty PRIME 2.0提供了制造比以前的产品更高纯度的肽的能力。这是基于系统流体学、反应容器环境和化学方法学的进步。• 使用ProTide树脂优化化学方法。• 最清洁的反应环境，采用更新的顶空冲洗技术。• 更直接的优化流路径。• 用于优化起泡、吹扫和排放的数字可变N2控制。提高可靠性所有Liberty 2.0级别的系统都具有更直接和更清晰的流路径。结果是一个新的稳健性水平，即使在高使用条件下也能提供更长的运行时间和更少的停机时间。终极灵活性您几乎可以使用Liberty 2.0系列做任何事情。• 合成规模范围from 5µmmol–5mmol.• 获得粘性绿色溶剂(Tami Solve)的压力范围更广。• 自动合成复杂步骤等。