Bir protokol bilgi kodlanmış peptoid oligomers sentezi için ve dinamik kovalent reaktan çiftleri ve Lewis asidik nadir toprak olarak aminler ve aldehitler kullanarak moleküler merdivenler içine bu peptoidlerin dizi yönelimli kendini montaj için sunulmaktadır metal çok rol reaktifler olarak triflates.
Bu protokol, bilgi kodlu oligomerik iplikçiklerin kendi kendine montajı sırasında gözlenen kinetik ziyneti atlatmak için Lewis asidik çok rol reaktiflerinin kullanımını, tamamlayıcı nükleik asit dizilerinin kendi kendine montajı için kullanılan termal bisikleti taklit edecek şekilde eşleştirilmiş dinamik kovalent etkileşimler aracılığında, kendi kendine biraraya getirmek için sunar. Aldehit ve amin kolye moieties taşıyan primer amin monomerler dinamik kovalent reaktan çiftleri olarak kullanılmak üzere ortogonal koruma grupları ile fonksiyonelleştirilmiştir. Modifiye edilmiş bir otomatik peptit synthesizer kullanılarak, birincil amin monomerleri katı fazsubmonomer sentezi yoluyla oligo (peptoid) iplikçiklerine kodlanır. Yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) ve elektrosprey iyonizasyon kütle spektrometresi (ESI-MS) ile karakterizasyon ile saflaştırma üzerine, diziye özgü oligomerler, hem aldehit moieties’ı korumadan çıkaran hem de iplikçiklerin tamamen ayrışması gibi reaktan çifti dengesini etkileyen Lewis asidik nadir toprak metal triflate’nin yüksek yüklenmesine maruz kalırlar. Daha sonra, Lewis asit bir kısmını ayıklanır, matris destekli lazer desorpsiyon / iyonizasyon kütle spektrometresi (MALDI-MS) ile karakterize bilgi kodlanmış moleküler merdivenler oluşturmak için tamamlayıcı dizi-özgü iplikçiklerin annealing sağlayan. Bu raporda özetlenen basit prosedür, dinamik kovalent montaj alanında yaygın olarak yaşanan kinetik tuzakları atlatmaktadır ve sağlam, karmaşık mimarilerin gelecekteki tasarımı için bir platform görevi görehizmet vermektedir.
Kendi kendine montaj ilerleme, hangi küçük alt birimlerin termodinamik tahrikli yollar aracılığıyla daha büyük mimariler üretmek süreci, makro üzerinde geliştirilmiş kontrol sağlanmıştır- ve supra-moleküler nanostructures genellikle π-istifleme ve hidrojen yapıştırma gibi moleküler etkileşimleri istismar ederek1,2,3,4. Özellikle, nükleik asitler (yani, polinükleotidler) Watson-Crick baz eşleştirme tarafından sağlanan yüksek bilgi yoğunluğu karmaşık, dizi seçici yapıların montaj izin olarak son derece çok yönlü nano-inşaat medya olarak ortaya çıkmıştır4,5. Bu geçici intermoleküler bağların doğal olarak düşük mukavemeti alt birim yeniden düzenlenmesini ve hata düzeltmesini sağlarken, ortaya çıkan yapılar genellikle termal ve mekanik bozulmaya karşı duyarlıdır6. Buna karşılık, dinamik kovalent etkileşimler7,8,9, hafif koşullar altında geri dönüşümlü veya yeniden düzenlenebilir ve son zamanlarda merdivenler 10 gibi karmaşık makromoleküller verim için istihdam edilmiştir kovalent bağ oluşturan reaksiyonlar bir sınıf10,11,12,13, kafesler14,15,16, veyığınlar 17, teklif artan bağ mukavemetleri ve sağlam yapılar. Ne yazık ki, yeniden düzenleme ve hata kontrol kapasitesi bu kovalent türlerin nispeten düşük yeniden düzenleme oranları ile azalır, istenilen ürünler18içine kendi kendine montaj için kapasitelerini azaltarak. Bu kinetik bindirme adresi için, katalizörler veya sert reaksiyon koşulları genellikle basit yapı taşları ile birlikte kullanılmaktadır. Burada, melezleşmenin oligomer kalıntı dizilerinde kodlanmış bilgiler tarafından yönlendirildiği, diziye özgü oligomerlerden moleküler merdivenlerin kendi kendine biraraya getirilmesini sağlamak için kinetik bindirmeyi atlatan bir süreç rapor ediyoruz.
Sentetik erişilebilirlik leri göz önüne alındığında, poli (N-ikame glisin)’s (yani, peptoidler) moleküler merdivenlerin monte edildiği oligomerik öncüller olarak istihdam edilmektedir19. Peptoidler, α-karbon20ile birleştiğinde omurga kaynaklı nitrojene kolye gruplarının yapıştırıldığı peptidlerin yapısal izomerleridir. Katı faz sentezi kullanılarak, peptoid zinciri boyunca dinamik kovalent kolye gruplarının tam yerleşimi kolayca elde edilir, karmaşık supramoleküler yapılar içine monte edebilirsiniz öncüolistlerin tasarımı için izin21.
Imine bağlantısının dinamik kovalent yeniden düzenlenmesi bu prosedürde imine üreten yoğuşma reaksiyonu, her bağ 18 g/mol22’likbir kütle azalması ile sonuçlandığı için kütle spektrometresi ile kendi kendini birleştirmeyi karakterize etmek için uygun bir araç sağladığından kullanılır. Ayrıca, amin ve aldehit reaktanları ve imine ürün arasındaki denge asit konsantrasyonu değiştirerek çeşitli olabilir. Özellikle, nadir toprak metal triflates dengeyi etkilemek için kullanılır, ve ayrıca etilen asetal korumalı aldehitler korumak23,24,25. Not alabilmek için, skandum triflate zaten yaygın oda sıcaklığında kovalent organik çerçevelerin sentezine yardımcı kovalent organik çerçeveler (COFs) sentezine yardımcı son başarısı da dahil olmak üzere dinamik kovalent öz-montaj alanında kullanılır26,27. Ayrıca, oligo (peptoid) dizilerinin ve nadir toprak metal triflate’nin zıt çözünürlüğü sıvı-sıvı ekstraksiyonu yoluyla denge kontrolü sağlar. Bildirilen süreç, bilgi yönelimli kendi kendine montaj engelleyen kinetik engelleri aşmak için bu denetim kullanır.
Buradaki teknik, bilgi taşıyan peptoid oligomerlerin dinamik kovalent montajını açıklar ve burada bilgi, kolye gruplarının sırasına göre kodlanır. Etilen asetal korumalı aldehit monomer ile birlikte Alloc korumalı amin monomerkullanımı ortogonal deprotection sağlar, kendi kendine montaj reaksiyonu sırasında boncuk ve asal deprotection alloc deprotection sağlayan, böylece sentezlenen dizileri erken oligomer arıtma ve karakterizasyon önce tepki vermez sağlanması. Daha da önemlisi, katı faz sentezi uv veya menekşe ışık radyasyonu altında boncuk oligomer dekolte sağlamak için bir fotolabile reçin kullanılarak gerçekleştirilir, asit-labile erken deprotection engelleyen, etilen asetal bazlı koruma grubu. Birkaç alternatif korumadan arındırma düzenleri düşünülebilir. Örneğin, başlangıçta çift asit-labile koruma grupları istihdam (Boc-amin ve etilen asetal-aldehit) in situ deprotection amacıyla güçlü bir asit nötralizasyon ile nötralizasyon ile takip kendi kendine montaj reaksiyonu devam etmek için; ancak bu yaklaşım, baz ilavesi üzerine hemen çökelti oluşumuna yol açmıştır. Alternatif olarak, bir fotolabile koruma grubu ile amin korunması, 2-(2-nitrofenil)propoksikarbonil (NPPOC), aldehit seçici trifloroasetik asit ile tedavi üzerine deprotected olabilir olarak öngörüldü (TFA) arıtma önce. Ne yazık ki, UV ışığı ile koruma grubunun yerinde fotolisis, fotoensitizörlerin varlığında bile ve uzun ışınlama sürelerisonra 25,nicel deprotection göze vermedi . Trimethylsilylethoxycarbonyl (yani, Teoc) bir amin koruma grubu olarak istihdam edilebilir ve nadir toprak metal triflates ile tedavi üzerine dekolte tabidir; ancak, kantitatif Teoc deprotection etilen asetal deprotection için gerekli olandan çok daha yüksek nadir toprak metal triflate yüklemeleri gerektirir. Bu protokol için, Teoc-aminler kullanılabilir, ancak lewis asit konsantrasyonu buna göre ayarlanmalıdır alt-nicel amin deprotection büyük kendi kendine monte yapılar için sorunlu kanıtlayabilir. Alifatik fonksiyonel gruplar kısaca kabul edildi, ancak alifatik aldehitlerin korunması peptoid dizileri32,33kesecek sert koşullar gerektirir.
Neee ve Nma’nın inert spacer artıkları olarak dahil edilmesi, oligomer çözünürlüğünü artırmaya ve öncül oligomerlerin kütle spektroskopisi ile üretilen türlerin hazır tanımlanmasını sağlamalarını sağlamak için hizmet vermektedir. Ayrıca, bitişik omurga segmentlerinin karşıt dönme durumlarını benimsedikleri peptoidlerin ‘Σ-iplikçik’ konformasyonu göz önüne alındığında, dinamik kovalent ve inert spacer artıklarını oluşturan doğrusal, bükümsüz oligomer34,35, alternatif dinamik kovalent ve inert spacer artıklarını içeren diziler, reaktif kolye gruplarının aynı yönde yönlendirildiği bir yapıyı kolaylaştırır. Submonomer yönteminin çok yönlülüğü göz önüne alındığında, peptoid oligomerleri daha fazla değiştirmek için büyük ve çeşitli birincil aminler kütüphanesi kullanılabilir, ancak yüksek bağlantı verimliliğini korumak için protokolde ayarlamalar gerektirebilir.
Oligo (peptoids) bir cam reaksiyon gemisi19manuel olarak sentezlenebilir ise, sürecin otomasyon birkaç saat yarım saat her kalıntı ilave için zaman azalır. Ayrıca otomasyon, özellikle ticari olarak mevcut olmayan birincil amin monomerleri kullanırken arzu edilen monomer ve yıkama solvent atıklarının miktarını azaltır. Korunan amin artıklarından Alloc dekoltesi etkin bir reaksiyon olmasına rağmen, paladyum oksidasyonu eksik deprotection neden olabilir. Sonuç olarak, rezorin bir kısmını test etmek ve ESI-MS ile koruma kapsamını karakterize etmek için önerilmektedir. Test dekolteleri için, 30 dk altında 405 nm ışınlama kütle spektrometresi için yeterli peptoid bültenleri. Kısmi korumasız lık, anaerobik koşulların kullanımı veya deprotection reaksiyonunun tekrarlanması ile sınırlandırılabilir.
Bu makale, çok amaçlı reaktif olarak Sc(OTf)3’e odaklanırken, ytterbium triflate gibi diğer nadir toprak metal triflates’in moleküler merdivenlerin bilgi yönelimli montajına başarılı bir şekilde aracılık ettiği gösterilmiştir. Özellikle, Sc (OTf)3 nadir toprak metal triflates en Lewis asidik; böylece, diğer nadir toprak metal triflates tarafından sağlanan azaltılmış katalitik yeteneği sayesinde24,36, daha fazla eşdeğerleri tam etilen asetal deprotection ve iplikçik dissociation etkisi gerekebilir. Gerekli eşdeğerlerin sayısı MALDI kütle spektrometresi ile iplikçiklerin tamamen ayrıştırıldığı noktayı gözlemleyerek belirlenebilir. Ayrışma kendi kendini birleştirme işleminde kritik öneme sahiptir ve nükleik asit iplikçiklerinin yükseltilmiş sıcaklıkta erimesine benzer. Katalizörün sonraki çıkarımı, diziye özgü duplekslerin montajını iten dinamik kovalent eşleşmelerin oluşmasını ve bozulmasını sağlar. Oligomerik iplikçiklerin bu aşamalı tavlama kinetik bindirme (moleküler merdivenler için, kayıt dışı türler veya yanlış çiftleri verebilir) diğer yöntemlerle deneyimli atlatmak.
Kloroform burada kullanılan kloroform / asetonitril / su ternary sisteminde faz ayırma olarak mükemmel bir çözücü kendi kendine monte yapıların yağış sonuçlanan olmadan Lewis asit kısmi ekstraksiyon teşvik37. Ayrıca, kloroform moleküler merdiven çözünürlüğünü korurken imine oluşumunu teşvik birkaç çözücüler biridir. Kayıt dışı ve yanlış eşleştirilmiş dublekslerin eser miktarları genellikle sistemin dinamik yapısı nedeniyle gözlemlenebilir. Bu sistem büyük ölçüde çıkarma üzerine nadir toprak metal triflate konsantrasyonları küçük varyasyon etkilenmez rağmen, zaman zaman, yetersiz katalizör çıkarma eksik hibridizasyon ve non-spesifik oligomer kaplinönemli bir bölümünü oluşturur. Bu durumda, genellikle ilk katalizör daha 1,5 eşdeğerleri ile yeniden ayırmak ve daha sonra tek iplikçiklerin tam ayrışması süreç için hayati önem taşımaktadır gibi, hemen yeniden ayıklamak yerine ikinci bir kez ayıklamak için tercih edilir. Aynı anda birkaç benzersiz bilgi kodlanmış moleküler merdivenler monte etmek için, eşdeğerleri ve toplam reaksiyon hacmi korumak için kullanılan nadir toprak metal triflate stok çözeltisi konsantrasyonu artırmak için gerekli olabilir.
Bu kendi kendine montajlar öncelikle kütle spektrometresi ile karakterize olmakla birlikte, floresan rezonans enerji transferi (FRET) gibi diğer teknikler mümkündür. Sınırlamalar gerekli malzeme miktarı, monomerlerin karşılanabilirliği ve sinyal-gürültü oranını içerir. 1H NMR gibi çözücüler gerektiren teknikler, ayrıca kendi kendine monte edilmiş yapıların çözünmezliğinden de muzdarip olabilir. Ayrıca, ekstraksiyon sonrası nadir toprak metal triflate konsantrasyonları iCP-MS veya 19F NMR gibi yöntemlerle bir iç standart ile belirlenebilir.
Makro ve supra-moleküler nanoyapılar ve malzemeler üzerinde daha iyi kontrol yolunda ilerleme ilerledikçe, düzenli ama değiştirilebilir montajları tasarlama ve imal etme zorluğu ortaya çıkar. Bu raporda açıklanan protokol, dinamik kovalent etkileşimler yoluyla sıra seçici derlemeler aracılığıyla bu tür nanoyapılara ulaşmak için bir yol sağlar.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri, Ödül #DESC0012479 altında desteklenmiştir. S.C.L. Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu Programı’nın desteğini kabul eder ve A.F.A. Abu Dabi Ulusal Petrol Şirketi’nin (ADNOC) desteğini kabul eder.
1,4-Dioxane | Fisher Scientific | D1114 | Certified ACS |
2-(4-Hydroxyphenylazo)benzoic acid (HABA) | Millipore-Sigma | 54793 | Matrix substance for MALDI-MS; ≥99.5% |
4-(2-Aminoethyl)aniline | Ontario Chemicals | A2076 | 98% |
4-Cyanobenzaldehyde | Oakwood Chemical | 049317 | 99% |
4-Methylpiperidine | TCI America | P0445 | ≥98.0% |
4-Toluenesulfonyl chloride | Oakwood Chemical | BR1703 | 99% |
50 mL High Performance Centrifuge Tubes | VWR International | 21008-240 | Centrifuge Tubes used for automated synthesizer |
Acetic acid | Fisher Scientific | A38-212 | Glacial |
Acetic anhydride | Fisher Scientific | A10 | Certified ACS |
Acetonitrile | Millipore-Sigma | 34851 | For HPLC; Gradient grade; ≥99.9% |
All-plastic Norm-Ject syringes | Thermo Fisher Scientific | S7510-10 | Luer-Slip Syringe |
Allyl chloroformate | Acros Organics | 221741000 | 97% |
Bromoacetic acid | Alfa Aesar | A14403 | ≥98.0% |
Chloroform | Millipore-Sigma | 288306 | Anhydrous; ≥99%; Contains 0.5-1.0% ethanol as stabilizer |
Chloroform-d | Acros Organics | AC320690075 | For NMR; 99.8 atom % D; Packaged in 0.75 ml ampoules |
Dichlorodimethylsilane | Acros Organics | 1133100 | ≥99.0% |
Dichloroethane | Fisher Scientific | E175 | Certified ACS |
Dichloromethane | Fisher Scientific | D37-4 | Stabalized; Certified ACS |
Diethyl ether | Acros Organics | 615080010 | Anhydrous; ACS reagent |
Diethylene glycol monoethyl ether | TCI America | E0048 | ≥99.0% |
Ethanol | Decon Labs | 2701 | 200 Proof; Anhydrous |
Ethylene glycol | Fisher Scientific | E178 | Certified |
Fmoc-Photolabile SS resin | CreoSalus | SA50785 | 100-200 mesh; 1% DVB |
Glass Peptide Vessel | Chemglass | CG-1866-02 | Solid Phase, T-Bore PTFE Stpk, Vacuum, Medium Frit, GL 25 Thread |
LC-6AD HPLC pumps | Shimadzu Corporation | Equipment | |
LED 405nm | ThorLabs | M405L2-C1 | 405 nm LED used for photocleavage of peptoid |
LED Driver | ThorLabs | LEDD1B | Driver for LED light used in photocleavage of peptoid |
Liberty Blue Automated Peptide Synthesizer | CEM Corporation | Equipment | |
Lithium aluminum hydride | Millipore-Sigma | 199877 | Powder; Reagent grade; 95%; CAUTION: Mildly pyrophoric, handle under inert gas and protect from moisture |
Luna C18 analytical RP-HPLC column | Phenomenex | 00G-4252-E0 | Equipment |
Luna C18 prepatory RP-HPLC column | Phenomenex | 00G-4253-P0-AX | Equipment |
Methanol | Fisher Scientific | A412 | Certified ACS |
Microliter Syringe | Hamilton Company | 80700 | Cemented Needle (N) |
N,N'-Diisopropylcarbodiimide (DIC) | Oakwood Chemical | M02889 | ≥99.0%; CAUTION: DIC is hazardous to eyes, skin, via respiratory inhalation, and may cause skin sensitization |
N,N-Dimethylformamide | Millipore-Sigma | 319937 | ACS reagent; ≥99.8% |
Nitric acid | Fisher Scientific | A200-212 | Certified ACS Plus |
Nitrogen gas | Cryogenic Gases | Contents under pressure, may explode if heated | |
Phenylsilane | Oakwood Chemical | S13600 | 97% |
Prominence SPD-10A UV/vis Detector | Shimadzu Corporation | Equipment | |
p-Toluenesulfonic acid monohydrate | Millipore-Sigma | 402885 | ACS reagent; ≥98.5% |
Scandium(III) triflate | Oakwood Chemical | 009343 | 99% |
Single-use Needle | Exel International | 26420 | 18G x 1 1/2″ |
Sodium azide | Oakwood Chemical | 094448 | 99%; CAUTION: NaN3 may react with lead and copper which results in the formation of highly explosive metal azides. It is acutely toxic and fatal if swallowed or in contact with skin. |
Sodium bicarbonate | Fisher Scientific | S233 | Powder; Certified ACS |
Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318-100 | Pellets; Certified ACS |
Sodium sulfate | Fisher Scientific | S421-500 | Anhydrous; Granular; Certified ACS |
Syringe Filter 0.45 µm | VWR International | 28145-497 | PTFE, Syringe Filters with Polypropylene Housing |
Tetrahydrofuran | Fisher Scientific | T397 | Certified |
Tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0) | Oakwood Chemical | 034279 | 98% |
Toluene | Fisher Scientific | T324 | Certified ACS |
Triphenylphosphine | Oakwood Chemical | 037818 | 99% |